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JP5725211B2 - Variable optical attenuator - Google Patents
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Description

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。   The present invention relates to a variable optical attenuator. More particularly, the present invention relates to a variable optical attenuator using non-reciprocity of light due to an electromagnetic effect.

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。   In recent years, sensing technology utilizing non-invasiveness of light and spectroscopy has been attracting attention. For example, in fundus examination devices that measure the oxygen saturation of hemoglobin and cancer tests using fluorescent proteins bound to specific parts of the body, a spectroscopic imaging technology that uses laser light in the visible to near-infrared wavelength range is used. Development is underway. These imaging devices and fluorescence microscopes require a multi-wavelength light source according to the application, and white laser light called supercontinuum light generated by irradiating a nonlinear optical crystal with ultrashort pulse laser light must be used. There are many. What is important here is a variable wavelength filter that selects a required wavelength from continuous wavelengths and a variable optical attenuator that adjusts the intensity thereof. Of these, many of the currently used variable optical attenuators are of the waveguide type, and it is difficult to increase the area.

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。On the other hand, a completely different operating principle has been reported recently. This is due to the fact that a directional dichroism property develops due to nonreciprocity in a substance where magnetization that breaks time reversal symmetry and polarization that breaks space reversal symmetry coexist. To do. This directional dichroism is based on a so-called electromagnetic effect, that is, an effect in which magnetization is induced by an electric field and polarization is induced by a magnetic field. For example, a conventional optical isolator such as an optical switch that forms a diffraction grating in a GaFeO 3 crystal and changes the first-order diffracted light according to the direction of magnetization (Patent Document 1) or an optical fiber such as an Er-doped BaTiO 3 single crystal is used. It can be omitted (Patent Document 2).

特開2007−034093号公報JP 2007-034093 A 国際公開第2006/129453号International Publication No. 2006/129453

しかしながら、GaFeO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。However, GaFeO 3 has a problem that the function expression temperature of directional dichroism is lower than room temperature (for example, 300 K). In addition, since the Er-doped BaTiO 3 single crystal is paramagnetic, there is a problem that a magnetic field must always be applied to obtain directional dichroism.

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。   The present invention has been made in view of the above problems. The present invention contributes to manufacturing a variable optical attenuator that is easy to increase in area, requires no external field except when changing the transmittance, and can operate at room temperature. It is.

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。   As a result of examining the above problems, the inventors of the present application have found that in a strongly correlated oxide thin film formed on a surface of a high index plane substrate, the polarization in the crystal axis direction induced by the substrate strain is caused by the magnetic properties of the substance. Regardless, for example, it was noted that it continues to exist even at room temperature above 300K. And the specific means which can solve at least any one of the said subject based on the completely new principle was discovered.

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たLa1−xSrMnO膜(LSMO膜、ただし、0.1<x<0.7)と、該LSMO膜の膜面内の磁化を制御する磁化制御手段とを備え、該LSMO膜の磁化を制御することにより、該LSMO膜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。As a specific solution, in one embodiment of the present invention, a La 1-x Sr x MnO 3 film (LSMO film, provided that 0.1 <x <0) is formed on a (210) -oriented substrate. 7) and magnetization control means for controlling the magnetization in the film surface of the LSMO film, and by controlling the magnetization of the LSMO film, the variable light whose transmittance with respect to the transmitted light of the LSMO film is controlled An attenuator is provided.

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、上記態様においては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。その結果上記態様においては、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LSMO膜を含む構成(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。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。   According to the above aspect, it is possible to generate polarization having a component in the [−120] axial direction as an in-plane component at room temperature in the LSMO film. Moreover, the in-plane magnetization of the LSMO film can be generated, for example, in the [001] axis or [00-1] axis direction regardless of the presence or absence of the polarization. That is, in the above embodiment, polarization and magnetization orthogonal to each other can coexist in the LSMO film at room temperature. As a result, in the above-described aspect, the electromagnetic effect at room temperature can be used, and a variable optical attenuator using the directional dichroism as an operating principle can be realized. That is, in this configuration, for example, light can be incident from the front or back surface of the configuration (light modulation element) including the variable optical attenuator substrate and the LSMO film formed in a generally planar shape. Unlike the above, it is easy to increase the area. Moreover, since the LSMO film is ferromagnetic, it is not necessary to apply an external field (external magnetic field or injection current) in order to maintain the modulated transmittance. Note that in the present application in general, light that is controlled by attenuation or the like when passing through the variable optical attenuator is not only visible light, but also, for example, near-infrared light and infrared light for optical communication, and the LSMO film. It contains electromagnetic waves of any wavelength that can exhibit directional dichroism.

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。さらに、スピン注入磁化反転の原理にしたがってスピン分布が偏った電流を作り出すためのピン止め部と電流手段の組合せも、このような磁化制御手段の一例である。   In the above aspect, the magnetization control means includes any physical means for controlling at least one of the direction and strength of magnetization of the LSMO film. A typical magnetization control means includes a magnetic field application means that can apply a magnetic field to the LSMO film from the outside and change the strength and direction of the magnetic field. Further, a combination of a pinning portion and a current unit for creating a current with a biased spin distribution according to the principle of spin injection magnetization reversal is an example of such a magnetization control unit.

また、上記態様の可変光減衰器において、前記磁化の方向が前記LSMO膜の面内[001]軸方向であり、該LSMO膜の[001]軸に平行に直線偏光した光が前記基板の側から該LSMO膜に入射される。この態様において、前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[00−1]軸方向に印加する磁場強度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御されるとさらに好適である。   In the variable optical attenuator of the above aspect, the direction of magnetization is the in-plane [001] axis direction of the LSMO film, and the light linearly polarized parallel to the [001] axis of the LSMO film is on the substrate side. To the LSMO film. In this aspect, it is more preferable that the magnetization control means controls the magnetic field strength applied in the [00-1] axis direction of the LSMO film, and the transmittance is controlled thereby.

さらに、上記態様の可変光減衰器において、前記磁化の方向が前記LSMO膜の面内[00−1]軸方向であり、該LSMO膜の[001]軸に平行に直線偏光した光が前記基板の側とは逆の該LSMO膜の側から該LSMO膜に入射される。この態様において、前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[001]軸方向に印加する磁場強度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御されると好適である。   Further, in the variable optical attenuator of the above aspect, the magnetization direction is the in-plane [00-1] axis direction of the LSMO film, and the linearly polarized light parallel to the [001] axis of the LSMO film is the substrate. The light enters the LSMO film from the side opposite to the LSMO film. In this aspect, it is preferable that the magnetization control means controls the magnetic field strength applied in the [001] axis direction of the LSMO film, and thereby the transmittance is controlled.

上記各態様により、磁場を印加しない場合には光が透過しないかまたは十分に減衰され、磁場印加によりその強度に応じ透過率を増大させるように透過率を可変に制御することが可能となる。さらに、上記各好適な態様により、磁場を印加しない場合には光が透過せず、磁場印加によりその強度に応じ透過率を可変に制御することが可能となる。   According to each of the above aspects, when a magnetic field is not applied, light is not transmitted or sufficiently attenuated, and the transmittance can be variably controlled so that the transmittance is increased according to the intensity by applying the magnetic field. Furthermore, according to each of the preferred embodiments, light is not transmitted when a magnetic field is not applied, and the transmittance can be variably controlled according to the intensity by applying the magnetic field.

加えて、本発明のある態様においては、上記態様のいずれかに記載の可変光減衰器において、前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[001]軸方向または[00−1]軸方向に印加する電流密度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御される。本態様により透過率変化をナノ秒程度の短時間に実行する高速応答が可能となる。   In addition, according to an aspect of the present invention, in the variable optical attenuator according to any of the above aspects, the magnetization control unit is applied in the [001] axial direction or the [00-1] axial direction of the LSMO film. Current density is controlled, whereby the transmittance is controlled. According to this aspect, a high-speed response is possible in which the transmittance change is executed in a short time of about nanoseconds.

そして本発明のある態様においては、前記基板がSrTiOの組成であると好適である。SrTiO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。In one embodiment of the present invention, it is preferable that the substrate has a composition of SrTiO 3 . By using SrTiO 3 , the polarization direction in the LSMO film grown epitaxially with respect to the substrate can be directed to an effective direction with respect to the transmitted light transmitted in the direction perpendicular to the substrate.

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ものである。   Since the variable optical attenuator of the present invention is based on the directional dichroism due to the electromagnetic effect of the film formed on the substrate, it is easy to increase the area, and external field application is possible except when changing the transmittance. A variable optical attenuator which can be operated at room temperature without being required is realized.

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。It is explanatory drawing which shows the structure at the time of use of the structure of the variable optical attenuator of embodiment with this invention, and a light modulation element. 1A shows the first arrangement, and FIG. 1B shows the second arrangement. 本発明のある実施形態の可変光減衰器に含まれる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2(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。It is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning of magnetization and polarization of an LSMO film | membrane by the direction seen from the film surface of the light modulation element in the light modulation element contained in the variable optical attenuator of embodiment with this invention. FIGS. 2A and 2B show the first and second arrangements, respectively. 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3(a)は全体像を示し、図3(b)はLSMO膜の結晶構造を示す拡大図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a light modulation element according to an embodiment of the present invention, FIG. 3A is an overall view, and FIG. 3B is an enlarged view showing a crystal structure of an LSMO film. 本発明ある実施形態の可変光減衰器において第1の配置の場合の磁場印加の様子を示す模式図(図4(a))と、LSMO膜の透過率の変調の様子を示すグラフ(図4(b))である。In the variable optical attenuator of an embodiment of the present invention, a schematic diagram (FIG. 4A) showing a state of magnetic field application in the first arrangement, and a graph showing a state of modulation of the transmittance of the LSMO film (FIG. 4). (B)).

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。   Hereinafter, embodiments of a variable optical attenuator according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings. In the drawings, each element of each embodiment is not necessarily shown in a scale ratio.

<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4を参照して説明する。図1は、可変光減衰器100の構成および光変調素子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では、SrTiOの(210)面方位の基板1の表面の上にLa1−xSrMnO膜2(以下「LSMO膜2」という)を形成する。ここでは、LSMO膜2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のSrTiOの結晶構造は、(210)面方位に作製されており、ペロフスカイト構造である。また、LSMO膜2は、基板1の(210)表面の上に、基板1の結晶構造に対しコヒーレントに成長させて形成する。
<First Embodiment>
Hereinafter, embodiments of a variable optical attenuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the variable optical attenuator 100 and the arrangement when the light modulation element 10 is used. The variable optical attenuator 100 includes an optical modulation element 10 and a magnetization control means 50. The magnetization control means 50 is typically any means that can adjust the direction and strength of the magnetic field 4. In the light modulation element 10, a La 1-x Sr x MnO 3 film 2 (hereinafter referred to as “LSMO film 2”) is formed on the surface of the substrate 1 having the (210) plane orientation of SrTiO 3 . Here, the specific composition of the LSMO film 2 will be described as an example where x = 0.3. The crystal structure of SrTiO 3 of the substrate 1 is produced in the (210) plane orientation and is a perovskite structure. The LSMO film 2 is formed on the (210) surface of the substrate 1 by growing it coherently with respect to the crystal structure of the substrate 1.

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)により使用する。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2の表面側(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2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2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2の膜中の磁化および分極と、光の入射方向と、磁場印加方向との組合せとして図1(a)および図1(b)のように設定される。   The light modulation element 10 included in the variable optical attenuator 100 is used by the first and second configurations. 1A shows a first arrangement in which incident light 31A is incident from the substrate 1 side, and FIG. 1B shows a second arrangement in which incident light 31B is incident from the surface side (film surface side) of the film 2. It is shown. The outgoing lights in the first and second arrangements are outgoing lights 32A and 32B, respectively. Both the incident light 31 </ b> A and the incident light 31 </ b> B are light linearly polarized in the [001] axis direction of the crystal structure of the LSMO film 2. In these arrangements, the direction of magnetization in the LSMO film 2 is different in addition to the incident direction of light. That is, in the first and second arrangements, the combination of the magnetization and polarization in the LSMO film 2, the light incident direction, and the magnetic field application direction is as shown in FIGS. Is set.

図2は、本実施形態の光変調素子10においてLSMO膜2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2(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2では磁化方向は膜面内となる。(210)基板1上に形成したLSMO膜2では後述するように、[−120]軸方向に分極6が生じる。この分極6は、図1では手前から奥へ、また図2では紙面上左から右に向かう向きに描いている。なお、LSMO膜2のキュリー温度(T)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。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the arrangement of the magnetization 5 and the polarization 6 of the LSMO film 2 in the light modulation element 10 of the present embodiment as viewed from the film surface of the light modulation element 10. (B) shows the arrangement of the magnetization 5 and the polarization 6 in the first and second arrangements corresponding to FIGS. 1 (a) and 1 (b), respectively. In the LSMO film 2, the magnetization direction is in the film plane. (210) In the LSMO film 2 formed on the substrate 1, the polarization 6 is generated in the [−120] axial direction as described later. This polarization 6 is drawn from the front to the back in FIG. 1 and from the left to the right on the page in FIG. Note that the Curie temperature (T C ) of the LSMO film 2 is 360 K and exhibits ferromagnetism at room temperature. The coercive force is about 20 Oe (about 0.25 A / m).

次に、本実施形態の可変光減衰器100のLSMO膜2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2(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2(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2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2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。   Next, the directional dichroism used in the LSMO film 2 of the variable optical attenuator 100 of the present embodiment will be described in the case of the first arrangement (FIGS. 1A and 2A). In the first arrangement, the magnetization 5 is set upward in the figure ([001] axis direction). Therefore, in FIG. 2A, the magnetization 5 is upward with respect to the polarization 6 directed to the right, and the magnetization 5 and the polarization 6 are orthogonal to each other in the film plane. In the first arrangement, the outgoing light 32A is weakened by the electromagnetic effect of the LSMO film 2 with respect to the incident light 31A incident from the substrate 1 side, so that the transmittance is lowered. On the other hand, the electromagnetic effect of the LSMO film 2 does not act on reverse-direction incident light (not shown) incident from the film surface side in this first arrangement, and the emitted light (not shown) is not easily weakened. This is because reverse-direction incident light is transmitted without being attenuated except for normal reflection on the film surface and absorption on the film itself. Directional dichroism is a property in which the transmittance varies depending on the propagation direction.

方向二色性は、第2の配置(図1(b)および図2(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2(b)に示した配置の通り、右向きの分極6に対して磁化5を図中下向き([001]軸とは反対向き)とすることである。つまり磁化5を[001]軸とは反対向きにしておく。このため、第2の配置では図2(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2の側から入射させる入射光31Bに対してLSMO膜2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2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。   Directional dichroism is also exhibited in the second arrangement (FIGS. 1B and 2B). The second arrangement differs from the first arrangement in that the magnetization 5 is directed downward (opposite the [001] axis) in the figure with respect to the polarization 6 directed to the right as shown in FIG. 2B. It is to be. That is, the magnetization 5 is set in the direction opposite to the [001] axis. Therefore, in the second arrangement, as shown in the arrangement shown in FIG. 2B, the downward magnetization 5 and the right polarization 6 are obtained. In this case, the electromagnetic effect of the LSMO film 2 acts on the incident light 31B incident from the LSMO film 2 side, and the emitted light 32B is weakened and the transmittance is lowered. On the other hand, the electromagnetism effect of the LSMO film 2 does not act on the reverse direction incident light (not shown) incident from the substrate 1 side, and the emitted light (not shown) is not easily weakened.

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2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2の磁化5により維持されている。   The cause of directional dichroism seen in both the first and second arrangements is asymmetry or non-reciprocity of the magnetization 5 and polarization 6 with respect to the light traveling direction. For this reason, the arrangement | positioning of the initial state which uses the light modulation element 10 of this embodiment is made into either the 1st or 2nd arrangement | positioning mentioned above. That is, the arrangement of the incident light 31A and 31B, the magnetization 5, and the polarization 6 sets a combination in which the outgoing light 32A or 32B is weakened and the transmittance of the LSMO film 2 is lowered to the initial state. The initial state is maintained by the magnetization 5 of the LSMO film 2 itself.

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2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2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。   A typical modulation operation of the variable optical attenuator 100 is to modulate the transmittance from the initial state using an external magnetic field 4 (hereinafter referred to as “magnetic field 4”) by the magnetization control means 50. When the magnetic field 4 is applied in the direction opposite to the magnetization 5 from the initial state, the magnetization 5 is reduced or reversed in any of the first and second arrangements described above, and as a result, the attenuation of the transmitted light is weakened. 32A or 32B increases. For example, in the first arrangement, the magnetization 5 in the [001] direction in the initial state in FIG. 1A is weakened or remains in the [00-1] direction, and the emitted light 32A is compared with the initial state. Increase. Here, when the magnitude of the magnetic field 4 applied in order to modulate the transmittance is set to be equal to or less than the coercive force of the LSMO film 2, the magnitude of the magnetization 5 changes although the direction does not change. Therefore, transmittance modulation is realized in which the magnitude of the magnetization 5 is controlled by applying the magnetic field 4 and the intensity of the emitted light 32 </ b> A is controlled according to the magnitude of the magnetization 5. Moreover, even when the application of the magnetic field 4 is stopped, the magnetization 5 is maintained by the properties of the LSMO film 2. For this reason, the variable optical attenuator 100 does not require application of a magnetic field except when modulating the transmittance.

続いて、(210)面方位の基板1に形成したLSMO膜2における分極6を簡単に説明する。図3は、基板1の紙面上上方にLSMO膜2を向けた向きでの光変調素子10の概略断面図であり、図3(a)は全体像を示し、図3(b)はLSMO膜2の結晶構造を示す拡大図である。LSMO膜2の膜中においては、図3(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2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3(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LSMO膜2も、(La,Sr)O−MnO−(La,Sr)O−MnO−…というように、(La,Sr)Oの原子面とMnを含むMnO原子面とが交互に積層されている。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。また、上記の交互の積層は、LSMO膜2の面の法線方向(基板面直方向)に向かって積層されている。このようなLSMO膜2の結晶においては面内の対称性が破れる。その結果、図3(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。Next, the polarization 6 in the LSMO film 2 formed on the substrate 1 having the (210) plane orientation will be briefly described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the light modulation element 10 with the LSMO film 2 facing upward on the paper surface of the substrate 1, FIG. 3 (a) shows the whole image, and FIG. 3 (b) shows the LSMO film. It is an enlarged view which shows the crystal structure of 2. FIG. In the film of the LSMO film 2, as shown by a slightly upward right arrow in FIG. 3A, the cation is displaced relative to the anion of the oxygen atom, and as a result, polarization also occurs. The component in the film plane of this polarization is the [−120] axial direction. The cause of this will be described by paying attention to the crystal lattice orientation of the substrate 1 and the LSMO film 2. The substrate 210 having the (210) plane orientation has a crystal lattice in which the (010) plane is inclined by about 26.6 degrees. For this reason, as shown in FIG. 3B, the LSMO film 2 formed coherently on the surface of the substrate 1 is also (La, Sr) O—MnO 2 — (La, Sr) O—MnO 2 —. As described above, the atomic planes of (La, Sr) O and MnO 2 atomic planes containing Mn are alternately stacked. Note that (La, Sr) means that La or Sr randomly occupies the A site of the perovskite. Further, the above alternate lamination is carried out in the normal direction of the surface of the LSMO film 2 (right direction of the substrate surface). In-plane symmetry is broken in such a crystal of the LSMO film 2. As a result, (La, Sr) and Mn are spatially displaced as indicated by the arrows attached to each of (La, Sr) and Mn on the atomic layer plane in FIG. And the polarization 6 occurs in the same direction as this displacement, that is, in a direction slightly inclined from the [−120] axis in the stacking direction, that is, in the [−110] axis direction. In the variable optical attenuator 100 of the present embodiment, the polarization 6 is determined mainly corresponding to the orientation of the crystal lattice of the substrate 1.

ここで(210)基板1として採用可能な材質は、LSMO膜2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、(LaAlO0.3(SrAl0.5Ta0.50.7(LSAT)やSrTiOを含んでいる。特にSrTiOを採用することは、LSMO膜2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2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。Here, the material that can be used as the (210) substrate 1 is any material suitable for epitaxial growth of the crystal of the LSMO film 2. Examples of such materials include (LaAlO 3 ) 0.3 (SrAl 0.5 Ta 0.5 O 3 ) 0.7 (LSAT) and SrTiO 3 . In particular, the use of SrTiO 3 is advantageous in that the polarization 6 generated in the LSMO film 2 is effectively used for transmitted light in the vertical direction. That is, when the extension strain from the substrate 1 affects the LSMO film 2, the angle of the polarization 6 from the substrate surface is about 18.4 degrees. As a result, the projection component onto the film surface of the polarization 6 acting on the transmitted light propagating in the direction perpendicular to the light modulation element 10 is increased to about 95% of the size of the polarization 6 and generated. Most of the polarization 6 has a suitable configuration that contributes to nonreciprocity to transmitted light. When the angle of the light modulation element with respect to the incident light can be arbitrarily set, the plane formed by the magnetization in the (210) plane and the polarization 6 tilted by about 18.4 degrees from the substrate surface (ie, (110) plane) On the other hand, by setting the incident angle so that the transmitted light propagates perpendicularly, the intensity change due to nonreciprocity can be utilized without any reduction.

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。さらに、変形例として後述するスピン注入磁化反転を利用しても、図4(B)に関連して上述した透過率の中間的な制御することが可能である。   Incidentally, it should be noted that the polarization such as the polarization 6 cannot be obtained by a thin film formed coherently on the surface of the (100) plane substrate, for example, in which the in-plane is fourfold symmetrical. Furthermore, even if spin injection magnetization reversal, which will be described later, is used as a modification, it is possible to perform intermediate control of the transmittance described above with reference to FIG.

次に、第1の配置(図1(a)および図2(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4を参照して説明する。図4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4(a))と、LSMO膜の透過率の変調の様子を示すグラフ(図4(b))である。図4(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2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2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4(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LSMO膜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。   Next, taking the first arrangement (FIG. 1 (a) and FIG. 2 (a)) as an example, how the magnetic field 4 is applied in the direction opposite to the magnetization to modulate the transmittance will be described with reference to FIG. . FIG. 4 is a schematic diagram (FIG. 4A) showing a state of magnetic field application in the first arrangement in the variable optical attenuator 100, and a graph showing a state of modulation of the transmittance of the LSMO film (FIG. 4 (FIG. 4). b)). As shown in FIG. 4A, application of the magnetic field 4 reduces the strength of the magnetization 5 while maintaining its direction. That is, the magnetization 5 and the polarization 6 become smaller without changing the direction as the magnetic field 4 is increased from (a2), (a3)... Before the application of the magnetic field 4 shown at the left end (a1). The magnetic field 4 applied here is not more than the coercive force of the LSMO film 2. Corresponding to the change of the magnetization 5, the transmittance of the LSMO film 2 changes. That is, the transmittance increases as schematically shown in FIG. 4B according to the increase of the magnetic field 4. As described above, in the operation of the variable optical attenuator 100, the magnitude of the magnetization 5 is controlled by applying the magnetic field 4 opposite to the magnetization 5, and finally transmitted through the light modulation element 10 having the LSMO film 2. The rate can be changed.

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2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4(b)に矢印により示したように、印加した磁場を弱めて0とした後にも維持される。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4に関連する説明は第1の配置の場合のみ示したが、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。   As described above, the operation of the magnetization control means such as application of the magnetic field 4 is required only at the timing when the transmittance needs to be changed from the previous value. When the magnetization control means controls the external magnetic field, since the LSMO film 2 is a ferromagnetic material that retains the magnetization 5, if the application of the magnetic field 4 is stopped in a range weaker than the coercive force, The strength of the magnetization 5 is maintained. Accordingly, the transmittance is also maintained after the applied magnetic field is reduced to zero as indicated by the arrow in FIG. This transmittance can be modulated in multiple steps or continuously. Further, the description related to FIG. 4 is shown only in the case of the first arrangement, but the transmittance can be controlled by the same mechanism in the second arrangement.

そして、本実施形態の可変光減衰器100が含んでいる光変調素子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(210)面方位基板を基板1として、LSMO膜2を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2をレーザーアブレーション法により形成する。LSMO膜2のためのターゲット材は、固相反応法により作製したLSMOの多結晶材料を採用する。最初に真空チャンバー内にSrTiO(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2として任意の原子層だけLSMOを形成することができる。ここで、LSMOの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。このような成膜工程により、光変調素子10を形成することができる。A method for manufacturing the light modulation element 10 included in the variable optical attenuator 100 of this embodiment will be described. The light modulation element 10 of this embodiment can be manufactured by depositing the LSMO film 2 using the SrTiO 3 (210) plane orientation substrate as the substrate 1. Specifically, the LSMO film 2 is formed by a laser ablation method. As the target material for the LSMO film 2, a polycrystalline material of LSMO produced by a solid phase reaction method is employed. First, an SrTiO 3 (210) substrate is attached in the vacuum chamber, and then evacuated to 3 × 10 −9 Torr (4 × 10 −7 Pa) or less, for example. Thereafter, high-purity oxygen gas is introduced at 1 mTorr (0.133 Pa), and the substrate is heated to a temperature of about 900 ° C., for example. Subsequently, by irradiating the target of LSMO with a laser such as a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm, LSMO can be formed as an LSMO film 2 only in an arbitrary atomic layer. Here, the control of the film thickness of the LSMO, that is, the number of atomic layers, can be determined based on the relationship between the number of shots of the laser pulse and the number of atomic layers studied in advance. The light modulation element 10 can be formed by such a film forming process.

<本実施形態の変形例:他の磁化制御手段>
上記実施形態の説明において、可変光減衰器100の磁化5を制御するために磁化制御手段50による外部磁場を利用した。本発明の実施形態は、上述した可変光減衰器100とは異なり、外部磁場以外の磁化制御手段により、同様の動作を行わせることも可能である。本実施形態の典型的な変形例は、スピン注入磁化反転を利用し磁化5および透過率を制御するものである。
<Modification of this embodiment: Other magnetization control means>
In the description of the above embodiment, an external magnetic field by the magnetization control means 50 is used to control the magnetization 5 of the variable optical attenuator 100. In the embodiment of the present invention, unlike the variable optical attenuator 100 described above, the same operation can be performed by a magnetization control means other than an external magnetic field. A typical modification of this embodiment is to control the magnetization 5 and the transmittance by utilizing spin injection magnetization reversal.

LSMO膜2はスピンが偏極したいわゆるハーフメタルでもあることから、スピン注入による磁化反転も利用可能である。つまり、スピン分布が偏っている電流をLSMO膜2に対し注入することにより、磁化5の方向または強さを制御する。ただし、スピン注入磁化反転を生じさせるためには電流密度をある閾値よりも増大させなくてはならない。電流密度を十分に大きくしてスピン注入磁化反転を行なうためには、例えば磁化反転させる領域を制限することが有効である。一例として、膜厚を100nmとし、[−120]軸方向に延びる10μm幅のストライプ状パターンにLSMO膜2を形成するとする。この場合、LSMO膜2の断面積は100nm×10μmであり、面積は1μmとなる。この程度の断面積であれば電流注入による磁化反転のための閾値を超す電流密度を印加することが可能となる。Since the LSMO film 2 is also a so-called half metal having a polarized spin, magnetization reversal by spin injection can also be used. That is, the direction or strength of the magnetization 5 is controlled by injecting a current with an uneven spin distribution into the LSMO film 2. However, in order to cause spin injection magnetization reversal, the current density must be increased above a certain threshold. In order to perform spin injection magnetization reversal by sufficiently increasing the current density, it is effective to limit, for example, a region where magnetization is reversed. As an example, it is assumed that the film thickness is 100 nm and the LSMO film 2 is formed in a stripe pattern having a width of 10 μm extending in the [−120] axis direction. In this case, the cross-sectional area of the LSMO film 2 is 100 nm × 10 μm and the area is 1 μm 2 . With such a cross-sectional area, it is possible to apply a current density exceeding the threshold value for magnetization reversal by current injection.

具体的には、LSMO膜2の[001]軸方向に離間された1対の電極を設ける。その際、その1対の電極を上記ストライプ状のパターンのLSMO膜2に接触させるために、一方の電極においてはIrMn等の反強磁性体のピン止め層(ピン止め部)を介在させて接続し、他方の電極は直接接続する。このような構成により、LSMO膜2の磁化と反対向きにピン止めされた磁化を利用したスピン注入磁化反転を生じさせることが可能となる。すなわち、上記他方の電極から片側の電極から電流を印加する、つまり上記一方の電極から電子を流すことにより、ピン止め層に接触するLSMO2層からは、ピン止め層と接触していないLSMO2層のスピンとは逆に偏極したスピンを有する電流(スピン流)が流れ込み、ピン止め層と接触していないLSMO膜2の磁化を反転することが可能となる。なお、初期状態に膜の磁化方向を揃えるには、これとは極性の異なる電流を印加すればよい。このようなスピン注入磁化反転の原理に基づく磁化制御手段を利用することにより、高速な光の透過率の制御を行うことも可能となる。   Specifically, a pair of electrodes spaced apart in the [001] axial direction of the LSMO film 2 are provided. At that time, in order to bring the pair of electrodes into contact with the LSMO film 2 having the stripe pattern, one electrode is connected via an antiferromagnetic pinning layer (pinning portion) such as IrMn. The other electrode is directly connected. With such a configuration, it is possible to cause spin injection magnetization reversal using magnetization pinned in the opposite direction to the magnetization of the LSMO film 2. That is, by applying a current from one electrode from the other electrode, that is, by passing electrons from the one electrode, the LSMO2 layer that is not in contact with the pinned layer is changed from the LSMO2 layer that is in contact with the pinned layer. An electric current (spin current) having a spin opposite to the spin flows, and the magnetization of the LSMO film 2 not in contact with the pinned layer can be reversed. In order to align the magnetization direction of the film in the initial state, a current having a different polarity may be applied. By using the magnetization control means based on the principle of spin injection magnetization reversal, it becomes possible to control the light transmittance at high speed.

<本実施形態の変形例:LSMO膜の組成範囲>
また、LSMO膜2のLa1−xSrMnOは上記説明のx=0.3以外の範囲のもの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、La1−xSrMnO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La1−xSrMnOは強磁性絶縁相を示すため好適である。これは、LSMO膜2において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。
<Modification Example of Embodiment: Composition Range of LSMO Film>
Further, La 1-x Sr x MnO 3 of the LSMO film 2 may be in a range other than x = 0.3 described above. Specifically, a composition range of 0.1 <x <0.7 can be used. This is because La 1-x Sr x MnO 3 exhibits a ferromagnetic phase in the above composition range. Furthermore, in the composition range of 0.1 <x <0.17, La 1-x Sr x MnO 3 is preferable because it exhibits a ferromagnetic insulating phase. This is because the non-modulable absorption that increases when the LSMO film 2 has high conductivity can be reduced.

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、請求の範囲の記載に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。   As described above, the variable optical attenuator 100 of the present embodiment can be easily increased in area, and a variable optical attenuator that can operate at room temperature without applying an external field can be realized except when changing the transmittance. Become. Each of the embodiments described above has been described in order to explain the invention. The material of the thin film or the substrate, the composition, the film thickness, the forming method, the specific type of the magnetic field applying means, the forming method, etc. are not limited to the above embodiment. Rather, the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. In addition, modifications that exist within the scope of the present invention including other combinations of the embodiments are also included in the scope of the claims.

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。   The present invention is applicable to any apparatus that uses a variable optical attenuator.

100 可変光減衰器
10 光変調素子
1 (210)面方位基板
2 LSMO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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Variable optical attenuator 10 Light modulation element 1 (210) Plane orientation board | substrate 2 LSMO film | membrane 31A, 31B Incident light 32A, 32B Output light 4 Magnetic field (external magnetic field)
5 Magnetization 6 Polarization 50 Magnetization control means

Claims (7)

(210)面方位の基板の上に形成されたLa1−xSrMnO膜(LSMO膜、ただし、0.1<x<0.7)と、
該LSMO膜の膜面内の磁化を制御する磁化制御手段と
を備え、
該LSMO膜の磁化を制御することにより、該LSMO膜の透過光に対する透過率が制御される
可変光減衰器。
(210) La 1-x Sr x MnO 3 film (LSMO film, where 0.1 <x <0.7) formed on a substrate having a plane orientation;
Magnetization control means for controlling the magnetization in the film surface of the LSMO film,
A variable optical attenuator in which the transmittance of the LSMO film is controlled by controlling the magnetization of the LSMO film.
前記磁化の方向が前記LSMO膜の面内[001]軸方向であり、
該LSMO膜の[001]軸に平行に直線偏光した光が前記基板の側から該LSMO膜に入射される
請求項1に記載の可変光減衰器。
The magnetization direction is the in-plane [001] axis direction of the LSMO film;
The variable optical attenuator according to claim 1, wherein light linearly polarized parallel to the [001] axis of the LSMO film is incident on the LSMO film from the substrate side.
前記磁化の方向が前記LSMO膜の面内[00−1]軸方向であり、
該LSMO膜の[001]軸に平行に直線偏光した光が前記基板の側とは逆の該LSMO膜の側から該LSMO膜に入射される
請求項1に記載の可変光減衰器。
The magnetization direction is the in-plane [00-1] axis direction of the LSMO film;
The variable optical attenuator according to claim 1, wherein light linearly polarized parallel to the [001] axis of the LSMO film is incident on the LSMO film from the side of the LSMO film opposite to the side of the substrate.
前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[00−1]軸方向に印加する磁場強度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御される
請求項2に記載の可変光減衰器。
The variable optical attenuator according to claim 2, wherein the magnetization control means controls the magnetic field strength applied in the [00-1] axis direction of the LSMO film, whereby the transmittance is controlled.
前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[001]軸方向に印加する磁場強度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御される
請求項3に記載の可変光減衰器。
The variable optical attenuator according to claim 3, wherein the magnetization control means controls a magnetic field strength applied in the [001] axis direction of the LSMO film, and thereby the transmittance is controlled.
前記磁化制御手段が、前記LSMO膜の[001]軸方向または[00−1]軸方向に印加する電流密度を制御するものであり、これにより前記透過率が制御される
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の可変光減衰器。
The magnetization control unit controls a current density applied in the [001] axis direction or the [00-1] axis direction of the LSMO film, and thereby the transmittance is controlled. 4. The variable optical attenuator according to any one of 3 above.
前記基板がSrTiOの組成である
請求項1に記載の可変光減衰器。
The variable optical attenuator according to claim 1, wherein the substrate has a composition of SrTiO 3 .
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