JP7807253B2

JP7807253B2 - 光デバイス及び光システム

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Publication number: JP7807253B2
Application number: JP2022020316A
Authority: JP
Inventors: 友人水野; 英明福澤; 哲也柴田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2026-01-27
Anticipated expiration: 2042-02-14
Also published as: JP2023117642A; CN116594121A; US12550622B2; US20230301196A1

Description

本発明は、光デバイス及び光システムに関する。

光電変換素子は、様々な用途で用いられている。

例えば、特許文献１には、反射体からの反射光をフォトダイオードで受光し、反射体である対象物までの距離を測る測距装置が記載されている。この測距装置は、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）の技術を利用している。

特開２０２１－１２８０８４号公報

半導体のｐｎ接合を用いた光センサーは広く利用されているが、更なる発展のために新たなブレイクスルーが求められている。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、新規な光デバイス及び光システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる光デバイスは、発光部と、第１磁性素子と、回路と、を備え、前記第１磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、前記第１磁性素子には、前記発光部で発光し被照射体で反射した反射光が照射され、前記発光部の発光に対応した第１信号が、前記回路に入力され、前記第１磁性素子への前記反射光の照射に対応した第２信号が、前記第１磁性素子から前記回路に入力される。

（２）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記第１信号は、前記発光部から前記回路に入力されてもよい。

（３）上記態様にかかる光デバイスは、第２磁性素子をさらに備え、前記第２磁性素子は、第３強磁性層と、第４強磁性層と、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とに挟まれる第２スペーサ層と、を備え、前記第２磁性素子には、前記発光部で発光した光の一部が照射され、前記第１信号は、前記第２磁性素子から前記回路に入力されてもよい。

（４）上記態様にかかる光デバイスにおいて、前記第１磁性素子には、前記発光部で発光した光の一部も照射され、前記第１信号は、前記第１磁性素子から前記回路に入力されてもよい。

（５）上記態様にかかる光デバイスは、光走査ミラーをさらに備え、前記発光部で発光した光の少なくとも一部が前記光走査ミラーで反射されて前記被照射体に照射されると共に、前記被照射体からの前記反射光が前記光走査ミラーで反射されて前記第１磁性素子に照射されてもよい。

（６）第２の態様にかかる光システムは、上記態様にかかる光デバイスを有し、前記回路に入力された前記第１信号と前記第２信号に基づいて、前記発光部の発光と前記第１磁性素子への前記反射光の照射との時間差を求める。

（７）上記態様にかかる光システムは、前記時間差に基づいて、前記被照射体と前記光デバイスとの間の距離を求めてもよい。

（８）第３の態様にかかる光システムは、上記態様にかかる光デバイスを有し、前記反射光から前記被照射体の立体像を得る。

上記態様にかかる光デバイス及び光システムは、新規な原理で動作する。

第１実施形態に係る光システムの模式図である。第１実施形態に係る第１磁性素子の断面図である。第１実施形態に係る第１磁性素子の動作の第１メカニズムを説明するための図である。第１実施形態に係る第１磁性素子の動作の第２メカニズムを説明するための図である。第１実施形態に係る光システムにおける第１信号および第２信号の例を示す図である。第１実施形態に係る光システムにおける第１磁性素子からの出力電圧の時間変化を示す図である。第１実施形態に係る光システムにおける第１磁性素子からの出力電圧の時間変化を示す図である。第２実施形態に係る光システムの模式図である。第２実施形態に係る第２磁性素子の断面図である。第２実施形態に係る光システムにおける第１信号および第２信号の例を示す図である。第３実施形態に係る光システムの模式図である。第３実施形態に係る光システムにおける第１信号および第２信号の例を示す図である。第４実施形態に係る光システムの模式図である。第５実施形態に係る光システムの模式図である。第６実施形態に係る光システムの模式図である。光システムの適用例の模式図である。

以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

方向について定義する。第１磁性素子２の積層方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する面内の一方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向をｙ方向とする。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。＋ｚ方向は、第２電極Ｅ２から第１電極Ｅ１へ向かう方向である。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。

「第１実施形態」
図１は、第１実施形態に係る光システム１００の模式図である。光システム１００は、例えば、光デバイス１０と外部装置９０とを備える。光システム１００は、光デバイス１０の発光部１で発光した光（以下、光Ｌ１と称する）と、被照射体Ｏｂで反射した光（以下、反射光Ｌ２と称する）と、を用いて、被照射体Ｏｂまでの距離、被照射体Ｏｂの立体像等を得る。光Ｌ１は発光部１から出射する出射光である。

本明細書における光とは、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。可視光線の波長は例えば、３８０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。赤外線の波長は例えば、８００ｎｍ以上１ｍｍ以下である。紫外線の波長は例えば、２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満である。

光デバイス１０は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４とレンズＲ１，Ｒ２とを備える。

発光部１は、レーザー光源を有する。発光部１は、使用時に電源に接続される。電源は、発光部１の内部にあってもよい。レーザー光源は、所定時間幅のパルス状のレーザー光を所定周期で出射する。発光部１で発光した光Ｌ１は、レンズＲ１で平行光となる。被照射体Ｏｂには、光Ｌ１が照射される。レンズＲ１は、例えば、コリメータレンズである。

第１磁性素子２には、発光部１で発光し、被照射体Ｏｂで反射した反射光Ｌ２が照射される。第１磁性素子２は、一つでも複数でもよい。例えば、複数の第１磁性素子２を反射光Ｌ２の照射方向に対して交差する面に沿って１次元的または２次元的に配列し、配列した複数の第１磁性素子２に反射光Ｌ２が照射されるようにしてもよい。反射光Ｌ２は、レンズＲ２で集光され、第１磁性素子２に照射される。レンズＲ２は、例えば、フォーカスレンズである。レンズＲ２から環境光が入射して第１磁性素子２に照射されるのを防ぐために、環境光をカットする波長フィルターを、反射光Ｌ２の光路上におけるレンズＲ２の直前またはレンズＲ２と第１磁性素子２との間に設けてもよい。

図２は、第１実施形態に係る第１磁性素子２の断面図である。図２では、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。

第１磁性素子２は、少なくとも第１強磁性層２１と第２強磁性層２２とスペーサ層２３とを有する。スペーサ層２３は、第１強磁性層２１と第２強磁性層２２との間に位置する。第１磁性素子２は、これらの他に、バッファ層２４、シード層２５、強磁性層２６、磁気結合層２７、垂直磁化誘起層２８、キャップ層２９、絶縁層３０を有してもよい。バッファ層２４、シード層２５、強磁性層２６及び磁気結合層２７は、第２強磁性層２２と第２電極Ｅ２との間に位置し、垂直磁化誘起層２８及びキャップ層２９は、第１強磁性層２１と第１電極Ｅ１との間に位置する。絶縁層３０は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に位置し、積層体２０の周囲を覆う。

第１磁性素子２は、例えば、スペーサ層２３が絶縁材料で構成されたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。第１磁性素子２は、外部からの光が照射されると抵抗値が変化する。第１磁性素子２は、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の状態と第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２の状態との相対的な変化に応じて、ｚ方向の抵抗値（ｚ方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

第１強磁性層２１は、外部から光が照射されると磁化の状態が変化する光検知層である。第１強磁性層２１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が変化する磁性体を含む層である。所定の外部からのエネルギーは、例えば、外部から照射される光、第１磁性素子２の積層方向に流れる電流、外部磁場である。第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１は、照射される光の強度に応じて状態が変化する。

第１強磁性層２１は、強磁性体を含む。第１強磁性層２１は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ等の磁性元素のいずれかを少なくとも含む。第１強磁性層２１は、上述のような磁性元素と共に、Ｂ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｇｄ等の元素を含んでもよい。第１強磁性層２１は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第１強磁性層２１は、複数の層から構成されていてもよい。第１強磁性層２１は、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢ合金層をＦｅ層で挟んだ積層体、ＣｏＦｅＢ合金層をＣｏＦｅ層で挟んだ積層体である。一般的に、「強磁性」は「フェリ磁性」を含む。第１強磁性層２１は、フェリ磁性を示してもよい。一方、第１強磁性層２１は、フェリ磁性ではない強磁性を示してもよい。例えば、ＣｏＦｅＢ合金は、フェリ磁性ではない強磁性を示す。

第１強磁性層２１は、膜面内方向（ｘｙ面内のいずれかの方向）に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向（ｚ方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。

第１強磁性層２１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１強磁性層２１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層２１が垂直磁化膜の場合、第１強磁性層２１の膜厚が薄いと、第１強磁性層２１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が強まり、第１強磁性層２１の垂直磁気異方性が高まる。つまり、第１強磁性層２１の垂直磁気異方性が高いと、磁化Ｍ２１がｚ方向に戻ろうとする力が強まる。一方、第１強磁性層２１の膜厚が厚いと、第１強磁性層２１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が相対的に弱まり、第１強磁性層２１の垂直磁気異方性が弱まる。

第１強磁性層２１の膜厚が薄くなると強磁性体としての体積は小さくなり、厚くなると強磁性体としての体積は大きくなる。外部からのエネルギーが加わったときの第１強磁性層１の磁化の反応しやすさは、第１強磁性層２１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）に反比例する。つまり、第１強磁性層２１の磁気異方性と体積との積が小さくなると、光に対する反応性が高まる。このような観点から、光に対する反応を高めるためには、第１強磁性層２１の磁気異方性を適切に設計したうえで第１強磁性層２１の体積を小さくすることが好ましい。

第１強磁性層２１の膜厚が２ｎｍより厚い場合は、例えばＭｏ，Ｗからなる挿入層を第１強磁性層２１内に設けてもよい。すなわち、ｚ方向に強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第１強磁性層２１としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第１強磁性層２１全体の垂直磁気異方性が高まる。挿入層の膜厚は、例えば、０．１ｎｍ～１．０ｎｍである。

第２強磁性層２２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい。また、例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の大きさが磁化自由層よりも変化しにくい。第２強磁性層２２の保磁力は、例えば、第１強磁性層２１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層２２は、例えば第１強磁性層２１と同じ方向に磁化容易軸を有する。第２強磁性層２２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。

第２強磁性層２２を構成する材料は、例えば、第１強磁性層２１と同様である。第２強磁性層２２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏと０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＰｔとが交互に数回積層された多層膜でもよい。第２強磁性層２２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏ、０．１ｎｍ～０．５ｎｍの厚みのＭｏ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏＦｅＢ合金、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＦｅが順に積層された積層体でもよい。

第２強磁性層２２の磁化は、例えば、磁気結合層２７を挟んだ強磁性層２６との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層２２、磁気結合層２７及び強磁性層２６を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。磁気結合層２７及び強磁性層２６の詳細は、後述する。

スペーサ層２３は、第１強磁性層２１と第２強磁性層２２との間に配置される層である。スペーサ層２３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層２３は、例えば非磁性層である。スペーサ層２３の膜厚は、後述する初期状態における第１強磁性層２１の磁化と第２強磁性層２２の磁化の配向方向に応じて調整できる。

スペーサ層２３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化ケイ素等を含む材料をスペーサ層２３の材料として用いることができる。また、これら絶縁材料は、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｇなどの元素や、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層２１と第２強磁性層２２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層２３の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層２３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層２３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層２３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、２．０～３．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層２３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層２３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層２３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの非磁性の導体によって構成される通電点を含む構造としてもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素によって導体を構成してもよい。この場合、スペーサ層２３の膜厚は、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、膜面に垂直な方向からみたときの直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。

強磁性層２６は、例えば、第２強磁性層２２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２の向きと強磁性層２６の磁化Ｍ２６の向きとは反平行の関係である。強磁性層２６を構成する材料は、例えば、第１強磁性層２１と同様である。

磁気結合層２７は、第２強磁性層２２と強磁性層２６との間に位置する。磁気結合層２７は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。

バッファ層２４は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層２４は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む金属又は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＣｕからなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む窒化物である。より具体的には、バッファ層２４は、例えば、Ｔａ（単体）、ＮｉＣｒ合金、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＣｕＮ（窒化銅）である。バッファ層２４の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層２４は、例えば、非晶質である。バッファ層２４は、例えば、シード層２５と第２電極Ｅ２との間に位置し、第２電極Ｅ２に接する。バッファ層２４は、第２電極Ｅ２の結晶構造が第２強磁性層２２の結晶構造に影響を及ぼすことを抑制する。

シード層２５は、シード層２５上に積層される層の結晶性を高める。シード層２５は、例えば、バッファ層２４と強磁性層２６との間に位置し、バッファ層２４上にある。シード層２５は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層２５の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

キャップ層２９は、第１強磁性層２１と第１電極Ｅ１との間にある。キャップ層２９は、第１強磁性層２１上に積層されて第１強磁性層２１と接する垂直磁化誘起層２８を含んでいてもよい。キャップ層２９は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層２９の膜厚は、第１強磁性層２１に十分な光が照射されるように、例えば１０ｎｍ以下である。

垂直磁化誘起層２８は、第１強磁性層２１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層２８は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層２８が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層２８の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

絶縁層３０は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。絶縁層３０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

第１電極Ｅ１は、例えば、第１磁性素子２に光が照射される側に配置される。反射光Ｌ２は、第１電極Ｅ１側から第１磁性素子２に照射され、少なくとも第１強磁性層２１に照射される。第１電極Ｅ１は、導電性を有する材料からなる。第１電極Ｅ１は、例えば、使用波長域の光に対して透過性を有する透明電極である。第１電極Ｅ１は、例えば、使用波長域の光の８０％以上を透過することが好ましい。第１電極Ｅ１は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物である。第１電極Ｅ１は、これらの酸化物の透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。第１電極Ｅ１として上記のような透明電極材料を用いることは必須ではなく、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどの金属材料を薄い膜厚で用いることで、照射される光を第１強磁性層２１に到達させるようにしてもよい。第１電極Ｅ１の材料として金属を用いる場合、第１電極Ｅ１の膜厚は、例えば、３～１０ｎｍである。また第１電極Ｅ１は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。

第２電極Ｅ２は、積層体２０を挟んで第１電極Ｅ１と反対側にある。第２電極Ｅ２は、導電性を有する材料からなる。第２電極Ｅ２は、例えば、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｕなどの金属により構成される。これらの金属の上下にＴａやＴｉを積層してもよい。また、ＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜を用いてもよい。また、第２電極Ｅ２として、ＴｉＮやＴａＮを用いてもよい。第２電極Ｅ２の膜厚は、例えば２００ｎｍ～８００ｎｍである。

第２電極Ｅ２は、第１磁性素子２に照射される光に対して透過性を有するようにしてもよい。第２電極Ｅ２の材料として、第１電極Ｅ１と同様に、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を用いてもよい。第１電極Ｅ１のほうから光が照射される場合においても、光の強度によっては光が第２電極Ｅ２まで到達する場合もありうるが、この場合、第２電極Ｅ２が酸化物の透明電極材料を含んで構成されていることで、第２電極Ｅ２が金属で構成されている場合に比べて、第２電極Ｅ２とそれに接する層との界面における光の反射を抑制できる。

回路３には、電気信号である第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２が入力される。第１信号Ｓ１は、例えば、発光部１から回路３に入力される。第１信号Ｓ１は、発光部１の発光に対応した信号である。第１信号Ｓ１は、例えば、発光部１のレーザー光源からのパルス光の出射時にレーザー光源に電源から印加される電圧信号の一部である。第１信号Ｓ１は、発光部１で光Ｌ１が発光するタイミングに対応した信号である。第２信号Ｓ２は、例えば、第１磁性素子２から回路３に入力される。第２信号Ｓ２は、第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射に対応した信号である。第２信号Ｓ２は、例えば、第１磁性素子２へ反射光Ｌ２が照射された際に第１磁性素子２から生じる出力電圧の一部である。第２信号Ｓ２は、第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射タイミングに対応した信号である。

回路３は、例えば、信号受信部とカウンターとプロセッサーとメモリーとを有する。信号受信部は、第１信号Ｓ１または第２信号Ｓ２が入力される入力端子を有する。第１信号Ｓ１が入力される入力端子と第２信号Ｓ２が入力される入力端子が個別に２つあってもよく、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２の両方が入力される共通の入力端子が１つあってもよい。信号受信部は、例えば、入力端子に入力された信号を増幅する増幅器を更に備えていてもよい。プロセッサーは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。カウンターは、ＣＰＵ動作用のクロックパルスをカウントする。メモリーは、例えば、第１信号Ｓ１が信号受信部に受信された際のカウント数及び第２信号Ｓ２が信号受信部に受信された際のカウント数を記憶する。詳細は後述するが、光システム１００は、カウンター、プロセッサー及びメモリーを用いて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像を求める。

ここでは、カウンター、プロセッサー及びメモリーが回路３に含まれる例を示したが、これらの構成が、外部装置９０に含まれ回路３には含まれない例でもよい。

外部インターフェース４は、外部装置９０と通信する。外部インターフェース４と外部装置９０との通信は、無線でも有線でもよい。外部インターフェース４は、外部装置９０との通信を確立する通信アダプタである。

外部装置９０は、例えば、計算機、制御装置等を含む。計算機は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む情報処理装置である。制御装置は、光デバイス１０からの信号に基づき、他の装置を制御する。例えば、光システム１００が自動車に組み込まれている場合、光デバイス１０から通信された光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離の情報に基づいて、自動車のブレーキ等の制御系を制御する。また上述のように、外部装置９０が、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像を求めるための演算装置を有してもよい。

次いで、第１実施形態に係る光システム１００の動作について説明する。まず発光部１でパルスレーザーが発光する。発光部１における光Ｌ１の発光に対応した第１信号Ｓ１は、回路３に入力される。第１信号Ｓ１は、信号受信部で受信され、信号受信部が第１信号Ｓ１を受信した際のカウント数がメモリーに記憶される。

光Ｌ１の一部は、レンズＲ１で平行光となり被照射体Ｏｂに照射される。被照射体Ｏｂで反射した反射光Ｌ２は、レンズＲ２で集光され、第１磁性素子２に照射される。第１磁性素子２へ反射光Ｌ２が照射された際には、第１磁性素子２から出力電圧が生じる。つまり、第１磁性素子２は、照射された光を電気信号に置き換える。

図３は、第１実施形態に係る第１磁性素子２の動作の第１メカニズムを説明するための図である。図４は、第１実施形態に係る第１磁性素子２の動作の第２メカニズムを説明するための図である。図３及び図４では、第１磁性素子２のうち第１強磁性層２１、第２強磁性層２２及びスペーサ層２３のみを抜き出して図示している。図３及び図４の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層１に照射される反射光Ｌ２の強度であり、横軸が時間である。図３及び図４の下のグラフは、縦軸が第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値であり、横軸が時間である。

第１磁性素子２からの出力電圧は、第１強磁性層２１に照射される反射光Ｌ２の強度変化により変化する。第１磁性素子２からの出力電圧の変化に寄与するのは、第１強磁性層２１、第２強磁性層２２及びスペーサ層２３の積層方向の抵抗値変化である。ここでは、第１強磁性層２１に照射される光の強度が、第１強度と第２強度の２段階である場合を例に説明する。第２強度の光の強度は、第１強度の光の強度より大きいものとする。第１強度は、第１強磁性層２１に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。

まず第１強磁性層２１に第１強度の光が照射された状態（以下、初期状態と称する）において、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１と第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２とは平行の関係にあり、第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は第１抵抗値Ｒ１を示し、第１磁性素子２からの出力電圧の大きさは第１の値を示す。第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は、第１磁性素子２のｚ方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１磁性素子２のｚ方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。第１磁性素子２からの出力電圧は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に発生する。図３に示す例の場合、センス電流Ｉｓを第１強磁性層２１から第２強磁性層２２に向かって流す。この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１に対して、第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが平行になる。また、この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１が動作時に反転することを防止することができる。

次いで、第１強磁性層２１に照射される反射光Ｌ２の強度が第１強度から第２強度に変化する。第２強度は、第１強度より大きく、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１は初期状態から変化する。第１強磁性層２１に光が照射されていない状態における第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の状態と、第１強磁性層２１に第２強度の光が照射されている状態における第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の状態とは異なる。磁化Ｍ２１の状態とは、例えば、ｚ方向に対する傾き角、大きさ等である。

例えば、図３に示すように、第１強磁性層２１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ２１はｚ方向に対して傾く。また例えば、図４に示すように、第１強磁性層２１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ２１の大きさが小さくなる。例えば、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１が光の照射強度によってｚ方向に対して傾く場合、その傾き角度は、０°より大きく９０°より小さい。

第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１が初期状態から変化すると、第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は第２抵抗値Ｒ２を示し、第１磁性素子２からの出力電圧の大きさは第２の値を示す。第２抵抗値Ｒ２は、第１抵抗値Ｒ１より大きく、出力電圧の第２の値は第１の値よりも大きい。第２抵抗値Ｒ２は、磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが平行である場合の抵抗値（第１抵抗値Ｒ１）と、磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが反平行である場合の抵抗値との間である。

図４に示す場合は、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１には第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用している。したがって、磁化Ｍ２１は磁化Ｍ２２と平行状態に戻ろうとし、第１強磁性層２１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化すると、第１磁性素子２は初期状態に戻る。図４に示す場合は、第１強磁性層２１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の大きさは元に戻り、第１磁性素子２は初期状態に戻る。いずれの場合も第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ１に戻る。つまり、第１強磁性層２１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化した際に、第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２から第１抵抗値Ｒ１へ変化し、第１磁性素子２からの出力電圧の大きさは、第２の値から第１の値へ変化する。

第１磁性素子２からの出力電圧は、第１強磁性層２１に照射される光の強度の変化に対応して変化し、照射される光の強度の変化を第１磁性素子２からの出力電圧の変化に変換することができる。すなわち、第１磁性素子２は、光を電気信号に置き換えることができる。

ここでは初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが平行な場合を例に説明したが、初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが反平行でもよい。この場合、第１磁性素子２のｚ方向の抵抗値は、磁化Ｍ２１の状態が変化するほど（例えば、磁化Ｍ２１の初期状態からの角度変化が大きくなるほど）小さくなる。磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが反平行な場合を初期状態とする場合は、センス電流Ｉｓは第２強磁性層２２から第１強磁性層２１に向かって流すことが好ましい。この方向にセンス電流Ｉｓを流すことで、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１に対して、第２強磁性層２２の磁化Ｍ２２と反対方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが反平行になる。

また初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが平行又は反平行な場合を例示したが、初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが直交していてもよい。例えば、初期状態において第１強磁性層２１がｘｙ平面のいずれかの方向に磁化Ｍ２１が配向した面内磁化膜で、第２強磁性層２２がｚ方向に磁化Ｍ２２が配向した垂直磁化膜の場合が、この場合に該当する。磁気異方性により磁化Ｍ２１がｘｙ面内のいずれかの方向に配向し、磁化Ｍ２２がｚ方向に配向することで、初期状態において磁化Ｍ２１と磁化Ｍ２２とが直交する。またこの関係は逆でもよい。すなわち、初期状態において、磁化Ｍ２１がｚ方向に配向し、磁化Ｍ２２がｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。

第１磁性素子２が反射光Ｌ２を電気信号に置き換えることで、第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射に対応した第２信号Ｓ２が生じる。第２信号Ｓ２は、回路３に入力される。第２信号Ｓ２は、信号受信部で受信され、信号受信部が第２信号Ｓ２を受信した際のカウント数がメモリーに記憶される。

光システム１００は、例えば、回路３に入力された第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２に基づいて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴを求める。図５は、第１実施形態に係る光システム１００における第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２の例を示す図である。

第１信号Ｓ１が回路３に入力される時刻と第２信号Ｓ２が回路３に入力される時刻との間には時間差がある。この時間差は、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴに対応する。時間差ΔＴは、例えば、第１信号Ｓ１が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻と第２信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻との差として求められる。時間差ΔＴを、第１信号Ｓ１が最大値を示す時刻と第２信号Ｓ２が最大値を示す時刻との差として求めてもよい。

時間差ΔＴは、メモリーに記憶された第１信号Ｓ１が受信された際のカウント数と第２信号Ｓ２が受信された際のカウント数との差から求められる。回路３のカウンターは、一定の基準周期のクロックパルスのカウントを行う。そのため、カウント数差とクロックパルスの基準周期との積を求めることで、時間差ΔＴが求められる。例えば、カウンターのｎカウント目に発光部１で光Ｌ１が発光して第１信号Ｓ１が回路３に受信され、ｍカウント目に反射光Ｌ２が第１磁性素子２に照射されて第２信号Ｓ２が回路３に受信された場合、クロックパルスの基準周期をｔとすると、（ｍ－ｎ）×ｔで時間差ΔＴが求められる。

次いで、回路３は、求められた時間差ΔＴに基づいて、被照射体Ｏｂと光デバイス１０との間の距離を求める動作を行う。時間差ΔＴに光速をかけると、発光部１から被照射体Ｏｂに至り被照射体Ｏｂから第１磁性素子２まで至る光路の距離が求められる。発光部１から被照射体Ｏｂと、第１磁性素子２と被照射体Ｏｂとの間の距離は略一致するものとし、時間差ΔＴに光速をかけたものを２で割ることで、被照射体Ｏｂと光デバイス１０との間の距離が求められる。

また回路３は、反射光Ｌ２から被照射体Ｏｂの立体像を得る動作を行ってもよい。被照射体Ｏｂの立体像を得る場合、例えば、複数の第１磁性素子２を２次元的に配置する。２次元的に配置された第１磁性素子２のうち反射光Ｌ２が照射された第１磁性素子２の位置の情報と、第１信号と第２信号Ｓ２との時間差ΔＴから求められるそれぞれの第１磁性素子２と被照射体Ｏｂとの間の距離の情報と、から被照射体Ｏｂの立体像が得られる。

発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像の情報は、信号に変換されて、外部インターフェース４に入力される。外部インターフェース４は、外部装置９０と通信し、これらの情報が外部に出力される。

外部装置９０が、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像を求めるための演算装置を有する場合は、これらを求める演算が回路３ではなく外部装置９０で行われる。外部装置９０でこれらの演算を行う場合は、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２が外部インターフェース４を介して外部装置９０に通信される。

上述のように、第１実施形態に係る光システム１００は、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２に基づいて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離または被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。

また第１実施形態に係る光システム１００は、第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２を検出しているため、時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等を精度よく測定することができる。これは、第１磁性素子２は、光を受光してから電気信号の出力が立ち上がる速さが、シリコン半導体を用いたフォトディテクタと比較して、速いためである。

図６は、第１実施形態に係る光システム１００における第１磁性素子２からの出力電圧の時間変化を示す。発光部１における光Ｌ１の発光が生じてから反射光Ｌ２が第１磁性素子２に照射されるまでは、第１磁性素子２からの出力電圧は第１の値（例えば、０Ｖ）となる。発光部１における光Ｌ１の発光が生じてから反射光Ｌ２が第１磁性素子２に照射されるまでの時間をＴｏＦ（Time of flight）という。反射光Ｌ２が第１磁性素子２に照射されると、第１磁性素子２からの出力電圧は徐々に大きくなり、予め定められた閾値よりも大きくなる。第１磁性素子２に光（本第１実施形態では反射光Ｌ２）が照射されてから第１磁性素子２の出力が予め定められた閾値よりも大きくなるまでの時間を第１磁性素子２のＴｏＡ（Time of arrival）という。図７に示すように、第１磁性素子２に光（本第１実施形態では反射光Ｌ２）が照射されてから第１磁性素子２の出力が最大となるまでの時間を第１磁性素子２のＴｏＡとしてもよい。第１磁性素子２は、シリコン半導体を用いたフォトディテクタと比較して、ＴｏＡが短い。

発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴは、ＴｏＦとＴｏＡの和である。一方で、照射体Ｏｂと発光部１との間の距離に関係するパラメターはＴｏＦであり、ＴｏＡは測距の誤差となる。第１磁性素子２はＴｏＡが短いため、シリコン半導体を用いたフォトディテクタと比較して、時間差ΔＴ、光デバイス１０と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等を精度よく測定することができる。

「第２実施形態」
図８は、第２実施形態に係る光システム１０１の模式図である。第２実施形態に係る光システム１０１は、光デバイス１１の構成が第１実施形態に係る光システム１００と異なる。光システム１０１において、光システム１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

光デバイス１１は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４と第２磁性素子５とレンズＲ１，Ｒ２とミラーＭ１，Ｍ２とを備える。

発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、ミラーＭ１を通過したのちレンズＲ１で平行光となり、被照射体Ｏｂに至る。また発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、ミラーＭ１，Ｍ２を介して第２磁性素子５に照射される。ミラーＭ１は、例えば、ハーフミラーである。発光部１と第２磁性素子５との間の光Ｌ１の光路長は、発光部１と被照射体Ｏｂとの間の光Ｌ１の光路長に対して無視できるほど小さくなっている。

図９は、第２実施形態に係る第２磁性素子５の断面図である。図９では、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。

第２磁性素子５は、少なくとも第３強磁性層５１と第４強磁性層５２と第２スペーサ層５３とを有する。第２スペーサ層５３は、第３強磁性層５１と第４強磁性層５２との間に位置する。第２磁性素子５は、これらの他に、バッファ層５４、シード層５５、強磁性層５６、磁気結合層５７、垂直磁化誘起層５８、キャップ層５９、絶縁層６０を有してもよい。また第２磁性素子５は、第３電極Ｅ３と第４電極Ｅ４とに挟まれる。

第３強磁性層５１、第４強磁性層５２、第２スペーサ層５３、バッファ層５４、シード層５５、強磁性層５６、磁気結合層５７、垂直磁化誘起層５８、キャップ層５９、絶縁層６０のそれぞれは、第１磁性素子２の第１強磁性層２１、第２強磁性層２２、スペーサ層２３、バッファ層２４、シード層２５、強磁性層２６、磁気結合層２７、垂直磁化誘起層２８、キャップ層２９、絶縁層３０のそれぞれに対応し、同様の構成を有する。第３電極Ｅ３と第４電極Ｅ４とは、第１磁性素子２の第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２のそれぞれに対応し、同様の構成を有する。磁化Ｍ５１、磁化Ｍ５２、磁化Ｍ５６のそれぞれは、第１磁性素子２における磁化Ｍ２１、磁化Ｍ２２、磁化Ｍ２６のそれぞれに対応する。

第２磁性素子５では、第１磁性素子２と同様の仕組みで、光が照射された際に第２磁性素子５から電気信号である出力電圧が生じる。

回路３には、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２が入力される。第１信号Ｓ１は、第２磁性素子５から回路３に入力される。第１信号Ｓ１は、発光部１の光Ｌ１の発光に対応した信号であり、例えば光Ｌ１の一部が第２磁性素子５に照射された際に第２磁性素子５から生じる電気信号である。

第２実施形態に係る光システム１０１の動作は、第１信号Ｓ１が第２磁性素子５から回路３に入力される点が光システム１００と異なる。発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、ミラーＭ１，Ｍ２を介して第２磁性素子５に照射される。第２磁性素子５は、光Ｌ１の一部が第２磁性素子５に照射された際に電気信号である第１信号Ｓ１を出力する。第１信号Ｓ１は、回路３に入力される。

図１０は、第２実施形態に係る光システム１０１における第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２の例を示す図である。第１信号Ｓ１が回路３に入力される時刻と第２信号Ｓ２が回路３に入力される時刻との間には時間差がある。光システム１０１において、発光部１の光Ｌ１の発光と第２磁性素子５への光Ｌ１の一部の照射との時間差は無視できるほど小さい。従って、第１信号Ｓ１が回路３に入力される時刻と第２信号Ｓ２が回路３に入力される時刻との間の時間差は、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴに対応する。時間差ΔＴは、例えば、第１信号Ｓ１が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻と第２信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻との差として求められる。時間差ΔＴを、第１信号Ｓ１が最大値を示す時刻と第２信号Ｓ２が最大値を示す時刻との差として求めてもよい。

回路３、外部インターフェース４、外部装置９０での動作は、光システム１００と同様である。

第２実施形態に係る光システム１０１は、第１実施形態に係る光システム１００と同様に、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２に基づいて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１１と被照射体Ｏｂとの間の距離または被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。また第２実施形態に係る光システム１０１は、第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２を検出しているため、時間差ΔＴ、光デバイス１１と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等を精度よく測定することができる。また、第２実施形態に係る光システム１０１は、第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２を検出すると共に、第２磁性素子５を用いて光Ｌ１を検出しているため、第１磁性素子２及び第２磁性素子５として、上述したＴｏＡの値が近い２つの磁性素子を用いることにより、時間差ΔＴ、光デバイス１１と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等をより精度よく測定することができる。

「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態に係る光システム１０２の模式図である。第３実施形態に係る光システム１０２は、光デバイス１２の構成が第１実施形態に係る光システム１００と異なる。光システム１０２において、光システム１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

光デバイス１２は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４とレンズＲ１，Ｒ２と複数のミラーＭ１とを備える。

発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、レンズＲ１で平行光となり、被照射体Ｏｂに至る。また発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、複数のミラーＭ１を介して第１磁性素子２に照射される。また被照射体Ｏｂからの反射光Ｌ２も、図１１に示すように、レンズＲ２とミラーＭ１を通過して第１磁性素子２に照射される。ミラーＭ１は、例えば、ハーフミラーである。発光部１と第１磁性素子２との間の光Ｌ１の光路長は、発光部１と被照射体Ｏｂとの間の光Ｌ１の光路長に対して無視できるほど小さくなっている。

回路３には、第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２が入力される。図１２は、第３実施形態に係る光システム１０２における第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２の例を示す図である。第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２は、いずれも第１磁性素子２から回路３に入力される。第１信号Ｓ１は、発光部１の光Ｌ１の発光に対応した信号であり、例えば光Ｌ１の一部が第１磁性素子２に照射された際に第１磁性素子２から生じる電気信号である。第２信号Ｓ２は、第１磁性素子への反射光Ｌ２の照射に対応した信号であり、例えば反射光Ｌ２が第１磁性素子２に照射された際に第２磁性素子２から生じる電気信号である。第１信号Ｓ１が回路３に入力される時刻と第２信号Ｓ２が回路３に入力される時刻との間には時間差がある。光システム１０２において、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への光Ｌ１の一部の照射との時間差は無視できるほど小さい。従って、第１信号Ｓ１が回路３に入力される時刻と第２信号Ｓ２が回路３に入力される時刻との間の時間差は、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴに対応する。時間差ΔＴは、例えば、第１信号Ｓ１が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻と第２信号Ｓ２が予め定められた閾値よりも大きくなった時刻との差として求められる。時間差ΔＴを、第１信号Ｓ１が最大値を示す時刻と第２信号Ｓ２が最大値を示す時刻との差として求めてもよい。

回路３、外部インターフェース４、外部装置９０での動作は、光システム１００と同様である。また、光システム１０２の光デバイス１２においても、光システム１００の光デバイス１０と同様に、複数の第１磁性素子２を１次元的または２次元的に配列してもよいが、この場合、配列した複数の第１磁性素子２に光Ｌ１が照射されるようにしてもよいし、配列した複数の第１磁性素子２のうちの１つの第１磁性素子２に光Ｌ１が照射されるようにしてもよい。

第３実施形態に係る光システム１０２は、第１実施形態に係る光システム１００と同様に、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２に基づいて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１２と被照射体Ｏｂとの間の距離または被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。また第３実施形態に係る光システム１０２は、第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２を検出しているため、時間差ΔＴ、光デバイス１２と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等を精度よく測定することができる。また、第３実施形態に係る光システム１０２は、同じ第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２及び光Ｌ１を検出することにより、第１磁性素子２に光Ｌ１の一部が照射された際のＴｏＡの値と第１磁性素子２に反射光Ｌ２が照射された際のＴｏＡの値との差を小さくすることができるため、時間差ΔＴ、光デバイス１１と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等をより精度よく測定することができる。

「第４実施形態」
図１３は、第４実施形態に係る光システム１０３の模式図である。第４実施形態に係る光システム１０３は、光デバイス１３の構成が第１実施形態に係る光システム１００と異なる。光システム１０３において、光システム１００と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

光デバイス１３は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４と光走査ミラー６とレンズＲ３とミラーＭ１，Ｍ２を備える。レンズＲ３は、光Ｌ１を平行光にすると共に、反射光Ｌ２を集光する。第１信号Ｓ１は、発光部１から回路３に入力される。

光走査ミラー６は、例えば、光の反射方向を水平方向及び垂直方向に変える２軸ＭＥＭＳミラーである。光走査ミラー６は、光Ｌ１の反射方向を変えることで、被照射体Ｏｂにおける光の照射位置を走査できる。光システム１０３は、光走査ミラー６により、被照射体Ｏｂにおける光の照射位置を立体的に走査する。発光部１で発光した光Ｌ１は光走査ミラー６で反射されて被照射体Ｏｂに照射されると共に、被照射体Ｏｂからの反射光Ｌ２が光走査ミラーで反射されて第１磁性素子２に照射される。図１３に示す光デバイス１３では、発光部１で発光した光Ｌ１は、ミラーＭ１を通過したのちレンズＲ３で平行光となる。ミラーＭ１は、例えば、ハーフミラーである。平行光となった光Ｌ１は光走査ミラー６で反射されて被照射体Ｏｂに照射される。被照射体Ｏｂからの反射光Ｌ２は、光走査ミラー６で反射されたのち、レンズＲ３により集光され、ミラーＭ１及びミラーＭ２を介して第１磁性素子２に照射される。

第４実施形態に係る光システム１０３は、第１実施形態に係る光システム１００と同様に、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２に基づいて、発光部１の光Ｌ１の発光と第１磁性素子２への反射光Ｌ２の照射との時間差ΔＴ、光デバイス１３と被照射体Ｏｂとの間の距離または被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。また光システム１０３は、光走査ミラー６を用いて被照射体Ｏｂにおける光の照射位置を変えながら測定を行うことで、被照射体Ｏｂの位置毎に光デバイス１３と被照射体Ｏｂとの間の距離を測定でき、これらの情報から被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。光システム１０３は、第１磁性素子２が一つでも被照射体Ｏｂの立体像を得ることができる。複数の第１磁性素子２を反射光Ｌ２の照射方向に対して交差する面に沿って１次元的または２次元的に配列してもよい。また第４実施形態に係る光システム１０３は、第１磁性素子２を用いて反射光Ｌ２を検出しているため、時間差ΔＴ、光デバイス１３と被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像等を精度よく測定することができる。

「第５実施形態」
図１４は、第５実施形態に係る光システム１０４の模式図である。第５実施形態に係る光システム１０４は、光デバイス１４の構成が第２実施形態に係る光システム１０１と異なる。光システム１０４において、光システム１０１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

光デバイス１４は、第２実施形態に係る光デバイス１１に、第４実施形態に係る光デバイス１３の特徴的な構成である光走査ミラー６を適用したものである。光デバイス１４は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４と第２磁性素子５と光走査ミラー６とレンズＲ３と複数のミラーＭ１，Ｍ２とを備える。光システム１０４は、光走査ミラー６により、被照射体Ｏｂにおける光の照射位置を立体的に走査する。図１４に示す光デバイス１４では、発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、複数のミラーＭ１を通過したのちレンズＲ３で平行光となる。ミラーＭ１は、例えば、ハーフミラーである。平行光となった光Ｌ１は光走査ミラー６で反射されて被照射体Ｏｂに照射される。被照射体Ｏｂからの反射光Ｌ２は、光走査ミラー６で反射されたのち、レンズＲ３により集光され、ミラーＭ１及びミラーＭ２を介して第１磁性素子２に照射される。

第５実施形態に係る光システム１０４は、第４実施形態に係る光システム１０３と同様の効果が得られる。

「第６実施形態」
図１５は、第６実施形態に係る光システム１０５の模式図である。第６実施形態に係る光システム１０５は、光デバイス１５の構成が第３実施形態に係る光システム１０２と異なる。光システム１０５において、光システム１０２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。

光デバイス１５は、第３実施形態に係る光デバイス１２に、第４実施形態に係る光デバイス１３の特徴的な構成である光走査ミラー６を適用したものである。光デバイス１５は、例えば、発光部１と第１磁性素子２と回路３と外部インターフェース４と光走査ミラー６とレンズＲ３と複数のミラーＭ１とミラーＭ２とを備える。光システム１０５は、光走査ミラー６により、被照射体Ｏｂにおける光の照射位置を立体的に走査する。

図１５に示す光デバイス１４では、発光部１で発光した光Ｌ１の一部は、複数のミラーＭ１を通過したのちレンズＲ３で平行光となる。ミラーＭ１は、例えば、ハーフミラーである。平行光となった光Ｌ１は光走査ミラー６で反射されて被照射体Ｏｂに照射される。被照射体Ｏｂからの反射光Ｌ２は、光走査ミラー６で反射されたのち、レンズＲ３により集光され、ミラーＭ１及びミラーＭ２を介して第１磁性素子２に照射される。

第６実施形態に係る光システム１０５は、第４実施形態に係る光システム１０３と同様の効果が得られる。

上記の実施形態に係る光システムは、例えば、自動運転や測量などの様々な用途に用いることができ、例えば、自動車、航空機、ロボット、スマートフォンなどの様々な機器に搭載して用いることができる。また、上記の実施形態にかかる光システムは、例えば、ＭＲ（Mixed Reality）グラス、ＶＲ（Virtual Reality）グラス等に適用できる。

（適用例）
図１６は、第２適用例に係るデバイス２０１の模式図である。デバイス２０１は、例えば、ＭＲグラスである。

デバイス２０１は、メガネのレンズＲ６の上部のフレームＦ内に、光デバイス１３と画像デバイス８０とを有する。ここでは、光デバイス１３を一例として挙げているが、その他の実施形態に係る光デバイスを用いてもよい。

画像デバイス８０は、発光部８１、ｓ偏光板８２、レンズＲ５を有する。発光部８１は、例えば、赤色、緑色、青色のそれぞれのレーザーダイオードを含む。発光部８１から出力された画像は、ミラーＭ１、レンズＲ６で反射して目ＥＹに入射する。

レンズＲ６の両面にはλ／４板Ｐ１，Ｐ２が配置されて、レンズＲ６の最表面にはｓ偏光板Ｐ３が配置されている。発光部８１から出力された画像は、ｓ偏光板８２を通過することでｓ偏光となる。ｓ偏光の画像は、λ／４板Ｐ１とλ／４板Ｐ２とを通過することでｐ偏光となる。ｓ偏光板Ｐ３は、ｐ偏光をカットするため、発光部８１から出力された画像は、レンズＲ６の外には出力されない。

光デバイス１３は、例えば、発光部１と光走査ミラー６との間に、ｐ偏光板７を有する。発光部１からの発光は、ｐ偏光板を通過することでｐ偏光となる。ｐ偏光は、λ／４板Ｐ１とλ／４板Ｐ２とを通過することでｓ偏光となり、ｓ偏光板Ｐ３を通過し、被照射体Ｏｂに照射される。被照射体Ｏｂからの反射光は、ｓ偏光板Ｐ３、λ／４板Ｐ２、レンズＲ６およびλ／４板Ｐ１を通過し、光走査ミラー６で反射されたのち、第１磁性素子２に照射される。光デバイス１３を有する光システム１０３は、被照射体Ｏｂとの間の距離、被照射体Ｏｂの立体像を測定する。光システム１０３で測定されたこれらの情報は、画像デバイス８０に送られ、発光部８１から出力された画像に反映される。人の目ＥＹには、現実に存在する被照射体Ｏｂと仮想の画像とが同時に投影される。

ここでは、光デバイス１３がレンズＲ６の内側に設けられている例を示したが、光デバイス１３はレンズＲ６の外側に設けてもよい。この場合は、光デバイス１３から出力される光の偏光を規定する必要はない。

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１，７１，８１…発光部、２…第１磁性素子、３…回路、４…外部インターフェース、５…第２磁性素子、６，７６…光走査ミラー、７…ｐ偏光板、１０，１１，１２，１３，１４，１５…光デバイス、２０…積層体、２１…第１強磁性層、２２…第２強磁性層、２３…スペーサ層、２４，５４…バッファ層、２５，５５…シード層、２６，５６…強磁性層、２７，５７…磁気結合層、２８，５８…垂直磁化誘起層、２９，５９…キャップ層、３０，６０…絶縁層、５１…第３強磁性層、５２…第４強磁性層、５３…第２スペーサ層、７０…画像デバイス、７２…受光部、８２…ｓ偏光板、９０…外部装置、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５…光システム、２００，２０１…デバイス、Ｅ１…第１電極、Ｅ２…第２電極、Ｅ３…第３電極、Ｅ４…第４電極、Ｆ…フレーム、Ｌ１…発光、Ｌ２…反射光、Ｏｂ…被照射体、Ｓ１…第１信号、Ｓ２…第２信号

Claims

発光部と、第１磁性素子と、回路と、を備え、
前記第１磁性素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれるスペーサ層と、を備え、
前記第１磁性素子には、前記発光部で発光し被照射体で反射した反射光が照射され、
前記発光部の発光に対応した第１信号が、前記回路に入力され、
前記第１磁性素子への前記反射光の照射に対応した第２信号が、前記第１磁性素子から前記回路に入力され、
前記第１磁性素子に光が照射されていない状態において、前記第１強磁性層の磁化と前記第２強磁性層の磁化とが平行な関係にある場合は、前記第１強磁性層から前記第２強磁性層に向かってセンス電流を流し、
前記第１磁性素子に光が照射されていない状態において、前記第１強磁性層の磁化と前記第２強磁性層の磁化とが反平行な関係にある場合は、前記第２強磁性層から前記第１強磁性層に向かってセンス電流を流すように構成されている、光デバイス。
前記第１信号は、前記発光部から前記回路に入力される、請求項１に記載の光デバイス。
第２磁性素子をさらに備え、
前記第２磁性素子は、第３強磁性層と、第４強磁性層と、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層とに挟まれる第２スペーサ層と、を備え、
前記第２磁性素子には、前記発光部で発光した光の一部が照射され、
前記第１信号は、前記第２磁性素子から前記回路に入力される、請求項１に記載の光デバイス。
前記第１磁性素子には、前記発光部で発光した光の一部も照射され、
前記第１信号は、前記第１磁性素子から前記回路に入力される、請求項１に記載の光デバイス。
光走査ミラーをさらに備え、
前記発光部で発光した光の少なくとも一部が前記光走査ミラーで反射されて前記被照射体に照射されると共に、前記被照射体からの前記反射光が前記光走査ミラーで反射されて前記第１磁性素子に照射される、請求項１～４のいずれか一項に記載の光デバイス。
前記スペーサ層は、導電体層、絶縁体層、又は、導電体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光デバイス。
請求項１～６のいずれか一項に記載の光デバイスを有し、
前記回路に入力された前記第１信号と前記第２信号に基づいて、前記発光部の発光と前記第１磁性素子への前記反射光の照射との時間差を求める、光システム。
前記時間差に基づいて、前記被照射体と前記光デバイスとの間の距離を求める、請求項７に記載の光システム。
請求項１～６のいずれか一項に記載の光デバイスを有し、
前記反射光から前記被照射体の立体像を得る、光システム。