JPH103099A

JPH103099A - 光スイッチ

Info

Publication number: JPH103099A
Application number: JP9018465A
Authority: JP
Inventors: Jeremy John Baumberg; ジョンボーンバーグジェレミー; Albert P Heberle; ピーヘバールアルバート
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-01-06
Also published as: DE69633499D1; EP0809128A1; EP0809128B1; DE69633499T2

Abstract

(57)【要約】【課題】周期的量子井戸構造を有する光スイッチング媒
体（１）を有する全光スイッチを提供する。【解決手段】第１の方向に円偏光された光放射の第１の
パルス（ＣＰ１）をスイッチング媒体に入射して予め定
めたスピンの電子を生成することにより、第１のスピン
状態条件を生成する。ついで、第１のパルスと逆方向に
円偏光された光放射の第２のパルス（ＣＰ２）をスイッ
チング媒体に入射して、異なるスピンの電荷キャリアを
生成することにより、第２の、異なるスピン状態を生成
する。スイッチング媒体のスピン状態はプローブ放射
（Ｐ）を用いて検出する。プローブ放射の偏光方向は光
媒体のスピン状態条件に応じて回転する。本スイッチ
は、スピン状態の緩和時間より充分速いレートで、２つ
のスピン状態条件間で動作しうる。位相感応検出器、パ
ルス列相関器、光データ電送システムの実施例を開示す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高速スイッチン
グ速度で動作可能な光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】近年
のフェムト秒レーザ・光信号処理技術の進歩により、超
高速光パルスの生成が可能になり、今日では１００ｆｓ
より小さいパルス幅が通常的に得られる。しかし、光ス
イッチとしては、利用可能な光パルスと同等の速さで動
作可能かつ小さいスイッチングエネルギーのみを要する
スイッチング媒体を設けることが困難である。

【０００３】我々の欧州特許出願ＥＰ95303550.8[Art.
54(4) EPC]では、第１および第２のコヒーレントパルス
を用いて、光学媒体を異なる励起状態に切り替えること
により、その光学的伝播特性を変える光スイッチを開示
している。

【０００４】光励起されたキャリアのスピン特性を利用
する、別の手法としては、Y. Nishikawa等によるAppl.
Phys. Lett., 66,839 (1995)の"All-optical picosecon
d switching of a quantum well etalon using spin-po
larisation relaxation"に記載されたものがある。この
技術では、円偏光された光パルスをスイッチング媒体に
入射して、光励起により、それぞれ異なるスピン状態を
有する電子と正孔の対を生成する。正孔は比較的早く消
失する(decays)のに対し、電子スピン状態はこれより幾
分長い時間、数ピコ秒余り、長らえる。このスイッチン
グ媒体は、量子井戸の周期的な構造からなる。この生成
されたスピン状態は、平面偏光された光プローブ放射の
パルス(a pulse of plane polarised optical probe ra
diation)で検出される。この偏光面は、高められた電子
スピン状態の発生期間中、回転することが分かってい
る。よって、プローブパルスの偏光面を検出することに
より光スイッチの出力が得られる。リセットのために
は、当該スピン状態スイッチは量子井戸構造内の自然ス
ピン緩和(natural spin relaxation)に頼る。この自然
スピン緩和は、達成可能なスイッチング動作速度を制限
する。この速度を向上させるには、高められた電荷キャ
リアスピン状態が誘起されている量子井戸に隣接して光
学的に非能動的な量子井戸を設け、これによって当該キ
ャリアをその非能動的な量子井戸へ通り抜けさせること
が提案されている。しかし、これは現実には、スイッチ
ング特性を良好に制御することができない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、光スピンスイ
ッチを、２つの異なるスピン状態の間で積極的に切り替
えるものである。

【０００６】本発明によれば、光スイッチング媒体と、
第１の電荷キャリアスピン状態条件を生成するように、
前記スイッチング媒体に第１の偏光特性の光放射の第１
のパルスを入射する手段と、第２の電荷キャリア状態条
件を生成するように、前記スイッチング媒体に異なる偏
光特性の光放射の第２のパルスを入射する手段と、前記
媒体のスピン状態条件を検出するために前記媒体に光プ
ローブ放射を入射するプローブ放射源とを備える光スイ
ッチが提供される。

【０００７】前記第１のパルスは時間と共に第１の方向
に回転する偏光を有し、第２のパルスはこれと異なる第
２の方向に回転する偏光を有してもよい。この第１およ
び第２のパルスは、円偏光されたものであってもよい。

【０００８】本スイッチは、前記スイッチング媒体を通
過した後の前記プローブ放射の偏光特性に応じて、当該
媒体のスピン状態を検出する検出手段を有してもよい。

【０００９】前記プローブ放射をパルスとし、かつ平面
偏光とすることにより、その偏光方向の変化が、スイッ
チング媒体のスピン状態の関数となるようにしてもよ
い。

【００１０】前記第１および第２のパルスの列ならびに
前記パルス放射を前記媒体に入射し、ついで、スイッチ
を動作させて、前記検出手段が、当該パルス列の反復周
波数および相対位相の関数としての出力を生成するよう
にしてもよい。よって、本スイッチは、前記検出手段の
出力を用いて、第１および第２のパルスの位相に対する
プローブパルスの位相を制御する位相感応検出器として
用いることができる。

【００１１】前記スイッチング媒体に磁界を印加し、こ
れによって、第１のパルスにより誘起された電荷キャリ
アスピンを、第２のパルスにより誘起された電荷キャリ
アスピンと整列するように歳差運動(precess)させても
よい。これは、パルス列間の相関(correlation)の程度
を求めるのに用いることができる。すなわち、磁界強度
を時間と共に変化させて検出器の出力にピークを生成さ
せ、これにより、このピークの磁界強度をパルス列相関
の尺度とすることができる。

【００１２】前記検出手段は、第１および第２のパルス
の間の時間遅延の関数としての出力を発生するように動
作する。これは、また、スイッチング媒体内で生じる、
スピン状態の時間積分(an integral of the spin state
with time)と考えることができる。本例において使用
されるプローブ放射は、第１および第２のパルスのパル
ス幅より相当に長いパルス幅を有する。このプローブ放
射は、例えばレーザー源からの連続的な放射により構成
される。

【００１３】このような構成は、データ符号化手段によ
って第１および第２のパルス間の遅延量を制御すること
によりデータを符号化するデータ伝送に利用することが
できる。

【００１４】スイッチのスピン状態条件間のコントラス
トを増大するためには、スイッチング媒体を光学的共鳴
空洞内に内在させてもよい。本スイッチング媒体は量子
井戸構造を有する。この量子井戸構造は、第１のスピン
状態条件にある電荷キャリアのための第１の井戸と、こ
の第１の井戸から分離された第２の井戸とを有する。電
荷キャリアは、第１の井戸から障壁手段を通り抜けるこ
とができ、これによって、第１の井戸内における長寿命
の電荷キャリアの生成が回避される。

【００１５】この量子井戸構造は、ＧａＡｓおよびＡｌ
ＧａＡｓ材料の層の周期的構造により構成できる。ただ
し、後述する詳細な例から分かるように、他の材料系を
用いることもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明をよりよく理解する
ために、添付図面を参照して、例示により本発明の実施
の形態を説明する。図１において、スイッチデバイス
は、制御パルス源２からの制御パルスが経路３を介して
入射される、半導体量子井戸構造としての光スイッチン
グ媒体１からなる。制御パルスは、光スイッチング媒体
内の電荷キャリアのスピン状態を切り替える。この媒体
のスピン状態は、経路５に沿って媒体１内に入射される
プローブ放射源４からのプローブパルスＰにより検出さ
れる。プローブ放射源４からのプローブパルスは、光ス
イッチング媒体１へ通過するとき、平面偏光されて偏光
ビーム分離器６を通過する。後に詳述するように、プロ
ーブパルスの偏光面は光スイッチング媒体のスピン状態
に依存して回転する。その結果、媒体１から反射したプ
ローブパルスは、偏光面の回転量に応じた振幅でビーム
分離器により反射され、経路７に沿って検出器８へ達す
る。検出器８は、半導体媒体によりプローブパルスの偏
光面の回転の程度に応じた振幅の電気信号を生成する。
検出器８の出力は電気増幅器９へ導かれ、ライン１０に
出力信号を生成する。

【００１７】制御パルス源２は、遅延量Ｔだけ時間的に
分離された第１および第２の光パルスＣＰ１，ＣＰ２を
生成する。制御パルスＣＰ１，ＣＰ２は逆方向に円偏光
される。この例では、パルスＣＰ１は右手円偏光され
（ｒｃｐ）、第２の制御パルスＣＰ２は左手円偏光され
る（ｌｃｐ）。後に詳述するように、第１の制御パルス
ＣＰ１が光スイッチング媒体を第１のスピン状態へ切り
替え、その後、第２のパルスＣＰ２が媒体１を第２の、
異なるスピン状態へ切り替える。

【００１８】光スイッチング媒体１は、本実施の形態で
は、図２に詳細に示した多層量子井戸構造により構成さ
れる。これは、ＧａＡｓ材料の基板１１を有し、この上
にＡｌＧａＡｓおよびＧａＡｓの層が分子ビームエピタ
キシー（ＭＢＥ）または他の適当な技法により形成さ
れ、周期的井戸構造が形成される。この例では、ＧａＡ
ｓおよびＡｌＧａＡｓ材料の層１２，１３から５つのＧ
ａＡｓ量子井戸が成長された。この例では、ＧａＡｓ量
子井戸の厚さは２５ｎｍである。

【００１９】光媒体に対する制御パルスＣＰ１，ＣＰ２
の効果は、図３のスピンエネルギー図から理解できる。
右手円偏光パルスＣＰ１は、矢印１４に示すように、価
電子バンドに正孔を残しながら、電子を伝導バンド内の
エネルギーレベルＥ１へ押し上げる励起を生成する。エ
ネルギー状態Ｅ１の電子は−１／２のスピンを有し、対
応する正孔は−３／２のスピンを有する。正孔のスピン
は比較的早く＋３／２状態へ散乱するが、スピン状態−
１／２の電子は数ピコ秒のオーダーのスピン寿命を有す
る。よって、第１の制御パルスＣＰ１に応答して、光媒
体１は、エネルギーＥ１およびスピン−１／２の電子を
有する第１のスピン状態へ励起される。本発明によれ
ば、この媒体は、第１のパルスと逆の円偏光の第２の制
御パルスＣＰ２により第２のスピン状態へ切り替えるこ
とができることが分かった。図３において、パルスＣＰ
２は、スピン＋１／２を有するエネルギーＥ１へ電子を
押し上げるとともにスピン＋３／２の正孔を価電子バン
ド内に形成する遷移１５を生成する。第１および第２の
パルスＣＰ１，ＣＰ２の間の時間遅延量はエネルギーＥ
１の電子の緩和時間τより短い。その結果、パルスＣＰ
１，ＣＰ２により生成されたスピン−１／２および＋１
／２の電子を組み合わせた効果は全体として０のスピン
状態となる。よって、光スイッチング媒体は、まずパル
スＣＰ１により＋１／２の第１のスピン状態へ切り替え
られ、ついで、当該エネルギー状態の緩和時間τより短
い時間後にパルスＣＰ２により総スピン０の第２の状態
へ切り替えられる。

【００２０】光スイッチング媒体のスピン状態は、プロ
ーブ放射源４（図１）からのプローブパルスの偏光を制
御する。図４を参照するに、プローブパルスＰは、１６
に示すように、平面偏光されており、これは、平面偏光
がベクトルＣ１，Ｃ２で示すような逆方向の２つの円偏
光から構成されていると考えることができる。両円偏光
は、図３に示したようなスピン状態で結合する。スピン
＋３／２の正孔とスピン＋１／２の電子の間の遷移１４
は、主として左円偏光された光に対して光学的な非線形
性を誘起する。同様に、図３の遷移１５は、主として右
円偏光された光に対して非線形性をもたらす。よって、
本光スイッチング媒体がパルスＣＰ１に応答して第１の
スピン状態条件にあるとき、プローブパルスＰの円成分
Ｃ２は媒体に吸収されて図５の状態をもたらす。すなわ
ち、円偏光成分Ｃ２の振幅はＣ２’へ低減される。２つ
の円偏光Ｃ１，Ｃ２のベクトル和Ｐ’を図５（ｂ）に示
す。よって、第１および第２のパルスＣＰ１，ＣＰ２の
発生の間にプローブパルスをスイッチング媒体へ入射す
ると、その偏光ベクトルが図４（ａ）の状態から図５
（ｂ）の状態へ、ある角度だけ回転する。

【００２１】パルスＰ’は偏光ビーム分離器６へ再反射
され、偏光の回転により生成された直交成分が経路７を
経由して検出器８へ入射される。よって、検出器８によ
り生成された電気信号の振幅は偏光ベクトルの回転角度
の関数となり、光媒体のスピン状態の関数となる。

【００２２】第２の制御パルスＣＰ２の発生後にプロー
ブパルスＰが媒体１へ入射されたとき、第２のスピン状
態条件では、２つの遷移１４および１５の電子スピンが
相殺するという事実により、プローブパルスの偏光面の
回転はない。よって、反射されたプローブパルスの偏光
ベクトルＰ’は、入射プローブパルスのベクトルＰと一
致したままである。その結果、偏光ビーム分離器６は経
路７上の光をほとんど反射せず、よって、検出器８は出
力を発生しない。図６は、第１および第２の制御パルス
ＣＰ１，ＣＰ２の間の遅延量Ｔの異なる値についての時
間の関数としての、プローブパルスにより測定されたス
ピンのグラフである。単一の制御パルスＣＰ１（ＣＰ２
なし）の効果を軌跡１７に示す。時刻ｔ＝０において光
媒体のスピン状態は比較的高いレベルへ切り替えられ、
ここから４ピコ秒以上かけて比較的ゆっくり消滅する。
軌跡１８ａは、〜２．２ｐｓの遅延量Ｔが与えられた場
合の第２の制御パルスＣＰ２の効果を示す。軌跡１８ｂ
〜ｄは、これより逐次短い遅延時間Ｔの効果を示す。最
も短い切替時間は実線の軌跡１８ｅで示す。この場合、
媒体は２００ｆｓのオーダーの時間で第１のスピン状態
から第２の（実質０の）スピン状態へ切り替えられた。
このスイッチングは、４ｋの温度で５つの２５ｎｍＧａ
Ａｓ量子井戸からなる試料について実行された。制御パ
ルスの波長は８１０ｎｍであり、プローブパルスの波長
も８１０ｎｍであった。プローブパルスの幅は８０ｆｓ
であり、これは、本デバイスの進行するスピン状態を辿
るために、時間的にスキャンされた。上記説明した例で
はＧａＡｓ材料系を用いたが、このスキーム（scheme）
は、優先的な（preferential）スピン励起が可能なバン
ドギャップエネルギー関係のスピン選択規則を有する任
意の半導体、特に亜鉛化合半導体結晶構造、に対して有
効である。特に、これはＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ
Ｐ，ＧａＮ，ＩｎＳｂおよび同様のIII-VおよびII-VI合
金を含む。必須ではないが、コントラスト比およびスピ
ン散乱時間に関するデバイス性能を最適化するにはヘテ
ロ構造が好ましい。本発明の上記説明した例のスイッチ
ングエネルギーは５ｎＪｃｍ^-2（これは、前述した従来
のデバイスに比べて極端に低い）であることが分かっ
た。

【００２３】図７に、光媒体のスピン状態を検出するた
めの別の構成を示す。偏光ビーム分離器を用いる代わり
に、ウォラストン(Wollaston)プリズムを用いてプロー
ブパルス偏光を２つの直交成分に分離する。この構成
は、最初、２つの直交する偏光方向に、ほぼ等しい振幅
の出力２０ａ，２０ｂを生成するように、ウォラストン
プリズムが設定される。この等しい振幅の成分は検出器
２１ａ，２１ｂにより検出され、比較器２２への電気入
力となる。反射されたパルスＰ’が入力パルスＰの偏光
方向を維持するとき、検出器２１ａ，２１ｂの出力はバ
ランスして、比較器２２のライン２３には出力が発生し
ない。しかし、光媒体１のスピン状態がパルスベクトル
Ｐ’を回転させるとき、検出器２１ａ，２１ｂの出力は
アンバランスとなり、ライン２３上に信号が発生する。

【００２４】図１および図７に示した例において、プロ
ーブパルスＰは光媒体１により反射される。しかし、図
８に示したように、プローブパルスが当該媒体を通過す
るようにして、必要ならば、検出に先立ってプローブパ
ルスは２個以上の光媒体をインターロゲート(interroga
te）することができる。

【００２５】図９は、単一の入力光パルスから、逆の円
偏光の第１および第２の制御パルスＣＰ１，ＣＰ２を生
成するための装置の一例を示す。モード固定ダイオード
レーザ、またはＴｉドープ・サファイア(Ti-doped sapp
hire)のようなモード固定ソリッドステートレーザなど
のフェムト秒レーザ２４は、典型的には１００ｆｓ〜１
ｐｓの幅を有する本デバイスに用いられる半導体のバン
ドギャップに適する波長の平面偏光パルスを生成する。
このパルスはパルスダブラー２５に導かれる。レーザ２
４からのパルスは２分の１波長（λ／２）板２６を通っ
て偏光ビーム分離器２７へ入射される。この偏光ビーム
分離器２７は、それぞれ経路２８ａ，２８ｂを通る第１
および第２の分離パルスを生成する。これらの分離パル
スは互いに９０゜の関係で平面偏光される。λ／２板２
６の効果は、入力パルスの偏光面を４５゜回転させて、
２つの分離パルスの振幅がほぼ等しくなるようにするも
のである。経路２８ａ，２８ｂは第２のビーム分離器２
９まで伸びる。このビーム分離器２９は、当該分離パル
スを４分の１波長板３０を通る共通の光出力経路３へ向
ける働きをする。経路２８ａは、経路２８ｂより長く、
分離パルス間の時間遅延量Ｔを調整するために矢印３１
の方向に移動可能な可動ミラー構造Ｍ１，Ｍ２を有す
る。時間遅延量ＴはＬ／ｃに対応することが理解されよ
う。ここに、Ｌは経路長の差であり、ｃは光の速度であ
る。経路２８ｂ上を通過する第１の分離パルスは４分の
１波長板３０に達し、左円偏光されてパルスＣＰ１とな
る。第２の分離パルスは、経路２８ａを経由して、経路
長Ｌの調整により選定された時間遅延量Ｔで到達する。
第１および第２の分離パルスの偏光方向には９０゜の差
があることから、４分の１波長板３０は正円偏光の第２
の分離パルスを生成し、これが第２の制御パルスＣＰ２
となる。図９に示した構成は多くの個別部品を有する
が、この構成は１個の半導体チップ内に集積化すること
ができることが理解されよう。この集積化構成における
時間遅延量は固定でよく、あるいは、経路２８ａおよび
／または２８ｂの屈折率を電気的に変えることにより調
整することもできる。

【００２６】本デバイスが高パルス反復周期で動作する
ためには、光スイッチング媒体内における電荷キャリア
の大量蓄積を防止する機構を設けることが望ましい。こ
の機構を設けない場合には、バンドエッジにおける電子
正孔状態が充満され、観測されるスピンスイッチングが
劣化する。図１０は、この目的のために構成された光ス
イッチング媒体の一例を示す。この構造は、図２に示し
たものと同様であるが、その井戸の幅が異なる。第１の
比較的狭い井戸は、ＡｌＧａＡｓ層３２，３３間に配置
されたＧａＡｓ層３１により構成される。ＡｌＧａＡｓ
層３２，３３は、ＧａＡｓ材料の第２および第３井戸３
４，３５に対するトンネル障壁として機能する。第２お
よび第３の井戸３４，３５の幅は第１の井戸３１より広
い。前述したスピン遷移が井戸３１内で生じ、その結果
得られる電荷キャリアは離調された(de-tuned)広い井戸
３４，３５へ通り抜けることにより井戸３１内のキャリ
ア蓄積を防止することができる。図１１は、図１０の構
造に関連した種々のエネルギーレベルおよびトンネリン
グ経路を示す。入射パルスＣＰ１，ＣＰ２は、エネルギ
ーレベルＥ０，Ｅ１間の電荷キャリアの遷移を惹起し、
その際、図３で説明した関連するスピンを伴う。これは
井戸３１内で起こる。パルスＣＰ１，ＣＰ２の波長は井
戸３１の幅に合わせて調整される。レベルＥ０，Ｅ１に
おいて井戸３１に蓄積する電荷キャリアは、その緩和時
間の満了前に障壁３２，３３を通り抜けて井戸３４，３
５へ達し、井戸３４，３５において再結合することがで
きる。このようにして、井戸３１内の電荷密度が低減
し、これによってプローブパルスＰで検出されたスピン
スイッチングのコントラスト比を改善することができ
る。なお、このプローブパルスＰは井戸３１内の遷移の
みを検出するように調整されている。この構成により、
本スイッチデバイスは、１ＴＨｚを超えるパルス反復レ
ートで高信頼性をもって動作することが可能になる。

【００２７】制御パルスとプローブパルスが光スイッチ
ング媒体を複数回通過する場合には、スピンスイッチン
グ振幅を増幅することができる。図１２において、３６
で総称的に示した量子井戸構造は、半導体材料の交互の
層で形成された誘電体ミラー３７，３８の間に挟まれ
る。この例では、当該交互の層は、ＡｌＧａＡｓおよび
ＡｌＡｓ材料により形成され、制御パルスおよびプロー
ブ放射に関してλ／２の実効波長だけ離隔されている。
C. Wiesbuch等による"Observation of Coupled Exciton
-Photon Mode Splitting in a Semiconductor Quantum
Microcavity", Phys. Rev. Lett. 69, 3314 (1992)を参
照されたい。このような光学的空洞を用いることによ
り、この空洞のフィネス（finesse）により導入される
遅延（これはスイッチング速度を低下させる）と、スイ
ッチング振幅の改善との間に妥協を見いだす必要があ
る。〜１０のフィネスＦを有する光学的空洞を用いるこ
とにより、スイッチング速度を大きく低下させることな
く、Ｆの増幅率が実現可能であることが判明した。

【００２８】量子井戸の平面に平行な軸方向の磁界を印
加することにより、付加的な結合を誘起することができ
る。この磁界は、下記のラーモア（Larmor）周波数で与
えられるレートで磁界軸周りに、電子スピンを歳差運動
させる。

【００２９】Ω_L=ｇe・μ_B・Ｂ／ｈこの周波数は磁界強度に比例する。A. P. Heberle, W.
W. RuhleおよびK. Ploogによる"Quantum beats of elec
tron Larmor Precession in GaAs Wells", Phys.Rev. L
ett., 72 3887 (1994)を参照されたい。これは、１つの
円偏光のパルス列が時間遅延して逆の円偏光のパルス列
に結合(couple)することができるということを意味す
る。よって、図１３において、右円偏光されたパルス列
ＣＰ１ａ，ＣＰ１ｂ，ＣＰ１ｃと左円偏光されたパルス
列ＣＰ２ａ，ＣＰ２ｂ，ＣＰ２ｃは、光スイッチング媒
体１へ入射される。この媒体１は、コイルＣまたは他の
手段により生成された、矢印３９により示す磁界Ｂが印
加されている。図１４において、パルスＣＰ１ａにより
誘起された電荷キャリアスピンは最初矢印４０で示す方
向に誘起されている。しかし、時間とともに、このスピ
ン方向は、磁界Ｂの軸３９の周りに矢印４１の方向に歳
差運動し位置４２に達する。よって、逆のスピン方向の
電荷キャリアを誘起するパルスＣＰ２ａは、パルスＣＰ
１ａから移動したスピンとの組合せで、総残余スピン(n
et residual spin)が得られる。同様の効果は、パルス
対ＣＰ１ｂ，ＣＰ２ｂおよびＣＰ１ｃ，ＣＰ２ｃにより
得られる。検出用のプローブパルス（Ｐ１，Ｐ
２．．．）は、ビーム分離器４３により第２のパルス列
（ＣＰ２ａ，ＣＰ２ｂ．．．）から得られ、ミラー４５
を含む経路４４上で部分的に遅延され、偏光ビーム分離
器４６により選択されて経路５上の試料へ入射される。
その後、プローブパルスは、ＣＰ１，ＣＰ２のような１
対のｒｃｐおよびｌｃｐパルスの印加後、光スイッチン
グ媒体内に残っている総合スピン(total spin)を積分(i
ntegrate)する。磁界がない場合には、総スピン(netspi
n)は０となる。

【００３０】図１５に示したような磁界の下では、スピ
ンは非０となる。図１５（ａ）において、印加磁界が小
さい条件下では、光スイッチング媒体に印加される第１
のパルスＣＰ１は、時点ｔ１で第１の全体スピン状態(o
verall spin state)を生成する。ついで、このスピン
は、弱い磁界のために少量だけ歳差運動する。時点ｔ２
で、逆の円偏光パルスＣＰ２が印加される。これによっ
て、不完全ではあるが全体スピン状態を低減する。プロ
ーブパルスＰ１は、パルスＣＰ２より若干遅れた時点ｔ
３に到達し、総スピンＳが観測される。図１５（ｂ）
に、高磁界が印加された場合の対応する結果を示す。高
磁界によれば、時点ｔ１で第１のパルスＣＰ１により誘
起されたスピンの高速な歳差運動が起こり、その結果、
時点ｔ２で最初のスピン方向へ戻り、第２のパルスＣＰ
２により生成されたスピンにより相殺される。よって、
時点ｔ３でプローブ放射のパルスＰは総スピン０を観測
する。磁界強度を時間とともに走査し、検出器出力が０
になったときにその磁界強度がパルス間の相関時間の尺
度となることが理解されよう。

【００３１】この光学的相関は、スピン歳差運動位相に
対する位相感応検出に用いることができる。入力信号Ｉ
（ｔ）により誘起された総スピン（ここにＩ（ｔ）の正
および負の振幅はそれぞれ左および右円偏光光に対応す
る）は次のように表わされる。

【００３２】

【数１】

【００３３】ここに、τはスピン緩和時間である。した
がって、スピン歳差運動(spin precession)は、積分時
間τを有する位相感応検出器として機能する。この検出
器の有利な特徴は、ωのより高次の偶数高調波(even ha
rmonics)に対する応答がないことである。この位相感応
検出器は、また、光信号の同期化のための位相ロックル
ープ構成にも用いることができる。

【００３４】図１６により、磁界が無くても動作する他
の位相感応検出器について以下説明する。図１６（ａ）
において、逆の円偏光の第１および第２の制御パルスＣ
Ｐ１ａ，ＣＰ１ｂ等；ＣＰ２ａ，ＣＰ２ｂ等の規則的な
パルスは光スイッチング媒体に印加され、その結果、図
１６（ｂ）に示すように、スピン状態が比較的高いレベ
ルと低いレベルの間で周期的に切り替えられる。図１６
（ｃ）では、プローブパルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３が、図１
６（ｂ）に示したスピン波形に対して３つの異なる位相
φで示されている。図では相対位相φ＝０、φ＝π／
２、およびφ＝πを示す。検出器すなわち検出器８（図
１）の対応する応答を図１６（ｄ）に示す。位相差φ＝
０ではプローブパルスは正の総スピンを検出し、その結
果、検出器は正の出力を発生することが理解されよう。
φ＝π／２では、検出器出力は部分的に正かつ部分的に
負となり、実効的には出力０となる。φ＝πについて
は、負の総スピンが検出され、負の出力が発生される。
したがって、検出器の出力は、位相感応検出に用いるこ
とができる電圧レベルにより構成されることが理解され
よう。よって、検出器の出力を用いてプローブパルスの
位相を変化させ、これにより、プローブパルスを制御パ
ルスＣＰ１，ＣＰ２と同期させた状態を維持する。

【００３５】図１６（ｅ）は、制御パルスＣＰ１，ＣＰ
２と異なる周波数のプローブパルス列を示す。これに対
応する応答を図１６（ｆ）に示す。プローブパルスが制
御パルスＣＰ１，ＣＰ２の周波数の倍数である周波数成
分を含まない場合、平均応答は０である。よって、検出
器の出力を用いて、制御パルスの周波数に対してロック
し、プローブパルスを制御パルスの位相に合わせて維持
することができる。

【００３６】本発明の他の用途は、時間−電圧変換器と
しての用途である。より長いプローブパルスを用いれば
（制限的な場合、連続波プローブレーザビームを含
む）、積分した総合スピン密度(integrated total spin
density)が測定される。双励起子による成分（biexcit
onic contributions）（前記Heberle等参照）からの超
高速初期変化(ultrafast initial transient)は、両パ
ルスに寄与し、相殺する。よってプローブ放射により測
定される総スピンΔＳは次式で与えられる。

【００３７】

【数２】

【００３８】ここに、Ｔ＝Ｌ／ｃは測定すべき２つの制
御パルス間の時間であり、τはスピン緩和時間（直線近
似を維持するためには測定対象の時間よりかなり大きい
必要がある）であり、Ｎは１秒当たりのパルスの個数で
あり、Ａはパルス当たりの校正スピン振幅である。この
（電子的にまたは光学的に）検出されたプローブ信号
は、パルス間の遅延時間の尺度として利用できる。

【００３９】この原理は、２つのパルス間の遅延時間の
ようなデータを符号化するために利用できる。図１７に
おいて、模式的に示したモードロックリングレーザ(mod
e locked ring laser)４７は、光学的共振リング４８
と、電光スイッチ・偏光変換器４９とを有し、入力電気
データに応答して、光ファイバのような光学的経路５０
上をリモート検出器５１へ伝送される連続的な右手およ
び左手円偏光パルスＣＰ１，ＣＰ２を生成する。リモー
ト検出器５１は、光スイッチング媒体１とレーザ５２と
を有する。レーザ５２は、プローブ放射５３の連続（ｃ
ｗ）ビームを生成する。このプローブ放射は、図７で前
述した方法で、Wollastonプリズム１９とその関連した
検出器２１ａ，２１ｂへ入射される。データ符号化につ
いて図１８に示す。連続的な数値は連続的な時間フレー
ムＴfごとに伝送される。各回のフレームは逆の円偏光
の１対のパルスＣＰ１，ＣＰ２を含む。両パルス間の遅
延は当該時間フレームのデータの数値を表わす。各時間
フレームＴfに対して、検出器４７では、スイッチング
媒体１のスピン状態がまず第１のパルスＣＰ１により第
１のスピン状態へ切り替えられ、ついで、パルスＣＰ２
により第２のスピン状態に切り替えられる。両パルスの
遅延は、データの数値の関数である。プローブ放射の偏
光面は、連続したパルスＣＰ１，ＣＰ２により２つの異
なる値の間で切り替えられ、これによって、ライン２３
上に、各時間フレームごとに伝送されるデータの値に応
じた幅を有する電気的出力パルスを生成する。この伝送
スキームは、伝送される光パルスの個数を変える従来の
データ列と比べて、伝送される平均光電力が一定である
という利点を有する。よって、従来のシステムと異な
り、光学的システムの過熱効果が低レベルに維持され、
かつ、いかなる場合も一定であり、これによって、光パ
ルスによる過熱の結果として生じうる非線形性を回避す
ることができる。長い光ファイバにわたってデータを伝
送するためには、各時間フレームＴfごとに、直交する
直線偏光のパルスを偏光保存ファイバに沿って送信し、
これらのパルスをファイバ端で円偏光に変換することが
望ましい。

【００４０】図１で説明した本発明によるスイッチデバ
イスは優秀なオンオフコントラスト比を有する。なぜな
ら、オフ状態で伝送される光の強度が偏光ビーム分離器
６の偏光比（これは１０^-6でありうる）により制限され
るからである。

【００４１】本発明の請求の範囲に記載された発明の範
囲内で多くの変形・変更が可能である。例えば、逆の円
偏光の第１および第２のパルスを用いる代わりに、直線
偏光された直交制御パルスを、これに対して４５゜ずれ
たプローブパルスとともに用いて、スピン状態のコヒー
レントな重畳から生じる、誘起された直線複屈折(linea
r birefringence)を検出するようにしてもよい。R. E.
Worsley等による"Transient Linear Birefringence in
GaAs Quantum Wells: Magnetic Field Dependence of C
oherent Exciton Spin Dynamics", Phys. Rev. Lett. 7
6, 3224 (1996)を参照されたい。

【００４２】以上から理解されるように、本発明による
スイッチは、１．３μｍおよび１．５μｍの波長帯の適
切に設計されたＩｎＧａＡｓＰデバイスを有する光ファ
イバ通信システムに用いることができる。このスイッチ
は、電子デバイス間の光学的相互接続および光学的計算
処理に利用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光スイッチの概略図である。

【図２】図１に示した光スイッチング媒体の概略断面
図である。

【図３】光スイッチング媒体内に誘起される光学的遷
移のエネルギースピン図である。

【図４】平面偏光されたプローブパルスは逆方向に円
偏光された２つのパルスとして考えることができるとい
うことを示す概略ベクトル図である。

【図５】プローブパルスの偏光について光スイッチン
グ媒体の第１のスピン状態条件の効果を説明するための
図である。

【図６】第１および第２の制御パルス間の異なる遅延
量に応じた時間の関数としてのトータルキャリアスピン
のグラフである。

【図７】検出器の他の構成を示す図である。

【図８】プローブパルスが光スイッチング媒体を通過
する構造を説明するための図である。

【図９】図１に示した制御パルス源の概略図である。

【図１０】非対称井戸構造を有する光スイッチング媒
体の概略断面図である。

【図１１】図１０に示した井戸のエネルギー図であ
る。

【図１２】光学的マイクロ空洞内に配置された量子井
戸を示す図である。

【図１３】量子井戸に平行に磁界を印加することによ
りパルス列の相互相関(cross correlation)に用いられ
る電子スピンの歳差運動を生成するスイッチの変形例の
概略図である。

【図１４】電子スピン歳差運動の概略ベクトル図であ
る。

【図１５】弱い磁界の中で、第１および第２の右およ
び左に円偏光されたパルスに応じた、時間の関数として
の光スイッチング媒体のスピン状態のグラフ（ａ）、お
よび強い磁界の中での（ａ）に相当するグラフ（ｂ）で
ある。

【図１６】本発明によるスイッチを用いた位相感応検
出器の動作を説明するための種々の波形図である。

【図１７】本発明によるスイッチを用いた光学的デー
タ伝送システムの概略図である。

【図１８】図１７の装置において送信されるデータを
符号化するために用いられる光パルス構造の説明図であ
る。

【符号の説明】

１…光スイッチング媒体（半導体デバイス）、２…制御
パルス源、４…プローブ放射源、６…偏光ビーム分離
器、８…検出器、９…電気増幅器。

フロントページの続き (72)発明者アルバートピーヘバールイギリス国、ケンブリッジシー・ビー・３０エイチ・イー、マディングレーロード（番地なし）、キャベンディッシュラボラトリー、ヒタチケンブリッジラボラトリー、ヒタチヨーロッパリミテッド内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光スイッチング媒体（１）と、第１の電荷キャリアスピン状態条件を生成するように、
第１の偏光特性の光放射の第１のパルス（ＣＰ１）を前
記スイッチング媒体へ入射する手段（２）と、第２の電荷キャリアスピン状態条件を生成するように、
異なる偏光特性の光放射の第２のパルス（ＣＰ２）を前
記スイッチング媒体へ入射する手段と、前記媒体のスピン状態条件を決定するために光プローブ
放射を前記媒体へ入射するプローブ放射源（４）と、を備える光スイッチ。
【請求項２】請求項１記載のスイッチにおいて、前記第
１のパルス（ＣＰ１）は時間とともに第１の方向へ回転
する偏光を有し、前記第２のパルス（ＣＰ２）は時間と
ともに逆の第２の方向へ回転する偏光を有する光スイッ
チ。
【請求項３】請求項２記載のスイッチにおいて、前記第
１および第２のパルスは逆方向に円偏光されているスイ
ッチ。
【請求項４】先行する請求項のいずれかに記載のスイッ
チにおいて、前記スイッチング媒体を前記プローブ放射
が通過した後の前記プローブ放射の偏光特性に応じて前
記媒体のスピン状態を決定する検出手段（６，７，８；
１９，２０，２２）を有するスイッチ。
【請求項５】請求項４記載のスイッチにおいて、前記プ
ローブ放射（Ｐ１）はパルス化されているスイッチ。
【請求項６】請求項４または５記載のスイッチにおい
て、前記プローブ放射（Ｐ１）は平面偏光され、その偏
光方向を前記スイッチング媒体のスピン状態の関数とし
て変化させるスイッチ。
【請求項７】先行する請求項のいずれかに記載のスイッ
チにおいて、前記第１のパルスにより誘起された電荷キ
ャリアスピンを前記第２のパルスにより誘起された電荷
キャリアスピンに一致させる方向に歳差運動させるため
に、前記スイッチング媒体へ磁界（Ｂ）を印加する手段
を有するスイッチ。
【請求項８】請求項７記載のスイッチにおいて、前記第
１および第２のパルス（ＣＰ１ａ，ｂ，ｃ，ＣＰ２ａ，
ｂ，ｃ）の列を前記媒体へ入射する手段と、パルス列間
の相関を求めるために印加磁界の強度を変える手段とを
有するスイッチ。
【請求項９】請求項１〜７のいずれかに記載のスイッチ
において、前記第１および第２のパルスならびに前記プ
ローブ放射（ＣＰ１ａ，ｂ；ＣＰ２ａ，ｂ；Ｐ１，Ｐ
２）の列を前記媒体へ入射する手段を有し、前記スイッ
チは、前記検出手段が前記パルス列の相対位相の関数と
しての出力を生成するように動作するスイッチ。
【請求項１０】請求項９記載のスイッチにおいて、前記
検出手段の出力に応じて、前記第１および第２のパルス
の位相に対する前記プローブパルスの位相を制御する手
段を有するスイッチ。
【請求項１１】先行する請求項のいずれかに記載のスイ
ッチにおいて、前記検出手段は、第１および第２のパル
スの間の時間遅延量の関数としての出力（２３）を生成
するよう動作するスイッチ。
【請求項１２】請求項１１記載のスイッチにおいて、前
記第１および第２のパルス間の遅延量を制御することに
よりデータを符号化する符号化手段を有するスイッチ。
【請求項１３】先行するクレームのいずれかに記載のス
イッチにおいて、前記スイッチング媒体は光学的共振空
洞（３７，３８）内に配置されるスイッチ。
【請求項１４】先行するクレームのいずれかに記載のス
イッチにおいて、前記スイッチング媒体は量子井戸構造
（１２，１３）を有するスイッチ。
【請求項１５】請求項１４に記載のスイッチにおいて、
前記量子井戸構造は、第１のスピン状態にある電荷キャ
リアのための第１の井戸（３１）と、この第１の井戸か
ら電荷キャリアが通り抜けることができる障壁手段によ
り第１の井戸から分離された第２の井戸（３４、３５）
を有するスイッチ。
【請求項１６】請求項１５に記載のスイッチにおいて、
前記第１および第２のパルスはおのおの異なるスピンの
電子−正孔対を励起(stimulate)するスイッチ。
【請求項１７】請求項１４〜１６のいずれかに記載のス
イッチにおいて、前記量子井戸構造はＧａＡｓおよびＡ
ｌＧａＡｓ材料の層（１１，１２）の周期的構造を有す
るスイッチ。
【請求項１８】前記第１および第２のパルスを生成する
手段は、実質的に直交した偏光方向を有する第１および
第２の分離パルスを平面偏光入力パルスから形成するビ
ーム分離手段（２７）と、両分離パルスの一方を他方か
ら遅延させる遅延手段（Ｍ１，Ｍ２）と、両分離パルス
を共通の光出力経路へ入射する結合手段（２８）と、両
分離パルスを逆の回転方向に円偏光させる円偏光手段と
を有するスイッチ。
【請求項１９】請求項１８に記載のスイッチにおいて、
前記円偏光手段（３０）は、前記共通出力経路内に４分
の１波長板を有するスイッチ。
【請求項２０】光スイッチング媒体のスイッチング方法
であって、第１の電荷キャリアスピン状態条件を生成す
るように第１の偏光特性の光放射の第１のパルスを前記
スイッチング媒体へ入射し、第２の電荷キャリアスピン
状態条件を生成するように異なる偏光特性の光放射の第
２のパルスを前記スイッチング媒体へ入射し、予め定め
た偏光状態の光プローブ放射を前記媒体へ入射し、前記
プローブ放射の偏光状態を監視することにより前記媒体
のスピン状態条件を決定するスイッチング方法。