圧電駆動型磁気光学効果を用いた超高速空間光多値変調マイクロデバイス

利用压电驱动磁光效应的超高速空间光学多级调制微器件

基本信息

批准号：
14040213
负责人：
井上光輝
金额：
$ 2.88万
依托单位：
Toyohashi University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

空間光変調デバイス(SLM)は、光コンピュータや光通信用スイッチなど様々な情報通信システムの要となる重要な光マイクロデバイスである。中でも磁気光学空間光変調デバイス(MOSLM)は高速駆動、堅固等の従来のSLMでは得られなかった特長を持つデバイスである。従来のMOSLMの駆動には電流を用いてきたが発熱による問題のため実現が困難となっている。この問題を解決する方法として我々は圧電効果と磁歪効果を利用し磁化方位を制御する方法を提案した。この方法は電圧駆動のため発熱を抑えることが可能となる。この電圧駆動型MOSLMを作製する前に、構造解析シミュレーションによって効率的に応力が印加される構造を求めた。応力計算は有限要素法シミュレーション(ANSYS Ver.6.0)を用いた。これら結果より電圧駆動型MOSLMの構造を決定した。またこのときの応力によって生じる磁界は、ピクセルをスイッチングさせるのに十分であることを確認した。電圧駆動型MOSLMの圧電薄膜には強誘電体であるPZTを使用しており、従来のゾルゲル法等の成膜方法では熱処理温度が高く磁気光学層のダメージ、電極の剥離を生じている。ここで我々は新規の技術であるエアロゾルデポジション法(AD法)を用いて従来の方法よりも低い温度でPZT膜の作製を試みた。AD法では、N_2ガスとペロブスカイト構造に結晶化しているPZT微粉を試料瓶内に混入し振動させることによりエアロゾル状態としたものを、成膜室内を排気させ試料瓶内と成膜室内との圧力差によって、加速させながら搬送し基板に吹き付け、堆積させる。この時の堆積速度はおよそ0.2〜1.0μm/minと従来の方法と比較し高速で成膜出来る。膜厚は670nmで堆積後は特性向上のため500℃5分の熱処理を行った。ゾルゲル法は膜厚375nmで熱処理450℃30minと650℃5minで作製した。この結果よりAD法は堆積速度が速く、熱処理温度が150℃低減したにも関わらずゾルゲル法と同程度以上の分極が得られでいることが確認された。このAD法によって熱処理によるデバイスの問題点を解決することが可能となった。電圧駆動型MOSLMは、計算結果より得られた構造とAD法によるPZT膜によって作製し駆動の確認を行った。初めに-260 Oeの外部磁場によって全ピクセルの磁化方向を一定方向にした。次に電圧を上下電極間に8V印加し、+170 Oeの外部磁界によりピクセルのスイッチングの確認が可能であった。この時の駆動電流はおよそ数百μAである。これにより電流駆動型での問題点を克服した電圧駆動型MOSLMが可能となった。

空间光调制器件（SLM）是重要的光学微型器件，是光计算机、光通信交换机等各种信息通信系统的核心。其中，磁光空间光调制器（MOSLM）具有传统SLM无法获得的特性，例如高速运行和鲁棒性。传统的 MOSLM 使用电流驱动，但由于发热引起的问题，这变得难以实现。为了解决这个问题，我们提出了一种利用压电和磁致伸缩效应来控制磁化方向的方法。由于该方法由电压驱动，因此可以抑制发热。在制造这种电压驱动 MOSLM 之前，我们进行了结构分析模拟，以找到能够有效施加应力的结构。应力计算采用有限元法模拟（ANSYS Ver.6.0）。基于这些结果，确定了电压驱动MOSLM 的结构。他们还证实，此时应力产生的磁场足以切换像素。电压驱动MOSLM的压电薄膜采用铁电材料PZT，传统的成膜方法如溶胶凝胶法需要较高的热处理温度，导致磁光层损坏和电极剥落。在这里，我们尝试使用新技术——气溶胶沉积法（AD 法）在比传统方法更低的温度下制造 PZT 薄膜。 AD法中，将N_2气体和结晶成钙钛矿结构的PZT细粉混合到样品瓶中并振动，形成气溶胶状态。将成膜室抽真空，以降低样品瓶和成膜室内的压力。根据差异，颗粒在加速的同时被传输，喷射到基材上并沉积。此时的沉积速率约为0.2至1.0μm/min，比传统方法更快。膜厚为670nm，成膜后，为了提高特性而在500℃下进行5分钟的热处理。使用溶胶-凝胶法，通过在450℃下热处理30分钟和在650℃下热处理5分钟来制造厚度为375nm的膜。这些结果证实，即使热处理温度降低150℃，AD法也具有更快的沉积速率，并且能够获得与溶胶-凝胶法相当或更高的极化。这种AD方法使得解决由热处理引起的器件问题成为可能。使用从计算结果获得的结构和使用AD方法的PZT膜制作了电压驱动MOSLM，并确认了其操作。首先，通过-260 Oe的外部磁场将所有像素的磁化方向设置为恒定方向。接下来，在上下电极之间施加8V的电压，并且可以使用+170Oe的外部磁场来确认像素切换。此时的驱动电流约为数百μA。这使得创建克服电流驱动 MOSLM 问题的电压驱动 MOSLM 成为可能。