JPH04101121A - 偏光非線形光学装置及びこれを用いた光ｏｒ論理演算方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１］

【産業上の利用分野】

本発明は光学装置に関し、特にスピン依存光学的非線形
性を利用した光学装置に関する。より詳細には、本発明
は非動作光（例えば搬送波信号に相当）及び動作光（例
えば情報信号）を受取り、非動作光を動作光で変調する
光学装置に関する。 ［０００２］

【従来の技術】

近年、光学的搬送波光を半導体装置に照射し、その強度
を半導体装置に照射する励起（情報）光で一時的に変調
するような半導体装置を用いた光学装置の開発が進めら
れている。 ［０００３］ 図２３は、このような従来の光学装置を示す図である。 図示する光学装置は発光装置１０及び１２．半導体装置
１４．受光素子１５（フォトダイオード、光電子増倍管
、ＣＣＤなと）を有する。発光装置１０は励起光（情報
信号に相当。以下、動作光とも言う）１６を半導体装置
１４に照射し、発光装置１２は非動作光（搬送波信号に
相当）１８を半導体装置１４に照射する。半導体装置１
４は例えばＧａＡｓバルク結晶で形成される。光１６及
び１８はそれぞれ、半導体装置１４に電子−ホール遷移
を引き起こす波長を有する。受光素子１５は半導体装置
１４を通った非動作光の強度を検出する。 ［０００４］ 非動作光を半導体装置１４に連続的に照射すると、電子
−ホール遷移が半導体装置１４に連続的に起こる。そし
て、半導体装置１４は平衡状態になる。この状態では、
半導体装置１４は一定の透過率を有し、受光素子１５は
一定の強度の非動作光を検出する。 ［０００５］ この状態で、動作光（パルス）１６を半導体装置１４に
照射すると、電子−ホール遷移が起こり、半導体装置１
４の平衡状態は崩れる。半導体装置１４は電子準位に所
定数の電子を蓄積でき、ホール準位に所定数のホールを
蓄積できる。電子−ホール遷移による電子とホールで半
導体装置１４が満たされると、半導体装置１４はもはや
非動作光を吸収できない。この結果、半導体装置１４は
多くの非動作光を通過させるようになり、非動作光の強
度は増大する。上記、半導体装置１４の透過率の変化は
速い。 ［０００６］ 動作光１６を半導体装置１４に照射することで生成され
た電子は時間の経過とともにホールと再結合し、このた
め半導体装置１４は初期の平衡状態に向けて変化する。 従って、半導体装置１４の透過率は徐々に減少し、平衡
状態のときの値に戻る。 ［０００７］ 上記メカニズムにおいて、半導体装置１４を透過した非
動作光１８の強度は動作光１６により一時的に変調され
る。非動作光１８の応答時間はｌｐｓ以下であり高速動
作を実現するには十分である。 ［０００８］

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、図２３の従来の光学装置は、動作光１８
を照射した後、半導体装置１４が初期の平衡状態に戻る
までに相当長い時間（数ナノ秒）かかるという問題点が
ある。すなわち、電子とホールが再結合して平衡状態に
なるのに数ナノ秒かかる。従って、非動作光１８の強度
が次の動作光１６のパルスを受取るに十分なレベルまで
下がるのに数ナノ秒かかる。従って、図２１の装置の実
際的な応用は困難である。 ［０００９］ 本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、半導体装置
の非線形性を積極的に利用して応答時間を改善し、次の
パルスを受取り可能となるまでの時間を短縮して連続動
作を可能とすることを目的とする。 ［００１０］

【課題を解決するための手段】

一般に、半導体に光を照射すると、価電子帯にある電子
が励起されて伝導帯へ遷移する。伝導帯に励起された電
子は、アップスピンかダウンスピンかのいずれかのスピ
ン方向を有する。偏光していない通常光を半導体に照射
すると、アップスピンとダウンスピンの両スピンの電子
が同じたけ励起される。 ［００１１］ しかし、照射する光が円偏光の場合には、右円偏光か左
円偏光かによって遷移の仕方が異なる。 ［００１２］ 例えば右円偏光をバルク結晶の半導体に照射すると、ア
ップスピンとダウンスピンの電子の励起される比率は３
対１で、価電子帯には同じく３対１の割合でヘビーホー
ルとライトホールが生成される。 ［００１３］ さらに、半導体が量子井戸構造の場合には、電子−ヘビ
ーホール遷移と電子−ライトホール遷移のエネルギ準位
が異なるため、動作光及び被動作光の波長を、例えば電
子−ヘビーホール遷移のエネルギ準位に選ぶことにより
アップスピンの電子のみを励起することが可能になる。 ［００１４］ アップスピンの電子が多く励起された状態で放置すると
、アップスピンの電子がダウンスピンの電子に徐々に変
化してスピン緩和し、一定時間経過後にはアップスピン
の電子とダウンスピンの電子の比率が５０％ずつになる
。このように半導体においてはアップスピンの電子とダ
ウンスピンの電子の比率が時間と共に変化するというス
ピン分極の時間変化が生じる。このスピン分極の時間変
化は極めて高速であり短時間でもとの平衡状態に戻る。 ［００１５］ 本発明による光学装置は、上述のスピン緩和現象を利用
したものであり、図１に示すように、所定波長の光によ
り電子−ホール対が励起される半導体装置２４と、前記
所定波長の円偏光である被動作光２８を発生し、前記半
導体に照射する第１の円偏光発生手段２２と、前記半導
体を透過する前記被動作光の強度を検出する受光手段２
５と、前記所定波長の円偏光である動作光２６を発生し
、前記半導体に照射する第２の円偏光発生手段２０どを
備え、前記動作光を前記半導体に照射することにより、
前記半導体を透過する前記被動作光の強度が変調される
ことを特徴とする。尚、原理的には完全な円偏光でなく
とも良い。すなわち、動作光２６及び非動作光２８とも
楕円偏光であっても良い。 ［００１６］

【作用】

本発明は、極めて短時間で緩和するスピン緩和現象を利
用しているので、動作光照射後、スピン緩和時間に応答
して被動作光を変調させることができ、高速動作させる
ことができる。 ［００１７］

【実施例】

はじめに、本発明の原理をより詳細に説明する。 ［００１８］ 一般に光を半導体に照射すると、ホールが価電子帯が励
起され、電子が伝導帯に励起される。伝導帯の励起され
た電子はアップスピンかダウンスピンかのいずれかを有
する。直線偏光を半導体に照射すると、生成されるアッ
プスピンの電子とダウンスピンの電子の数は等しい。 ［００１９］ 他方、円偏光を半導体に照射すると、この光が左円偏光
か右円偏光かによって、異なる遷移が観測される。右円
偏光を半導体バルクに照射すると１．励起されたアップ
スピンの電子とダウンスピンの電子の割合は３：１で、
励起されたヘビーホールとライトホールの割合も３：１
である。 ［００２０３ 円偏光が量子井戸を有する半導体に照射された場合に得
られる励起メカニズムは、バルク半導体の励起メカニズ
ムと異なる。図２に示すように、ホールにはヘビーホー
ルとライトホールがあり、これらは相互に異なるエネル
ギー準位ＥＨ及びＥＬを有する。一方、電子にはアップ
スピン電子とダウンスピン電子があり、これらは同一の
エネルギー準位を有する。このような量子井戸を有する
半導体に円偏光を照射すると、図３に示す電子−ホール
遷移が起こる。電子−ヘビーホール遷移エネルギーレベ
ルにほぼ相当する波長の右円偏光ＬＲ２を照射すると、
ヘビーホールのみ励起されアップスピン電子のみが生成
される。一方、電子−へビーホール遷移エネルギーレベ
ルにほぼ相当する波長の左円偏光ＬＬ２を照射すると、
ヘビーホールのみ励起され、アップスピン電子のみが生
成される。ライトホールのエネルギー準位はヘビーホー
ルのエネルギー準位よりも高いので、電子−ライトホー
ル遷移エネルギーレベルに相当する波長の左円偏光Ｌ　
又は右円偏光ＬＲ工を照射すると、ライトホールのみな
らず、ヘビーホールも一緒に励起されてしまう。しかし
ながら、この場合、励起されるものの大半はライトホー
ルなので、後述するスピン緩和は起こる。従って、電子
−ヘビーホール遷移エネルギーレベル又は電子−ライト
ホール遷移エネルギーレベルのいずれかに相当する波長
を用いて、励起されたアップスピン電子の数とダウンス
ピン電子の数にアンバランスを生じさせることができる
。 ［００２１］ 図４において、右円偏光で電子−へビーホール遷移エネ
ルギーレベルの非動作光ＬＨＴ１を量子井戸を有する半
導体装置に照射すると、ヘビーホールのみ励起され、量
子井戸中にアップスピン電子のみが生成される（図４の
（Ａ））。アップスピン電子のみ生成されるので、伝導
帯にはダウンスピン電子よりも多くのアップスピン電子
が存在する。この状態をスピン分極と言う。そして、図
４の（Ｂ）に示ｔように、アップスピン電子は次第にダ
ウンスピン電子に変化する。これをスピン緩和と言う。 アップスピン電子とダウンスピン電子との割合が５０％
になると、半導体装置は平衡状態になる。平衡状態では
、半導体装置の透過率は一定である。この状態で、右円
偏光で非動作光ＬＨＴ１とほぼ同一の波長のパルス状動
作光を半導体装置に照射する。パルス存続時間はスピン
緩和時間より短い。 動作光ＬＨＴ２に応答して、半導体装置の平衡状態は崩
れ、ヘビーホールが励起されて量子井戸内のアップスピ
ンに遷移する。そして、量子井戸は、アップスピン電子
で飽和する。飽和状態では、半導体装置は非動作光ＬＨ
Ｔ１を十分に吸収できず、従って、透過率は増大する。 この後、電子（励起子）のスピン緩和が起こり、アップ
スピン電子とダウンスピン電子の割合は５０％になる。 このスピン緩和はピコ秒のオーダで迅速に起こる。上述
したようにして、本発明では励起子の光学的非線形スピ
ン緩和を積極的に利用している。 ［００２２］ 次に、図１を参照して、本発明の第１の実施例を説明す
る。図１の光学装置は円偏光発生装置２０及び２２．半
導体装置２４及び受光素子２５を有する。 ［００２３］ 図５の（Ａ）に示すように、半導体装置２４は半導体基
板２４ａ上に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造２
４ｂを有する。多重量子井戸構造２４ｂにおいては、Ｇ
ａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層されている。 図５の（Ｂ）は多重量子井戸構造２４ｂのエネルギーバ
ンド図である。尚、超格子構造は多重量子井戸の１つの
バリエーションである。 ［００２４］ 円偏光発生装置２０は右円偏光の動作光２６を発する。 この動作光２６は半導体装置２４に電子−へビーホール
遷移を引き起こす。円偏光発生装置２２は連続的に又は
間けつ的（パルス状）に、動作光２６とほぼ同一波長の
右円偏光非動作光２８を発する。円偏光発生装置２０及
び２２は、公知のもので構成できる。例えば、レーザ発
生装置、偏光子及び１７４波長板との組み合わせ、偏光
色素レーザと１７４波長板との組み合わせ、偏光ガスレ
ーザと１７４波長板との組み合わせ、ＹＡＧレーザなど
の固体レーザと１７４波長板との組み合わせ、又は発光
ダイオード、偏光子及び１７４波長板との組み合わせな
どを用いることができる。 ［００２５］ 次に、図１の光学装置の動作を説明する。はじめに、円
偏光発生装置２２が出力する右円偏光の非動作光２８を
半導体装置２４に連続的に照射する。例えば、非動作光
２８は半導体装置２４上で直径１５μｍのスポットを形
成する。非動作光２８に応答して、電子−ヘビーホール
遷移が連続的に起こり、半導体装置２４は平衡状態に達
する。この状態では、半導体装置２４の透過率は一定で
、受光素子２５は一定強度の非動作光２８を検出する。 ［００２６］ この状態で、円偏光発生装置２０が発生する右円偏光の
動作光２６をｌｐｓ間だけ半導体装置２４に照射する。 すなわち、ｌｐｓの存続時間の動作光２６のパルスを半
導体装置２４に照射する。例えば、動作光２６は半導体
装置２４上で直径１５μｍのスポットを形成する。動作
光２６の強度は例えば０．３ｍＷで、非動作光２８の強
度はこの１７１０程度である。動作光２６に応答して、
電子−ヘビーホール遷移が半導体装置２４に起こり、平
衡状態が崩れる。そして、半導体装置２４は非動作光２
８を十分に吸収できなくなる。 ［００２７］ この結果、半導体装置２４はより多くの非動作光２８を
通すようになり、図６の曲線Ａに示すように、半導体装
置２４の透過率は迅速に増大する。パルス状の動作光２
６により励起されたアップスピン電子は、スピン緩和に
よりすばやくダウンスピン電子に変化し、このため半導
体装置２４は初期の平衡状態に向けて迅速に変化する。 この過程中に、半導体装置２４の増大した透過率は急速
に減少し約１６ｐｓ後にはそのほぼ半分になる。最終的
には、半導体装置２４は動作光２６が照射される以前の
初期の平衡状態に戻る。 ［００２８］ 上述したように、非動作光（搬送波信号に相当）は、動
作光２６の照射に対してスピン緩和時間に基づき、１０
ｐｓのオーダで迅速に変調される。これに対し、従来の
半導体装置では数ナノ秒のオーダで変調される。 ［００２９］ 左円偏光の非動作光２８を用いることもできる。この場
合、図６の曲線Ｂに示すように、ダウンスピン電子が一
時的に増えるに従い、半導体装置２４の透過率が徐々に
増大するように、非動作光２８は変調される。すなわち
、非動作光２８を半導体装置２４に照射した後、スピン
緩和時間に従い透過率は増大する。そして、透過率のピ
ークが得られた後、透過率は初期の平衡状態で得られる
レベルに向は減少する。 ［００３０］ また、左円偏光の非動作光２８と左円偏光の動作光２６
を用いることもできる。この場合、非動作光２８に対す
る半導体装置２４の透過率は、図６の曲線Ａに示すよう
に変調される。 ［００３１］ また、右円偏光の非動作光２８と左円偏光の動作光を用
いても良い。この場合非動作光２８に対する半導体装置
２４の透過率は、図６の曲線Ｂに示すように変調される
。 ［００３２］ 図５Ａに示す多重量子井戸構造２４ｂはＧ　ａ　Ａ　ｓ
　／　Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ多重量子井戸構造に限定
されず、次の多量子構造を用いても良い：　ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＰ　；　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ　：　Ｉ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　：　ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ
　：ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、また、これらの超格
子構造であっても良い。 また、これらの材料からなる単一の量子井戸であっても
良い。 ［００３３］ 多重量子井戸構造２４ｂに代えて、半導体バルク結晶を
用いても良い。例えばＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＭｎＴｅ。 ＣｄＭｎＳｅ又はＺｎＭｎＳｅなどのバルク結晶を用い
ることができる。バルク結晶を用いた場合は、非動作光
２８及び動作光２６がいずれも円偏光であってもアップ
スピン電子とダウンスピン電子の割合は３：１である。 従って、非動作光２８に対する半導体装置２４の透過率
の変化は、多重量子井戸構造又は単一の量子井戸構造の
透過率の変化とは異なる。 ［００３４］ 例えば、右円偏光の非動作光２８及び動作光２６をＧａ
Ａｓのバルク結晶に照射した場合、この透過率は図６の
曲線Ｃに示すように変化する。右円偏光の非動作光２８
と左円偏光の動作光２６をＧａＡｓバルク結晶に照射し
た場合、この透過率は図６の曲線りで示すように変化す
る。 ［００３５］ 尚、半導体装置２４に代えて８２９などの同位体を用い
ても良い。 Ｔ 次に、本発明の第１の実施例の変形例について、図７を
参照して説明する。南国７において、図１と同一構成要
素には同一の参照番号を付しである。図７の光学装置は
、図１の構成に、円偏光発生装置２３と受光素子２７を
加えることで構成される。円偏光発生装置２３は、円偏
光発生装置２２が発生する非動作光２８とは異なる（反
対の）偏光の非動作光２９を発生する。例えば、非動作
光２８が右円偏光のとき、非動作光２９は左円偏光であ
る。動作光２６を半導体装置２４（例えばＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓの単一又は多重量子井戸を有する）に照射す
ると、右円偏光の非動作光２８に対する透過率は図６の
曲線Ａで示すように変化し、左円偏光の非動作光２９に
対する透過率は曲線Ｂで示すように変化する。図７の構
成によれば、変調された非動作光２８及び２９を同時に
得ることができる。　図７の光学装置はまたＯＲ回路と
しても動作する。非動作光２８及び２９の少なくとも１
つが与えられると、受光素子２６は非動作光２８の強度
変化を検出する。 ［００３６］ 次に、本発明の第２の実施例を説明する。第２の実施例
は第１の実施例を更に発展させたものである。第２の実
施例は励起子のスピン緩和のみならず電子のトンネル効
果をも利用する。第１の実施例では、スピン緩和にのみ
基づいて透過率が初期平衡状態時のレベルに向は減少し
ていく。これに対し、第２の実施例では電子のトンネル
効果も透過率の減少に寄与する。すなわち、透過率はス
ピン緩和と電子のトンネルの相乗作用により減少する。 このトンネル効果を実現するために、第２の実施例は多
重量子井戸構造（超格子構造を含む）を有する。 ［００３７］ 第２の実施例による光学装置は、半導体装置２４の構造
を除き、第１の実施例による光学装置と同一である。 ［００３８］ 図８は第２の実施例で用いられる半導体装置２４の第１
の多重量子井戸構造の基本構成を示すエネルギーバンド
図である。第１の多重量子井戸構造の基本構成は、第１
の層３１．第２の層３２及び第３の層３３を有する。第
１の層３１及び第２の層３２は例えばＧａＡｓで形成さ
れ、第３の層３３は例えばＡｌＧａＡｓで構成される。 第３の層３３は第１の層３１及び第２の層３２ではさま
れている。第３の層３３の禁制帯幅は、第１の層３１及
び第２の層３２の禁制帯幅よりも大きい。第１の層３１
はこの中に電子が存在することができる厚みを有する。 第２の層３２は、第１の層３１の電子の最低エネルギー
準位が第２の層３２のそれよりも高くなるような厚みを
有する。第３の層３３は、第１の層３１中の電子が第３
の層３３をトンネルできるような厚みを有する。第１の
多重量子井戸構造は上記基本構成を複数積み重ねたもの
である。 ［００３９］ 例えば、第１及び第２　ｃ７）Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層３１及
び３２はそれぞれ４．５ｎｍ及び９．Ｏｎｍの厚みを有
し、第３のＡｌＧａＡｓ層３３は２．８ｎｍの厚みを有
する。多重量子井戸構造を分子線エピタキシプロセスで
ＧａＡｓの基板上に形成し、ＧａＡｓ基板を除去する。 ［００４０］ 図９は、本発明の第２の実施例で用いられる半導体装置
の第２の多重量子井戸構造の基本構成のエネルギーバン
ド図である。図示する基本構成は第１の層４１２つの第
２の層４２　及び４２　、並びに２つの第３の層４３１
及び４３２を有する。第３の層４３　及び４３２の禁制
帯幅は第１の層４１並びに第２の層４２　及び４２　の
禁制帯幅よりも大きい。第３の層４３　及び４３２は第
１の層４１の両側に位置し、第２の鰯４２　及び４２　
は第３の層４３　及び４３２に”１　　　　　　２　　
　　　　　　　　１それぞれ隣接している。第１の層４
１は電子がここに存在することができるような厚みを有
する。第２の層４２１及び４２２は第１の層４１の電子
の最低エネルギー準位が第２の層４２　及び４２２の電
子の最低エネルギー準位よりも大きくなるような厚みを
それぞれ有する。第３の層４３　及び４３２は第１の層
４１の電子が第３の層４３　及び４３゜をトンネルする
ことができる厚みをそれぞれ有する。第１の層４１並び
に第２の層４２　及び４２２は例えばＧａＡｓで形成さ
れ、第３の層４３　及び４３２は例えばＡｌＧａＡｓで
形成される。 ［００４１］ 図１０は、本発明の第２の実施例で用いられる第３の多
重量子井戸構造の基本構成のエネルギーバンド図である
。図示する基本構成は複数の第１の層５１□５１　及び
５１．２つの第２の鰯５２　及び５２゜、並びに複数の
第３の層５２　　　　３　　　　　　　　　ａ　　１３
．５３．５３　　及び５３　を有する。第１の層５１．
５１２及び５１３並びに第３の層５３　．５３　．５３
　　及び５３４は交互に配列されている。この交互の配
列は第２の層５２　及び５２２の間に設けられている。 第１乃至第３の層の他の条件は第１及び第２の基本構造
の条件と同じである。 ［００４２］ 上記第１．第２及び第３の多重量子井戸構造の第１及び
第２の層はＧａＡｓに限られず、第３の層はＡｌＧａＡ
ｓに限られず、前述した物質を用いることができる。ま
た、第１及び第２の多重量子井戸構造の基本構成をミッ
クスした第４の多重量子井戸構造を用いても良い。 ［００４３］ 図１１は透過率の時間変化を示すグラフである。曲線Ｃ
１は図２１に示した従来の半導体装置１４の透過率の変
化を示し、曲線Ｃ２は第１の実施例によるスピン緩和時
間のみを利用した半導体装置２４（図１）の透過率の変
化を示し、曲線Ｃ３は第２の実施例によるスピン緩和時
間及びトンネル効果を利用した半導体装置２４の透過率
の変化を示す。非動作光２８及び動作光２６は円偏光さ
れている。図１１のグラフから、第１及び第２の実施例
で得られた透過率は従来の光学装置で得られる透過率よ
りも極めて大きいことがわかる。更に、第１及び第２の
実施例による半導体装置２４の透過率は、従来の半導体
装置１４の透過率よりも非常に速く減少し、また第２の
実施例による半導体装置２４の透過率は第１の実施例に
よる半導体装置１４の透過率よりも非常に速く減少する
。 ［００４４］ 次に、本発明の第２の実施例の変形例を説明する。図１
２は前述した多重量子井戸構造のいずれか又は超格子構
造の半導体層６０と、この両側にそれぞれ設けられた２
つのミラー６１及び６２を有する半導体装置を示す。図
１２の半導体装置はファブリ・ペロ共振器として機能す
る。各ミラー６１及び６２は例えば、複数の積層された
誘電体層からなる誘電体多層構造を有する。また、例え
ば半導体層６０の各面に、金の金属蒸着膜を直接付着し
たミラー６１及び６２であっても良い。 ［００４５］ また、図１３に示すファブリ・ペロ共振器６３を用いて
も良い。これは、２つのミラー６４とこの間に離間位置
する半導体層６０とを有する。各ミラー６４はガラス板
６４ａ上に蒸着した誘電体多層６４ｂで形成される。こ
の層６４ｂを金属蒸着層で形成しても良い。 ［００４６］ また、図１４のファブリ・ペロ共振器６５を用いても良
い。これは、図１２と図１３に示すファブリ・ペロ共振
器の組み合わせである。半導体層６０の一方にはミラー
６４を離間配置し、他方にはミラー６２が直接設けられ
ている。 ［００４７］ 電子−ヘビー（ライト）ホール遷移エネルギーレベルに
相当する波長のパルス状の動作光（図１）２６を、非動
作光２８が照射されている前記ファブリ・ペロ共振器上
に照射すると、図１５に示すように、ファブリ・ペロ共
振器内の半導体層の屈折率はすばやく変化し、ファブリ
・ペロ共振器の共振ピークは実線から破線に変化する。 この屈折率の変化は半導体装置２４の透過率の減少に寄
与する。 本発明では、このあとの透過率あるいは屈折率の回復が
スピン緩和とトンネル効果により速い。 ［００４８］ 従来から、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子構造を誘電体多層
ミラーではさんだファブリ・ペロ共振器が知られている
（Ａ、Ｍｉｑｕｓｅｔ　　ａｌ、、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、Ｌｅｔｔ、４６　（８５）７０）。これは直線偏光を
用い、通常の電子−ホール遷移に基づいた光強度変調の
みを行う。すなわち、このファブリ・ペロ共振器はスピ
ン緩和及びトンネル効果を用いていない。 ［００４９］ 次に、本発明の第３の実施例による光学装置を説明する
。この光学装置は、例えば図１２．１３及び１４に示す
ファブリ・ペロ共振器のいずれかを用いている［００５
０］ 図１６は、第３の実施例の原理を示すグラフである。図
中、横軸は入力光（非動作光２８に相当）の強度を示し
、縦軸はファブリ・ペロ共振器を通過した出力光の強度
を示す。直線偏光をファブリ・ペロ共振器に照射すると
、この中の半導体装置の屈折率が変化し、従って共振器
長も変化する。直線偏光の強度が増え、点Ｐ１に達する
と、ファブリ・ペロ共振器からの出力光は右円偏光又は
左円偏光にすばやく変化する。ファブリ・ペロ共振器の
屈折率は２つの屈折率からなる。 １つはアップスピンに関係し、もう１つはダウンスピン
に関係する。直線偏光はアップスピンに関する右円偏光
成分とダウンスピンに関する左円偏光成分とから成る。 例えば、左円偏光成分がある原因で右円偏光成分より僅
かに大きい場合直線偏光は点Ｐ１で左円偏光に変化する
。 ［００５１］ 他方、ファブリ・ペロ共振器の人力光の強度が減少する
と、点Ｐ２で、右円偏光は直線偏光に変化し、左円偏光
は直線偏光に変化する。すなわち、ファブリペロ共振器
は光強度のヒステリシスループを有する。換言すれば、
強度しきい値動作が可能となる。入力光が強度■１にあ
るとき、ファブリ・ペロ共振器は３つの安定状態を有す
る。すなわち、ファブリ・ペロ共振器は光３重安定であ
る。尚ファブリ・ペロ共振器上に照射する光の波長は吸
収ピークよりもわずかに長くファブリ・ペロ共振器の共
振ピークよりもわずかに短い。 ［００５２］ 図１７は第３の実施例による光学装置を示す。図示する
光学装置は直線偏光発光装置７０．上述した構成のファ
ブリ・ペロ共振器７４．１／４波長板７３．偏光子７７
及び受光素子７５を有する。直線偏光発光装置７０は、
ファブリ・ペロ共振器７４に直線偏光を照射する。ファ
ブリ・ペロ共振器７４からの出力光は、１７４波長板７
３及び偏光子７７を通る。受光素子７５は右円偏光又は
左円偏光を受光する。 ［００５３］ 図１８は、第３の実施例の他の構成を示す。図中、図１
７と同一のものには同一の参照番号を付しである。受光
素子７９は、偏光子７７で反射された光成分を受光する
。図１８の光学装置が強度しきい値動作をする場合、受
光素子７５及び７９は、図１９Ａ及び１９Ｂに示すよう
に光成分の強度の変化を検知する。一方双安定動作をす
る場合、受光素子７５及び７９は、図２０Ａ及び２０Ｂ
に示すように光成分の強度の変化を検知する。 ［００５４］ 所望の円偏光をより確実に得るためには、ファブリ・ペ
ロ共振器に偏光された動作光（励起光）を照射する。図
２１は、図１７の構成に加え、偏光発光装置７２を設け
た光学装置を示す。偏光発光装置７２は、例えば、右円
偏光成分が左円偏光成分よりわずかに大きい楕円偏光の
動作光７６を発する。直線偏光が強度■１（図１６）の
ときに、楕円偏光の動作光７６をファブリ・ペロ共振器
に照射する。動作光７６に応答して、直線偏光の非動作
光７８は円偏光に変化する。同様にして、図１８の構成
を図２２に示すように構成できる。 ［００５５］ 第１及び第２の実施例において、右円偏光及び左円偏光
に代えて、右円偏光成分及び左円偏光成分のいずれかが
大きい楕円偏光を用いても良い。 ［００５６］ 尚、半導体バルク結晶を用いた場合は、これを例えば７
７°Ｋに冷却する必要があるが、量子井戸又は多重量子
井戸を用いた場合は冷却の必要はない。 ［００５７］ 本発明は１０−９から１０−１２秒の動作速度の光学装
置、例えば光・光スイツチ双安定装置、光・光メモリな
どに応用できる。 ［００５８］

【発明の効果】

以上のとおり、本発明によれば、スピン緩和又はこれに
加えトンネル効果を用いているので、動作光照射後、極
めて短時間で変調を完了して次の変調動作を行うことが
できる。また、強度変調の他偏光性を変調することがで
きる。更に、新規な光学的ＯＲ論理演算方法を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１及び第２の実施例の光学装置のブロック図
である。

【図２】 本発明の詳細な説明するためのエネルギーバンド図であ
る。

【図３】 本発明の詳細な説明するための電子−ホール遷移を示す
図である。

【図４】 本発明の詳細な説明するための量子井戸のエネルギーバ
ンド図である。

【図５】 本発明の実施例で用いる多重量子井戸構造を示す図であ
る。

【図６】 本発明の第１の実施例の動作を示すグラフである。

【図７】 本発明の第１の実施例の変形例による光学装置を示す図
である。

【図８】 本発明の第２の実施例で用いられる半導体装置のエネル
ギーバンド図である。

【図９】 本発明の第２の実施例で用いられる別の半導体装置のエ
ネルギーバンド図である。

【図１０１ 本発明の第２の実施例で用いられる別の半導体装置のエ
ネルギーバンド図である。 【図１１】 本発明の第１及び第２の実施例と従来例との透過率の変
化を示すグラフである

【図１２】 本発明の第２の実施例の変形例を示す図である。

【図１３】 本発明の第２の実施例の別の変形例を示す図である。

【図１４】 本発明の第２の実施例の別の変形例を示す図である。

【図１５】 本発明の第２の実施例で用いられるファブリ・ペロ共振
器の光スイ示す図である。

【図１６】 本発明の第３の実施例の原理を示すグラフである。

【図１７】 本発明の第３の実施例による光学装置のブロック図であ
る。

【図１８】 本発明の第３の実施例による別の光学装置のブロック図
である。

【図１９】 本発明の第３の実施例の偏光性光しきい動作を示すグラ
フである。

【図２０１ 本発明の第３の実施例の偏光性双安定動作を示すグラフ
である。 【図２月 本発明の第３の実施例の変形例である。 【図２２】 本発明の第３の実施例の別の変形例である。

【図２３】 従来の光学装置のブロック図である。

【符号の説明】

１０．１２　　発光装置 １４．２４．７４　　半導体装置 １５．２５，７５．７９　　受光素子 １６、　２６．７６　　動作光 １８．２８，２９．７８　　非動作光 ２０．２２．２３　　円偏光発光装置 ２４　半導体装置 ッチ動作を ２４ｂ　　多重量子井戸構造 ６０　半導体層 ６１．６２．６４　　ミラー ６３、　６５　　ファブリ・ペロ共振器７０　直線偏光
発光装置 ７２　偏光発光装置 ７３１／４波長板

【書類基】

図面

【図１】

【図２】

【図４】

【図５】 （Ａ） （Ｂ） ４ｂ

【図６】

【図７】 ■奇問 （ＩＯｐ５／ｄｉｖ）

【図８１ 【図９】

【図１０１ 【図１月 【図１２】 Ｅｌ今問

【図１５】

【図１６】

【図１７】 Ｉ 、イアｊ＜ｔｙ：ｔイク三月立 入力

【図１８】

【図１９】 （Ａ） （Ｂ）

【図２０】 （Ａ） （Ｂ）

【図２１】

【図２２】

【図２３】 会光来５

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定波長の光により電子−ホール対が励起
   される半導体（２４）と、 前記所定波長の直線偏光以外の偏光である被動作光（２
   ８）を発生し、前記半導体に照射する第１の偏光発生手
   段（２２）と、前記半導体を透過する前記被動作光の強
   度を検出する受光手段（２５）と、前記所定波長の直線
   偏光以外の偏光である動作光（２６）を発生し、前記半
   導体に照射する第２の偏光発生手段（２０）とを備え、
   前記動作光を前記半導体に照射することにより、前記半
   導体を透過する前記被動作光の強度が変調されることを
   特徴とする光学装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の光学装置において、前記動
   作光は前記被動作光と同一方向の円偏光であることを特
   徴とする光学装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の光学装置において、前記動
   作光は前記被動作光と逆方向の円偏光であることを特徴
   とする光学装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の光学装置において、前記被
   動作光と逆方向の偏光である第２の被動作光を発生し、
   前記半導体に照射する第３の偏光発生手段（２３）と、 前記半導体を透過する前記第２の被動作光の強度を検出
   する第２の受光手段（２７）とを備え、 前記動作光を前記半導体に照射することにより、前記半
   導体を透過する前記被動作光及び第２の被動作光の強度
   が変調されることを特徴とする光学装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４記載の光学装置において、
   前記半導体が量子井戸構造であることを特徴とする光学
   装置。
6. 【請求項６】直線偏光の非動作光（７８）を発する第１
   の発光手段（７０）と、 半導体装置を有し、共振器長に近接する波長の前記直線
   偏光の非動作光を受けて第１の光を出力する共振器手段
   （７４）と、該第１の光を受けて第２の光を出力する１
   ／４波長板（７３）と、該第２の光を受けて第３の光を
   出力する偏光子（７７）と、前記直線偏光の非動作光の
   強度に基づいて右又は左に円偏光している第１の光に起
   因した前記第３の光を受光する第１の受光手段（７５）
   とを備えた光学装置。
7. 【請求項７】請求項６記載の光学装置において、更に直
   線偏光以外の偏光の動作光（７６）を発する第２の発光
   手段（７２）を有し、該動作光は前記直線偏光の非動作
   光を右円偏光又は左円偏光のいずれかに変化させる偏光
   方向を有し、 前記動作光はパルス波形を有することを特徴とする光学
   装置。
8. 【請求項８】請求項６記載の光学装置において、前記偏
   光子は第４の光を出力し、 前記光学装置は更に、前記第３の光に関する前記第１の
   光の偏光方向とは異なる偏光方向の第１の光に関する前
   記第４の光を受光する第２の受光手段（７９）を有する
   ことを特徴とする光学装置。
9. 【請求項９】請求項８の光学装置において、直線偏光以
   外の偏光の動作光（７６）を発する第２の発光手段（７
   ２）を有し、 該動作光は前記直線偏光の非動作光を右円偏光又は左円
   偏光のいずれかに変化させる偏光方向を有し、 前記動作光はパルス波形を有することを特徴とする光学
   装置。
10. 【請求項１０】直線偏光以外の偏光の第１の光（２８）
    を半導体装置（２４）に照射するステップと、 第１の入力データに対応するパルス波形を有し、前記第
    １の光を半導体装置に照射している状態で、直線偏光以
    外の偏光の第２の光（２６）を半導体装置に照射するス
    テップと、 第２の入力データに対応するパルス波形を有し、前記第
    １の光を半導体装置に照射している状態で、直線偏光以
    外の偏光の第３の光（２９）を半導体装置に照射するス
    テップと、 前記第２及び第３の光の少なくともいずれか一方の照射
    により半導体中に励起されたヘビーホールとライトホー
    ルの遷移により生成された電子の作用により前記第１の
    光の強度のピーク及び電子のスピン緩和による該ピーク
    の減少を、前記第１及び第２のＯＲ論理結果として出力
    するステップとを有する光ＯＲ論理演算方法。