(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態では第一の記憶値に対応させ得る第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る構造体を光メモリ素子として用い；
該光メモリ素子の上記界面を記憶領域として、該記憶領域に上記第一の記憶値と異なる他の記憶値を書き込む時には、該シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し該シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率からそれとは異なる他の値の複素屈折率に変化させる強度の書き込み光を予め定めた時間に亘り照射し；
上記記憶値の読み出しに際しては、該シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し、該シリコン層部材の上記光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある読み出し光を照射し、上記界面にて反射されてくる該読み出し光の上記偏光状態が、上記シリコン層部材の上記界面における上記複素屈折率が上記第一の値にあった時に対応するのか上記他の値にあるたときに対応するのかを検出することで、該シリコン層部材の該界面に書き込まれている記憶値が上記第一の記憶値であるのか上記他の記憶値であるのかを弁別的に読み出すこと；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項２】
請求項１記載の光メモリ方法であって；
上記光メモリ素子の上記記憶領域である上記界面を予め定めた時間以上に亘って予め定めた温度以上に加熱することで、上記記憶されている上記他の記憶値を消去すること；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項３】
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態では第一の記憶値に対応させ得る第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る構造体を光メモリ素子として用い；
該光メモリ素子の上記界面を記憶領域として、該記憶領域に上記第一の記憶値と異なる複数の記憶値の一つを選択的に書き込む時には、該シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し該シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値の複素屈折率に変化させる強度の書き込み光を、該強度と照射時間の組み合わせを該複数の記憶値のそれぞれに専用のものとして予め定めてある該照射時間に亘り照射し、該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率から、それとは異なり、該複数の記憶値の該一つに対応する他の値の複素屈折率に変化させ；
上記記憶値の読み出しに際しては、該シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し、該シリコン層部材の上記光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある読み出し光を照射し、上記界面にて反射されてくる該読み出し光の上記偏光状態が、上記シリコン層部材の上記界面における上記複素屈折率が上記第一の値にあった時に対応するのか上記複数の記憶値のどれかの値にあるときに対応するのかを検出することで、該シリコン層部材の該界面に書き込まれている記憶値が上記第一の記憶値であるのか該複数の記憶値のどれであるのかを弁別的に読み出すこと；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項４】
請求項３記載の光メモリ方法であって；
上記光メモリ素子の上記記憶領域である上記界面を予め定めた時間以上に亘って予め定めた温度以上に加熱することで、そのときに記憶されている上記複数の記憶値の一つを消去すること；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項５】
請求項１または３記載の光メモリ方法であって；
上記書き込み光と上記読み出し光をスポット光とし、上記シリコン層部材の上記界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的に、かつ個別に照射可能とすることで、該個々の小面積領域をそれぞれ独立な記憶領域として用いること；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項６】
請求項５記載の光メモリ方法であって；
加熱源としてスポット光である消去光を予め定めた時間以上に亘って上記小面積領域に選択的に照射し、該照射された小面積領域の温度を予め定めた温度以上に加熱することで、そのときに該小面積領域に記憶されている記憶値を消去すること；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項７】
請求項１または３記載の光メモリ方法であって；
上記書き込み光の照射される上記界面には凹凸を形成し、該書き込み光を該凹凸により複数回反射させること；
を特徴とする光メモリ方法。
【請求項８】
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態及び予め定めた温度以上に加熱された状態下では第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る構造体を光スイッチング素子として用い；
該光スイッチング素子を上記予め定めた温度以上に加熱した状態下で上記シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し、該シリコン層部材の上記光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが、該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある検出光を照射しておき；
該界面にて反射されてくる該検出光の上記偏光状態が、上記シリコン層部材の上記界面における上記複素屈折率が上記第一の値にあった時に対応する第一の偏光状態であるのか、該第一の値とは異なる他の値にあったときに対応する他の偏光状態であるのかを弁別的に検出し、それぞれに対応し、互いには異なる出力信号を選択的に出力するスイッチング判別手段を設けておいた上で；
上記光スイッチング素子の上記シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し該シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、上記界面における上記複素屈折率を上記第一の値から他の値に変化させる強度を持つスイッチング光を照射することで、該照射時にのみ、上記界面における上記複素屈折率を上記第一の値から上記他の値に変化させ、もって上記スイッチング判別手段をして上記検出光の上記偏光状態が上記他の偏光状態に変化したことを検出させ、上記出力信号を異ならせる一方で、該スイッチング光を遮断することで該スイッチング判別手段をして上記検出光の上記偏光状態が上記第一の偏光状態に戻る変化を検出させて、上記出力信号を元の値に戻させること；
を特徴とする光スイッチング方法。
【請求項９】
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態では第一の記憶値に対応させ得る第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る光メモリ素子と；
上記シリコン層部材の上記界面を記憶領域とし、上記シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介して該シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、該界面における上記複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率から該第一の記憶値とは異なる記憶値に対応させ得る他の値の複素屈折率に変化させる強度の書き込み光を照射する書き込み光源手段と；
上記シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介して該シリコン層部材の上記光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率は変化させない強度の読み出し光を照射する読み出し光源手段と；
該読み出し光源手段の出力する読み出し光が上記界面に入射する前に該読み出し光に予め定めた偏光状態を与える偏光手段と；
上記シリコン層部材の上記界面にて反射されてくる上記読み出し光に生じ得る上記偏光状態の変化を検出することで上記記憶領域に記憶されている記憶値を判別する記憶値判別手段と；
を有して成る光メモリ装置。
【請求項１０】
請求項９記載の光メモリ装置であって；
上記記憶領域である上記界面に記憶されている上記第一の記憶値とは異なる記憶値を消去するため、上記メモリ素子の上記界面を予め定めた時間以上に亘って予め定めた温度以上に加熱する加熱手段をさらに含むこと；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１１】
請求項９記載の光メモリ装置であって；
上記書き込み光と上記読み出し光はスポット光であり、上記シリコン層部材の上記界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的かつ個別に照射可能となっていることで、該個々の小面積領域がそれぞれ独立な記憶領域となっていること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の光メモリ装置であって；
上記スポット光である書き込み光および読み出し光は、光学的または機械的偏向装置により、上記個々の小面積領域を選択的に走査、照射すること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の光メモリ装置であって；
上記光メモリ素子を機械的に駆動することで、上記スポット光である書き込み光および読み出し光が上記個々の小面積領域を選択的に照射し得るようにしたこと；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の光メモリ装置であって；
加熱源としてスポット光である消去光を予め定めた時間以上に亘って上記小面積領域に選択的に照射し、該照射された小面積領域の温度を予め定めた温度以上に加熱することで、そのときに該小面積領域に記憶されている上記記憶値を消去すること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１５】
請求項９記載の光メモリ装置であって；
上記書き込み光の照射される上記界面には該書き込み光が複数回反射する凹凸が形成されていること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１６】
請求項９記載の光メモリ装置であって；
上記記憶させるべき記憶値は複数個あり、該複数個の記憶値の一つを選択して記憶させるときに、該記憶させるべき記憶値に応じて書き込み光の上記強度と照射時間の組み合わせを専用の組み合わせに可変決定する制御手段をさらに有すると共に；
上記記憶値判別手段もそれぞれの記憶値に専用に一つずつ設けられ、各記憶値判別手段はそれぞれ互いに異なる偏光状態で自身に対応付けられている偏光状態の光のみを弁別的に検出するように構成されていて；
上記シリコン層部材の上記界面にて反射されてくる上記読み出し光は、分波器を介し、上記各々の記憶値判別手段に入射すること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１７】
請求項９記載の光メモリ装置であって；
上記記憶させるべき記憶値は複数個あり、該複数個の記憶値の一つを選択して記憶させるときに、該記憶させるべき記憶値に応じて書き込み光の上記強度と照射時間の組み合わせを専用の組み合わせに可変決定する制御手段をさらに有すると共に；
上記記憶値判別手段はそれぞれ互いに異なる偏光状態の光のみを通す領域を複数有する可動手段を有していて、駆動手段により該可動手段の上記複数の領域が順に一つずつ、上記シリコン層部材の上記界面にて反射されてくる上記読み出し光の光路中に選択的に挿入されること；
を特徴とする光メモリ装置。
【請求項１８】
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態、及び予め定めた温度以上に加熱された状態下では第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る光スイッチング素子と；
該光スイッチング素子を上記予め定めた温度以上に加熱し、該シリコン層部材の上記界面における複素屈折率を上記第一の値に維持させておく加熱手段と；
上記シリコン層部材の該界面に対し、上記光透過層部材を介し、該シリコン層部材の上記光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率は変化させない強度の検出光を照射する検出光照射手段と；
該検出光が上記界面に入射する前に該検出光に予め定めた偏光状態を与える偏光手段と；
該界面にて反射されてくる検出光の偏光状態に応じて互いに異なる出力信号を選択的に出力するスイッチング判別手段と；
上記加熱手段により上記光スイッチング素子が上記予め定めた温度以上に加熱されている状態下において、一時的に上記シリコン層部材の上記界面における複素屈折率を上記第一の値から異ならせ、上記スイッチング判別手段をして上記反射されて来る検出光の上記偏光状態の変化を検出させて上記出力信号を異ならせるため、上記光スイッチング素子の上記シリコン層部材の界面に対し、上記光透過層部材を介し、該シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、該シリコン層部材の該界面における上記複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に異ならせる強度を持つスイッチング光を照射するスイッチング光照射手段と；
を有して成る光スイッチング装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の光スイッチング装置であって；
上記スイッチング光の照射される上記界面には該スイッチング光が複数回反射する凹凸が形成されていること；
を特徴とする光スイッチング装置。
【請求項２０】
請求項１８記載の光スイッチング装置であって；
上記検出光と上記スイッチング光はスポット光であって、上記シリコン層部材の上記界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的かつ個別に照射可能となっていることで、該個々の小面積領域がそれぞれ独立なスイッチング領域となっていること；
を特徴とする光スイッチング装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の光スイッチング装置であって；
上記スポット光である検出光およびスイッチング光は、光学的または機械的偏向装置により上記個々の小面積領域を選択的に走査、照射すること；
を特徴とする光スイッチング装置。
【請求項２２】
請求項２０記載の光スイッチング装置であって；
上記光スイッチング素子を機械的に駆動することで、上記スポット光である検出光及びスイッチング光が上記個々の小面積領域を選択的に照射し得るようにしたこと；
を特徴とする光スイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光メモリ技術と、これに対して派生的な関係とし得る光スイッチング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用して情報を記憶する光メモリは従来からも種々提案されている。記憶させるべき情報は一般に論理値情報、特に二値論理値情報に対応させることができ、例えばメモリ素子のある物理的状態ないし光学的状態を論理値“０”に対応させ、他の状態を論理値“１”に対応させる。しかし、従来のメモリ素子の多くは二元系、あるいは多元系の材料を必要とし、また、読み出しと書き込みの双方または少なくとも一方に関し、電界または磁界の助けを必須としている。光のみにより情報の記憶ができる素子も検討されているが、そのメモリ素子の構成材料や構成方法は極めて特殊である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、記憶、読み出しに電界や磁界を併用するものでは、実質的に情報を記憶する主要構成要素である光メモリ素子の外に、複雑で大型、高価になりがちな周辺装置を必要とし、特に電界を併用するものでは、いわゆる薄膜トランジスタ構造に代表されるような透明電極構造等も必要となり、メモリ素子単体としての製造工程自体も複雑になる。
【０００４】
一方で、光のみにより情報記憶を図るものでは、上述のように特殊な材料ないしは構造を必要とし、材料入手の困難性や、やはり製造工程上の相当な複雑化を招きやすい欠点がある。
【０００５】
本発明は主としてこれらの点に鑑みてなされたもので、書き込み及び読み出しには周辺装置簡略化のため、電界及び磁界の関与を必要とせずに光の関与のみでよく、しかも、メモリ素子材料としては最も入手し易く、かつ安価であるシリコン系材料を用い得る光メモリ方法及び装置を提供せんとするものである。シリコンテクノロジーは今日のエレクトロニクスを支える巨大産業に成長しており、これまでの累積技術開発投資額に対応する比類ない技術の集積度を誇っている。コンピュータチップに代表される集積回路技術からディスプレイ用液晶駆動薄膜トランジスタアレイに代表されるジャイアントエレクトロニクス技術に至るまで、その分野は実に幅広く、従ってシリコンをベースとする光メモリ素子であれば、これらの巨大技術体系との高い整合性を保つことができる。
【０００６】
さらに本発明では、上記の基本的な目的を達成して行く上での派生的な構成として、実質的に電界、磁界の関与を必要とせずに信号のスイッチングが行える光スイッチング方法及び装置の提供をも第二の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的を達成するため、まず、アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態では第一の記憶値に対応させ得る第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、当該第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させて、それら二つの層の間に界面を形成して成る構造体を光メモリ素子として用いる。その上で、当該光メモリ素子の界面を記憶領域とし、この記憶領域に第一の記憶値と異なる他の記憶値を書き込む時には、シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を上記第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度の書き込み光を予め定めた時間に亘り照射し、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率からそれとは異なる他の値の複素屈折率に変化させる。こうすれば、予め定めた時間を過ぎた後、書き込み光を絶ってもその状態を保たれるので、こうした状態を他の記憶値、一般には第二の記憶値の記憶状態に対応させることができる。第一の記憶値、第二の記憶値は既述の通り、通常は二値論理値を取り扱う論理回路系において論理値“０”と論理値“１”のいずれか一方に対応させることができる。
【０００８】
記憶値の読み出しに際しては、シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが、シリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある読み出し光を照射する。これにより、上記の界面にて反射されてくる読み出し光の偏光状態が、シリコン層部材の界面における複素屈折率が上記した第一の値にあった時に対応するのか他の値にあったときに対応するのかを検出することで、光メモリ素子（記憶領域である界面）に書き込まれている記憶値が第一の記憶値であるのか他の（第二の）記憶値であるのかを弁別的に読み出せる。書き込み光と読み出し光とで十分な強度差を付けることはもちろん容易であり、設計的問題である（さらに、光子エネルギ、すなわち波長を異ならせて良いことも当然であるし、パルス光等も援用でき、特に書き込み光についてのパルス光はエネルギ効率上、有用である）  。
【０００９】
また、記憶された記憶値の消去については、実質的に第一記憶値へ戻すことと考えることができ、これには光メモリ素子の記憶領域である界面を予め定めた時間以上に亘って予め定めた温度以上に加熱すれば良い。
【００１０】
さらに、書き込み光と読み出し光をスポット光とし、シリコン層の界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的かつ個別に照射可能とすることで、それら個々の小面積領域をそれぞれ独立な記憶領域として用いることもでき、これは実質的に光メモリ素子の集積化に相当する。また、大域的領域の全面に照射する場合にも、ここで述べているように小面積領域に選択的に照射する場合にも、書き込み光の照射される界面には凹凸を形成すると、書き込み光が複数回反射し得るようになり、複素屈折率の変化の程度をより短い照射時間で十分な変化にする増強効果が出る。読み出し光についても、これは当然のことながら同じ部位に照射されるので、やはり凹凸構造があればシリコン層部材界面における複素屈折率の変化の影響を大きく受け得るようになり、判別系において弁別、判断がしやすくなる。なお、消去を要する場合には、消去のための熱源としてスポット光とした消去光を用い、これを予め定めた時間以上に亘って当該小面積領域に選択的に照射し、照射された小面積領域の温度を予め定めた温度以上に加熱することで、そのときにその小面積領域に記憶されている記憶値のみを消去できる。
【００１１】
本発明の上記の構成は、いわゆる「多値論理メモリ」を構築する場合にも展開できる。本発明者の実験によれば、シリコン層部材と光透過層部材の界面に照射する書き込み光の強度と照射時間の少なくとも一方または双方、従ってそれらの組み合わせを段階的に可変すると、それぞれに応じた複素屈折率が得られる。そこで、光メモリ素子の記憶領域に上記した第一の記憶値と異なる複数の記憶値の一つを選択的に書き込む時には、シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値の複素屈折率に変化させる強度の書き込み光を、当該強度と照射時間の組み合わせをそれら複数の記憶値のそれぞれに専用のものとして、予め定めてある該照射時間に亘り照射し、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なっていて、複数の記憶値の記憶させるべき一つに対応する他の値の複素屈折率に変化させてこれを当該複数の記憶値の一つの記憶状態に対応させ、その記憶値の読み出しに際しては、シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介し、シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つがシリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある読み出し光を照射し、上記の界面にて反射されてくる読み出し光の偏光状態が、当該界面における複素屈折率が第一の値にあった時に対応するのか複数の記憶値のどれかの値にあるときに対応するのかを検出することで、メモリ素子に書き込まれている記憶値が第一の記憶値であるのか複数の記憶値のどれであるのかを弁別的に読み出すことができる。
【００１２】
上記の本発明の光メモリ方法の構成からすると、結局はシリコン層部材界面にて反射されてくる読み出し光の偏光状態の変化を検出しており、また、シリコン層部材界面の複素屈折率は、加熱により元に戻すことができる。そこで逆に、加熱手段により、シリコン層部材界面の複素屈折率が常に第一の複素屈折率を呈する温度においた時に、シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度のスイッチング光を照射すると、その時だけ、一時的にシリコン層部材界面の複素屈折率を他の値に変化させることができるようになり、スイッチング光を遮断すると直ちに、あるいは時間が掛かるにしても短い時間で元の状態に戻すことができるようになる。そこで、この事象に鑑みると、以下にまとめるような改良された光スイッチング方法も提案することができる。
【００１３】
すなわち、アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態及び予め定めた温度以上に加熱された状態下では第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、この第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る構造体を光スイッチング素子として用い；
光スイッチング素子を上記の予め定めた温度以上に加熱した状態下でシリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介し、シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つがシリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度であって、予め定められた偏光状態にある検出光を照射しておき；
当該界面にて反射されてくる検出光の偏光状態が、シリコン層部材の界面における複素屈折率が上記の第一の値にあった時に対応する第一の偏光状態であるのか、第一の値とは異なる他の値にあったときに対応する他の偏光状態であるのかを弁別的に検出し、それぞれに対応し、互いには異なる出力信号を選択的に出力するスイッチング判別手段を設けておいた上で；
光スイッチング素子のシリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度を持つスイッチング光を照射することで、当該照射時にのみ、界面における複素屈折率を第一の値から他の値に変化させ、もってスイッチング判別手段をして検出光の偏光状態が他の偏光状態に変化したことを検出させ、出力信号を異ならせる一方で、スイッチング光を遮断することでスイッチング判別手段をして検出光の偏光状態が第一の偏光状態に戻る変化を検出させて、出力信号を元の値に戻させること；
を特徴とする光スイッチング方法を提案する。
【００１４】
本発明はもちろん、装置構成としても規定できる。まず、光メモリ装置としては、
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態では第一の記憶値に対応させ得る第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、この第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る光メモリ素子と；
シリコン層部材の界面を記憶領域とし、シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介してシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から第一の記憶値とは異なる記憶値に対応させ得る他の値の複素屈折率に変化させる強度の書き込み光を照射する書き込み光源手段と；
シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介し、シリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つがシリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度の読み出し光を照射する読み出し光源手段と；
読み出し光源手段の出力する読み出し光が界面に入射する前に読み出し光に予め定めた偏光状態を与える偏光手段と；
シリコン層部材の界面にて反射されてくる読み出し光に生じ得る偏光状態の変化を検出することで記憶領域に記憶されている記憶値を判別する記憶値判別手段と；
を有して成る光メモリ装置を提案する。
【００１５】
記憶値の消去が必要な場合には（換言すると、特殊な場合、いわゆる読み出し専用メモリ的な使い方で、書き込みのみでよい場合も考えられる）、上記の構成に加えて、シリコン層部材界面を予め定めた時間以上に亘って予め定めた温度以上に加熱する加熱手段をさらに設ければよい。
【００１６】
さらに、書き込み光と読み出し光をスポット光とし、シリコン層の界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的に、かつ個別に照射可能とすると、それら個々の小面積領域をそれぞれ独立な記憶領域とすることができ、実質的にメモリ素子を集積化した構造を得ることができる。この場合、スポット光である書き込み光および読み出し光を光学的または機械的偏向装置により個々の小面積領域を選択的に走査、照射するように構成するか、光メモリ素子の方を機械的に駆動するか、あるいはそれら双方の構成を併用することで、書き込みスポット光および読み出しスポット光が個々の小面積領域を選択的に照射し得るように構成すると、実質的に書き込み及び読み出しに係る光学系を単一のもので済むようにし得る。もちろん、こうした装置構成においても、既にメモリ方法に関して述べた通り、シリコン層部材界面における凹凸構造は有利に利用できる。さらに、消去を要する場合には、熱源としてスポット光である消去光を予め定めた時間以上に亘って小面積領域に選択的に照射し、照射された小面積領域の温度を予め定めた温度以上に加熱することで、そのときにその小面積領域に記憶されている記憶値のみを消去できる。この消去光についても、書き込み光や読み出し光と同様、相対的な偏向、走査をなしてよい。
【００１７】
また、記憶させるべき記憶値を複数個とした多値論理メモリに対応させる場合には、複数個の記憶値の一つを選択して記憶させるときに、記憶させるべき記憶値に応じて書き込み光の強度と照射時間の組み合わせを専用の組み合わせに可変決定する制御手段をさらに設け、記憶値判別手段もそれぞれの記憶値に専用に一つずつ設けて、各記憶値判別手段がそれぞれ互いに異なる偏光状態で自身に対応付けられている偏光状態の光のみを弁別的に検出するように構成し、シリコン層部材の界面にて反射されてくる読み出し光は分波器を介し、これら各々の記憶値判別手段に入射するように構成することが考えられる。これに対し、記憶値判別手段は共用するならば、記憶値判別手段にそれぞれ互いに異なる偏光状態の光のみを通す領域を複数有する可動手段を設け、駆動手段により可動手段の複数の領域が順に一つずつ、シリコン層部材の界面にて反射されて来る読み出し光の光路中に選択的に挿入されるようにすればよい。
【００１８】
全く同様に、光スイッチング装置としては、本発明では、
アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態、及び予め定めた温度以上に加熱された状態下では第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材に対し、第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材を接触させ、それら二つの層の間に界面を形成して成る光スイッチング素子と；
光スイッチング素子を上記の予め定めた温度以上（第一の値の複素屈折率を呈する温度以上）に加熱し、シリコン層部材界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率に維持させておく加熱手段と；
シリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが、シリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度の検出光を照射する検出光照射手段と；
検出光が界面に入射する前に当該検出光に予め定めた偏光状態を与える偏光手段と；
界面にて反射されてくる検出光の偏光状態に応じて互いに異なる出力信号を選択的に出力するスイッチング判別手段と；
加熱手段により光スイッチング素子が予め定めた温度以上に加熱されている状態下において、一時的にシリコン層部材界面における複素屈折率を第一の値から異ならせ、スイッチング判別手段をして検出光の偏光状態の変化を検出させて出力信号を異ならせるため、光スイッチング素子のシリコン層部材の界面に対し、光透過層部材を介しシリコン層部材の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度のスイッチング光を照射するスイッチング光照射手段と；
を有して成る光スイッチング装置を提案する。
【００１９】
こうした光スイッチング装置においても、検出光とスイッチング光をスポット光とし、シリコン層の界面の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域に選択的かつ個別に照射可能とすると、それら個々の小面積領域をそれぞれ独立なスイッチング領域とすることができ、これはスイッチング素子アレイまたはスイッチング素子マトリクスに相当する集積化構造となる。スポット光である検出光およびスイッチング光は、光学的または機械的偏向装置により、個々の小面積領域を選択的に走査、照射すればよいし、これに代えて、あるいはこれに加えて、光スイッチング素子を機械的に駆動することで、スポット光である検出光及びスイッチング光が個々の小面積領域を選択的に照射し得るようにしてもよい。スイッチング光を大域的領域の全面に照射する場合にも、ここで述べているように小面積領域に選択的に照射する場合にも、スイッチング光の照射される界面には凹凸を形成すると、スイッチング光が複数回反射し得るようになり、複素屈折率の変化の程度をより短い照射時間で十分な変化にする増強効果が出る。同じ場所に照射される検出光の偏光状態の変化割合も大きくし得るので、同様に望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図１以降に即し、本発明の実施形態につき説明するが、各図を通じ、同一の符号は同一または同様でよい構成要素を示している。図１には本発明に従って構成された光メモリ装置または光スイッチング装置の概略構成図が示されているが、理解のため、先ずは光メモリ装置を提供したものとして説明する。
【００２１】
主たる構成要素の一つである光メモリ素子１０は、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコン製のシリコン層部材１１と、後述するように本装置において用いる光に対し、望ましくは極力透明な光透過層部材１２の積層構造を有しており、それらが接触して界面１３が形成されている。シリコン層部材１１は望ましくは水素化アモルファスシリコンであり、光透過層部材１２は入手のし易さ、加工のし易さ、透明性に優れることを考慮すると、ガラス、石英、サファイア材料等を挙げることができる。しかし、基本的には、光透過層部材１２は結晶であるにしろアモルファスであるにしろ、シリコン層部材１１の複素屈折率とは異なる複素屈折率を有し、少なくとも本装置で用いる光の波長域において当該光を十分に透過させ得る材料であれば良い。なお、複素屈折率の実数部である屈折率においては、一般にシリコン層部材１１よりも光透過層部材１２のそれの方が小さい。
【００２２】
製造上においては、先に用意しておいた光透過層部材１２の上にシリコン層部材１１を成膜しても良いし、逆であっても良い。既に述べたように、本発明では基本的にシリコン系材料を用いているので、こうした積層構造についても既存の成熟したシリコン系技術を最大限有効に利用し得る。何ら困難なことはなく、整合性も極めて良い。しかも、実質的に光メモリ素子１０として要求される基本構造部分はこれだけで、薄膜トランジスタ構造等に認められるような、複雑な電極作製工程等は一切、不要である。
【００２３】
ただ、光メモリ素子の物理的強度が要求される場合には、シリコン層部材１１または光透過層部材１２のいずれか一方、望ましくは光透過層部材１２の方をやや厚めに作って機械的な支持基板とし、当該必要な強度が満たされるようにするのが良い。そうした構造的要因ではなくても、本発明の場合、シリコン層部材１１の界面部分が空気層ではなく、光透過層部材１２に接していることに別の大きな意味もある。本発明に従い実用的な装置を市場に提供するに際し、後述のように記憶動作に関与するシリコン層部材１１の界面が空気層に触れているような構造では、当該界面の物理的、光学的損傷が経時的に大きくなることが予想され、到底、実用的な装置とは成り得ない。光透過層部材１２は保護部材の役目も兼ね得るのである。もっとも、予め述べておくと、光透過層部材１２の上にさらに何らかの目的で別の光透過層が形成されていても別に構わない。その層がレンズ効果を有するように加工され、後述する本発明で取り扱う光を集光する効果を有するように構成されていても良い。これは本発明を光スイッチング素子として構成する場合にも全く同様であり、いずれにしても本発明には直接の関係がないため、更なる詳しい説明は省略する。
【００２４】
しかるに、上述のような光メモリ素子１０の界面１３に対して、書き込み光源手段２１からシリコン層部材１１の光バンドギャップ（１．５ｅＶから２．１ｅｖ）よりも大きな光子エネルギ（例えば  ３ｅＶ以上）を持ち、その強度も十分な大きさの書き込み光Ｉｗを照射すると、当該界面１３におけるシリコン層部材の複素屈折率は、それまでの常態における第一の値からそれとは異なる他の値に変化する。そして、照射した書き込み光Ｉｗの強度と照射時間の一方または双方を制御手段２２により適当に定めることで、書き込み光Ｉｗを遮断しても、後述のように意図的に高温に加熱しない限り、当該界面１３における複素屈折率は元に戻らず、当該他の値に保たれる。
【００２５】
例えば、ガラス、石英、サファイアの各基板上に成膜した水素化アモルファスシリコン層部材１１を用い、それぞれ実験を行った所、特に基板の相違にはよらず変化が認められ、図２にその一例を示すように、照射した直後にミリ秒オーダ以下からかなり大きな変化が認められ始め、その後は時間の経過と共に飽和傾向になった。測定には測定光を照射してシリコン層部材界面１３からの反射波の偏光状態、特に振幅比や位相等を測定するが、得られた複素屈折率の変化は図２では等価的に計算の上、縦軸数値として擬似誘電関数の虚数部ε２’としてプロットしてあり、測定に用いた測定光の光子エネルギは  ３．６ｅＶである。また、最大変化幅について言うなら、光源として白色ランプを用い、出力約４Ｗ／ｃｍ２、照射時間を５時間としたある実験例で、略々  ２．５％に及ぶ複素屈折率の変化幅が得られた。書き込み光照射時の温度は書き込み光自体の熱エネルギにより、室温から４５℃にまで上昇したが、照射を絶ち、室温環境に戻した所、それから十数日間に亘っても殆ど変化は認めらなかった。
【００２６】
従って、常態におけるシリコン層部材界面１３での上述した第一の値の複素屈折率を第一の記憶値、例えば論理値“０”に対応させ、書き込み光Ｉｗの照射後に変化した他の値を第二の記憶値、例えば論理“１”に対応させることで（逆でも良い）、この素子１０は界面１３を記憶領域とする二値論理値メモリ素子として働くことが分かる。しかも、上述の実験結果からすると、書き込み時の諸条件を適選することで、半導体メモリ装置系に言う不揮発性メモリと略々同様のメモリを提供できる。さらに、これも後述のように、本装置は要すれば記憶論理値の消去も可能であり、消去時間も相当短くし得ることから、いわゆる書き換え可能な不揮発性メモリ（ＰＲＯＭ）  に加え、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）  ともなり得る。使用時に高温環境下におかれることが予想される場合には、半導体装置系に認められるような冷却フィンとか強制冷却ファンの採用も可能であり、記憶した記憶値の長い保存期間を保証することができる。
【００２７】
そこで次に、読み出しについて考えるに、上述のような界面における複素屈折率の変化は、そこに入射して来た光の偏光状態に変化を与える。従って、この変化を捉えることで、記憶されている記憶値を知ることができる。もちろん、この読み出し光自体は照射界面の複素屈折率に変化を与えないように、シリコン層部材１１の光バンドギャップより大きい光子エネルギを持つが（そうでないと偏光状態に変化は認められない）、その強度においてはシリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度の光とする。つまり、装置構成として言うならば、図１中に示す通り、読み出し光源手段３１からシリコン層部材１１の光バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つがシリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度の読み出し光Ｉｒを界面１３に照射する。このとき、界面１３に入射する前に、偏光子等の偏光手段３２により、予め定めた既知の偏光状態となるようにしておく。先にも述べた通り、書き込み光と読み出し光とで上述の使用目的に応じ、強度を十分異ならせることは容易、かつ設計的な問題で有り、また、光子エネルギ、すなわち波長を任意的適当なるように異ならせても良い。さらに、特に書き込み光については、そのエネルギ効率上、パルス光を用いることも有効である（読み出し光についてもパルス光の援用は可能である）。
【００２８】
界面１３にて反射された光Ｉｒ’は、偏光状態の変化を検出し得る記憶値判別手段４０にてその偏光状態を検出し、もってそのときに記憶領域（界面１３）に記憶されている記憶値が何であるのかを検出、判別する。この事自体は周知であるが、シリコン層部材界面１３への入射光が直線偏光であっても、二層構造（１１＋１２）の接触面部分の界面にて反射された光Ｉｒ’は楕円偏光（特殊な場合の円偏光を含む）となり、楕円偏光を入射しても異なる偏光状態の楕円偏光Ｉｒ’となって反射される。そして、当該界面における複素屈折率が変化すれば、当然、反射光Ｉｒ’の偏光状態も対応的に変化する。従って、入射光の偏光状態（直線偏光でも円偏光でも構わない）を既知とした上で、反射光のいわゆるｓ偏光とｐ偏光の振幅比や位相等に着目して反射光Ｉｒ’の偏光状態の変化を検出すれば、そのときに上述した記憶領域に記憶されていた記憶値が何であるのかを判別できる。読み出し光の偏光に相対的に低周波で変調を掛け、反射光の特定偏光成分の周期的時間変化の振幅、位相等から計算的に求めることもできる。そして、それらの具体的な手法は公知技術をしても種々あリ、それに応じて記憶値判別手段４０としても種々の構成を組み得る。そこでここでは、全くの一例として、ただし装置構成が簡単になる利点を狙い、界面１３にて反射された読み出し光Ｉｒ’が特定の偏光状態にある場合にのみ、これを選択的に検出する記憶値判別手段４０を組んだ例を挙げる。すなわち、図示の場合、記憶値判別手段４０はフォトダイオードとかフォトトランジスタ等、適当なる光電変換素子であってよい検出手段４１と、この検出手段４１への光路途中に配され、特定の偏光状態にある光Ｉｒ’をのみ、例えばシリコン層部材界面１３における複素屈折率が上述した第一の値にあるときにのみ、その光Ｉｒ’を通す選択用偏光手段４２を有している。特定の光のみを通す，という表現は、それ以外の光を完全に遮断することはもちろん、検出手段４１にて検出し得ないレベルないし無視し得るレベルにまで低減させることをも含む表現である。
【００２９】
このようにすることで、光メモリ素子１０に書き込み光Ｉｗが照射されたことがなく、界面１３における複素屈折率が上述した第一の値であって、反射された読み出し光Ｉｒ’の偏光状態がこのときに対応する状態であった場合には、当該読み出し光Ｉｒ’は選択用偏光手段４２を通過し、検出手段４１がこれを検出する。これに対して、書き込み光Ｉｗが照射されたことがあって、界面１３におけるシリコン層部材１１の複素屈折率が他の値に変化していた場合には、反射された読み出し光Ｉｒ’の偏光状態にも変化が生まれる結果、選択用偏光手段４２を通過することがないか、極めて低レベルにまで減衰させ得るため、検出手段４１ではこの光を検出しない状態を作ることができる。このようなメカニズムにより、本装置は光メモリ素子１０に記憶されている記憶値が第一の記憶値（例えば論理“０”）であるのか、他の記憶値（例えば論理“１”）であるのかを、検出手段４１の出力信号によって読み出すことができる。もちろん、第一の記憶値が記憶されているときに検出手段４１が読み出し光Ｉｒ’を検出せず、第二の記憶値が記憶されているときに対応する偏光状態の読み出し光Ｉｒ’のみを検出するように、選択用偏光手段４２を構成しても良い。
【００３０】
しかるに、いわゆる ROMに対応する書き換え不能な不揮発性メモリを提供すれば良い場合を除き、記憶値、特に書き込み光Iwの照射により書き込まれた記憶値は、必要に応じ、消去可能であることが望ましい。本発明のメモリ素子10における記憶値の消去は、加熱により行える。例えば界面13を80℃以上の温度に加熱すると、その温度の如何に応じた適当なる時間を経過した時点で当該界面13の複素屈折率は元の第一の値に戻る。なお、このような80℃等と言う低温が許容されることは、本願発明が記憶に相転移を利用していないことによる。ただ、加熱の時間は温度自体や書き込まれている複素屈折率の値に応じて異なり、長い場合には数時間を要することがあるが、200℃では１時間程度となり、さらに相当な高温下におくことで、短ければミリ秒オーダ以下で済む。検出系の検出感度が高く、書き込みにより変化した第一の値とは異なる複素屈折率が、当該第一の値に対して大きな相違を持たないでも良い場合には、消去時にもより短い時間で消去可能である。これはすなわち、記憶論理値の消去が合理的な時間範囲で行えることを意味し、書き換え可能な不揮発性メモリを提供する上で好都合であることを証明している。加熱には任意の手段を採用し得るが、図１に示すように、電気量を熱エネルギに変換するヒータ51であってもよいし、加熱光源52であっても良い。特に赤外線光源等を加熱手段として選ぶと、熱エネルギへの変換効率が高いので望ましい。
【００３１】
逆に、書き込み光に関しては、上述した実験例では白色光源を用いているが、シリコン層部材界面１３における吸収係数の高い紫外光等を用いると、複素屈折率の変化を起こす効果が高く、短い書き込み時間で書き込みを完了することができるし、エネルギ消費上も好ましい。書き込みに要する時間は、こうした工夫や、後に触れる構造的な工夫による場合にはもちろんのこと、そうでなくても、もう一度図２を見てみると理解されるように、実際にはかなり短い時間にし得る。照射直後の複素屈折率変化割合がかなり大きいからである。
【００３２】
すなわち、複素屈折率の変化の割合が例えば  ０．１％程度以下のオーダであっても、記憶値判別手段４０がこれを弁別的に検出し得る構成を組むことは、既存の技術でも既に可能である。従って、その程度の変化は、書き込み光の強度やそのときの周辺環境の温度、そもそもの常態におけるシリコン層部材１１の複素屈折率の値如何等、種々のパラメータにより左右されるものの、書き込み光の照射を開始してからものの１秒も経たない中に達成することもできる。サブミリ秒以下に抑え込むことも可能である。換言すれば、先に述べた通り、検出系の感度が高ければ、そうした短時間で光メモリ素子には上記に言う他の記憶値を書き込み得るのであるから、これは、不揮発性メモリとして本発明を適用する上で十分に実用に供し得る事実となる。
【００３３】
ここで、図２をさらに別の観点から見ると、複素屈折率の変化は書き込み光照射時間の経過に応じ、連続的な変化を辿っているのであるから、複素屈折率の変化の割合を何段階かに分けて検出することで、いわゆる多値論理メモリの構築が可能なことが分かる。図３は光メモリ素子の実質的な集積化構造をも示しているが、これについては後述する所とし、先ずは多値論理メモリにつき述べるに、同じ書き込み光源２１を用いていても、制御手段２２により、書き込み光Ｉｗの強度と照射時間の中、いずれか一方または双方（結局はそれらの組み合わせ）を可変すると、シリコン層部材１１の界面１３における複素屈折率もそれぞれに異なった値になる。
【００３４】
従って、記憶させるべき記憶値を上記した第一の記憶値とは別にさらに複数個規定した場合、制御手段２２により、書き込み光Ｉｗの強度と照射時間の組み合わせをそれら複数の記憶値のそれぞれに専用のものとし、そのときに記憶させるべき記憶値に対応した組み合わせで書き込み光Ｉｗを照射すれば、シリコン層部材１１の界面１３における複素屈折率は当該記憶させるべき記憶値に対応した値になる。読み出しに際しては、界面１３にて反射されてくる読み出し光Ｉｒ’の偏光状態がどの記憶値に対応するのであるかを弁別的に判断すればよい。
【００３５】
これを満たす装置構成は幾つか考えられ、記憶値判別手段４０としても既述のように様々な構成が考えられるが、図１に準ずる構成とするならば、先ず図３に示すような構成が挙げられる。界面１３にて反射された読み出し光Ｉｒ’は分波器４３に入射し、そこで記憶値の数に応じた本数に分波される。分波器４３を構成する光学要素はハーフミラーの組み合わせ構造等、既存の技術により任意に構成したものでよい。図示の場合にはその中の一本についてのみしか、後続の記憶値判別手段４０（この場合は選択用偏光手段４２と検出手段４１を含む）が示されていないが、分波された各光Ｉｒ’のそれぞれに同様の記憶値判別手段４０を設ける。しかし、各記憶値判別手段４０はそれぞれの記憶値に専用に対応させてあり、互いに異なる特定の偏光状態の光しか、検出しない。これにより、読み出し時には、そのときに界面１３に記憶されている記憶値（界面のそのときの複素屈折率）に対応した偏光状態の光Ｉｒ’は、どれか一つの記憶値判別手段によってのみ検出され、図示構成の場合で言えば、どれか一つの選択用偏光手段４２のみが有効になり、それを介して読み出し光を受ける唯一の検出手段４１のみが検出信号を出力する。つまり、どの検出手段４１が検出信号を発したかにより、そのときに記憶されていた記憶値が何であるかを知ることができる。
【００３６】
これに対し、図４は、単一の記憶値判別手段４０のみ、部品としても単一の偏光手段４２と単一の検出手段４１のみを用いればよい構成を示している。偏光手段４２はこの場合は可動手段であって円盤形状をなし、周方向に複数の扇形領域４５を有している。扇形領域４５の数は、第一の記憶値とその他の複数の記憶値の数の合計に等しく、それぞれが異なる偏光状態の光のみを通すように構成されている。本図では示していないが図３における制御手段２２により、書き込み光Ｉｗの強度と照射時間の組み合わせを複数の記憶値のそれぞれに専用のものとし、そのときに記憶させるべき記憶値に対応した組み合わせで書き込み光Ｉｗを照射して、シリコン層部材１１の界面１３における複素屈折率を当該記憶させるべき記憶値に対応した値にする。その一方、扇形領域４５の各々は、それぞれの記憶値に対応した偏光状態の光Ｉｒ’を択一的に通すように互いとは異なる特性に作られており、読み出し時には適当なる回転駆動手段により、各扇形領域４５が読み出し光Ｉｒ’の光路中に順に挿入されるように、円盤形状の偏光手段４２は矢印ｒで示す通り、比較的高速に回転させられる。従って、そのときの記憶値に対応する偏光状態の光のみを通す扇形領域４５が反射されて来た読み出し光Ｉｒ’を横切った時にのみ、検出手段４１に当該読み出し光Ｉｒ’が入力し、当該検出手段４１から有意の検出信号が発せられる。そこで、検出信号が発せられた時の扇形領域４５がどれであるのかを、適当なる回転角検出手段４４等により検出すれば、特定的にそのときに記憶されていた記憶値を知ることができる。なお、実質的に回転角検出手段４４と回転駆動手段は、部品としては同一筐体内に収められたものを入手できる。市販のパルスモータ手段等では、そもそもそのモータの駆動信号に回転角位置情報が含まれていることが多い。
【００３７】
回転駆動でなくても、直線アレイ上に複数の互いに異なる特性の偏光領域を持つ可動手段（偏光手段）を直線移動させることでも、同様の目的は達成することができる。反射されて来た読み出し光Ｉｒ’の光路中に順に挿入されたどれかの領域で当該読み出し光Ｉｒ’の透過ができ、このことを検出手段４１が検出した時点で適当なる直線位置検出手段により特定される領域がどれであるのかにより、そのときに記憶されている記憶値が何であるのかを知ることができる。いずれにしても本発明によれば、多値論理メモリを構築できることが分かる。
【００３８】
さらにまた別な観点に立つと、本発明の光メモリ装置は、書き込み光Ｉｗが照射されている部分にてのみ、シリコン層部材１１の界面１３における複素屈折率が変化する事実を利用しているのであるから、書き込み光Ｉｗをスポット光として径を十分に絞れば、記憶値を記憶させるべき単位の記憶領域の面積はきわめて小さくてよいことも意味している。読み出しについても同様で、複素屈折率の変化が起き得る微小領域にのみ、読み出し光を照射すれば事足りる。図３はこの点に注目して、本発明光メモリ装置を、実質的に複数の（望ましくは多数の）光メモリ素子が集積された構造に展開した場合をも示している。
【００３９】
すなわち、光源２１，３１として例えば半導体レーザ光源を用いれば、その出力光径はそもそも微小にし得るし、既存の光学系をしても、要すれば用いる光の波長程度にまで、さらにその径を絞ってスポット光化できる。従って、書き込み光Ｉｗをスポット光として照射すれば、シリコン層部材界面１３において実際に記憶に関与する面積領域は、そのときに当該書き込み光Ｉｗの照射されている小面積領域１５であると言える。そこで、小面積領域１５を単位の記憶領域として、ある小面積領域１５での記憶が終わったならば、例えば光メモリ素子１０を図３中に示す一次元方向Ｘに一次元走査するか、さらにはそれと直交するＹ方向も含めて適当なる機械駆動系により二次元走査すれば、他の小面積領域に新たに所望の記憶値を書き込むことができる。読み出しについても同様で、スポット光である読み出し光Ｉｒにより、狙った記憶領域１５のみからの反射光Ｉｒ’が得られ、その記憶領域の記憶値読み出しが行える。
【００４０】
光メモリ素子１０を駆動するのに代えて、書き込み、読み出しに関与する光学系全体を機械的構造体として一体にまとめて光学機構部２０とし、これを一次元走査ないし二次元走査しても同様の結果が得られる。光メモリ素子１０と光学機構部２０の双方を定めら得た手順で共に操作するようにさせても良い。
【００４１】
このように、実質的に機械的な偏向装置により、書き込みスポット光および読み出しスポット光を照射して行けば、隣り合う小面積領域１５をそれぞれ独立な単位記憶領域１５として、実質的に複数の（多数の）光メモリ素子を集積したに等しい結果を得ることができる。集積度は実質的に書き込み光と読み出し光のスポット径に大きく依存するが、既述の通り、これらは既存の技術をしても十分小さな値にすることができるので、集積度も極めて高いものにし得る。隣接記憶領域間の寸法をサブミクロンオーダにすることも十分可能である。
【００４２】
図示していないが、装置の寸法が十分に小さい場合には、光メモリ素子１０や光学機構部２０を動かさずとも、スポット光とした書き込み光及び読み出し光の光学的偏向走査によってのみでも、複数の小面積領域への選択書き込みと選択読み出しが可能となる。例えば、光学偏向装置により書き込み光が複数の小面積領域の全てを選択的に照射し得るようにすることは容易であり、また、読み出し光をそのようにすることも容易であるが、各所にて反射された読み出し光Ｉｒ’の光路はそれぞれに異なる。そこで、これを一つの選択用偏光手段と検出手段で捕らえようとすると、装置の寸法が大きく、各反射光路の距離差があまりに大きいときには、例えば凸レンズ系等、一つの集光手段では集光し兼ねる。しかし、光メモリ素子を小型にし、光学系をこれに十分近接させ得る構造を採用すれば、多少、反射光路が変わっても、適当なる集光手段で単一の記憶値判別手段４０に全ての反射光を入射させる構成が可能である。
【００４３】
さらに、図５に示すように、いわゆる既存のＣＤ−ＲＯＭに類似する構造も提案できる。光メモリ素子１０を円盤状に形成し、その中心をスピンドル５５に通して、図示しない適当なる回転駆動系により周方向Ｒに回転させる。光透過層部材１２のある側で円盤表面に対向させるように図３に示す構造と同様でよい光学機構部２０を設ければ、書き込みスポット光Ｉｗによる書き込み、読み出しスポット光Ｉｒによる読み出しを、その時々の回転角位置において光メモリ素子１０の表面の一小面積領域ごとになすことができる。さらに、光学機構部２０を全体として半径方向Ｘに移動（走査）できるようにすれば、円盤状光メモリ素子１０の周方向及び半径方向に亘る全面積領域を多数の小面積記憶領域に分割した、極めて高密度な集積化メモリ構造を得ることができる。
【００４４】
図３に示す構造の場合にも図５示す構造の場合にも、消去を要する場合、いわゆるフラッシュメモリのように、全記憶領域の記憶値を一括消去してよいのであれば、図示されているヒータ５１や加熱光源５２からの加熱光により、光メモリ素子１０の全体を常態における第一の複素屈折率に戻し得る高温におけばよい。これに対し、個々の記憶領域を選択してその領域の記憶値のみを消去したい場合には、光学機構部２０に備えさせた加熱光源５３からスポット光とした消去光Ｉｅを予め定めた時間以上に亘って小面積領域１５に選択的に照射し、照射された小面積領域の温度を予め定めた温度以上に加熱することで、そのときにその小面積領域に記憶されている記憶値をのみ、特定的に消去できる。この消去光Ｉｅも、書き込み光Ｉｗや読み出し光Ｉｒと同様に、偏向ないし走査すればよい。消去光Ｉｅの強度は、設計的に適当なる大きさに定めることができる。
【００４５】
また、記憶値の書き込みのために複素屈折率を変化させる際、その変化を効率化し、結局は高速化、低消費エネルギ化するには、既述したように書き込み光強度を調整するとか、波長の短い高エネルギ光である紫外光を用いるとかの種々パラメータ上の工夫に加え、図６に示すような構造的工夫も考えられる。ここではシリコン層部材１１と光透過層部材１２の界面１３に意図的に凹凸構造１４を形成しており、従って記憶領域である界面１３の大域的領域に一遍に書き込み光を照射する場合にも、そうではなく、図３，５に即して説明したように、複数の小面積領域に分割して多数の記憶領域の集積構造とし、スポット光化した書き込み光Ｉｗを照射する場合にも、照射された書き込み光Ｉｗが当該界面の照射部位にて凹凸構造で複数回反射されることで、その近傍での複素屈折率の変化の割合を増強することができる。読み出し光についても効果が期待でき、わずかな複素屈折率変化でも、界面１３での複数回の反射によりその変化が実質的に増幅され、選択用変更手段４２を介してその変化の有無を検出することになる検出手段４１の感度を高めることができる。これもまた、読み出し時間の高速化や低消費エネルギ化に繋がる。消去を要する場合で、かつ、スポット光化した消去光Ｉｅを用いる場合にも、やはりこうした凹凸構造により、加熱効果は増強されるので、消去時間の短縮化や低消費エネルギ化に有利である。
【００４６】
以上、本発明による光メモリ方法と装置につき、幾つかの実施形態と共に説明したが、本発明の光メモリでは、結局はシリコン層部材１１の界面１３にて反射されてくる読み出し光Ｉｒ’の偏光状態の変化を検出しており、シリコン層部材界面１３の複素屈折率は、加熱により元に戻すことができる。従ってこのような事実を逆に利用すると、光スイッチング方法ないし装置を提供できる。加熱手段により、常に第一の複素屈折率を呈する温度にシリコン層部材界面１３をおいておけば、シリコン層部材１１の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度のスイッチング光を照射した時にのみ、シリコン層部材界面１３の複素屈折率を当該他の値に変化させることができ、また、スイッチング光を遮断すると直ちに、あるいは時間があるにしても短い時間で、元の状態に戻すことができる。図１に示す装置構造は、このような光スイッチング装置１０の一実施形態を示していると見ることもできる。
【００４７】
すなわち、アモルファスまたは多結晶シリコン製で、常態及び予め定めた温度以上に加熱された状態下では第一の値の複素屈折率を有するシリコン層部材１１に対し、この第一の値の複素屈折率とは違う値の複素屈折率を有する光透過層部材１２を接触させ、それら二つの層の間に界面１３を形成して成る構造体を光スイッチング素子１０とする。このような積層構造自体に対する種々の配慮は、既に光メモリ装置としての当該構造に関し、色々述べた所をそのままに援用できる。特に断らない限り、光メモリに関しての既述した種々の説明は、ここで述べている光スイッチング装置にも適用できる。主たる相違は、各構成要素の使い方や使う順番にある。
【００４８】
動作を追いながら説明すると、適当なる加熱手段からの熱エネルギ、例えば加熱光源５２からの光による熱エネルギとかヒータ５１からの熱エネルギを印加して、光スイッチング素子１０の界面１３を常態における第一の複素屈折率を呈する温度以上に常に置いておく。
【００４９】
その一方で、シリコン層部材１１の界面１３に対し、光透過層部材１２を介し、シリコン層部材１１の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギを持つが、シリコン層部材の界面における複素屈折率は変化させない強度の検出光Ｉｒを検出光照射手段３１から照射しておく。ただし、当該界面に入射する前に、この検出光Ｉｒが予め定めた既知の偏光状態になるように、必要な偏光状態を与える偏光手段３２を用いる。
【００５０】
界面１３にて反射されてくる検出光Ｉｒ’の偏光状態は、既に述べたように界面１３におけるシリコン層部材１１の複素屈折率に依存するが、これが第一の複素屈折率にあったときに当該反射されて来る読み出し光Ｉｒ’を検出するように判別系（スイッチング判別手段４０）を組む。スイッチング判別手段の構成は記憶値判別手段に関して既述した通り、やはり種々考えられるが、例えば図示のように、当該第一複素屈折率に対応する偏光状態の光のみを透過する選択用偏光手段４２を介し、適当なる光電変換手段であってよい検出手段４１がこれを捉えるようにする。
【００５１】
ここで、シリコン層部材の界面１３に対し、光透過層部材１２を介し、シリコン層部材１１の光学バンドギャップよりも大きい光子エネルギで、かつ、シリコン層部材の界面における複素屈折率を第一の値の複素屈折率から、それとは異なる他の値に変化させる強度のスイッチング光Ｉｗを制御手段２２の制御の下にスイッチング光照射手段２１から照射すると、当該スイッチング光Ｉｗの照射時にのみ、界面１３における複素屈折率を第一の値から他の値に変化させることができ、そうなれば当然、界面１３にて対応する偏光状態に変わって反射されて来る検出光Ｉｒ’をスイッチング判別手段４０が検出できないようにし得る。例えば図示構成の場合、反射されて来る偏光状態の変わった読み出し光Ｉｒ’は、選択用偏光手段４２を通過しないか、少なくともそのレベルが大いに低減され、検出手段４１はこれを検出できないようにし得る。つまり、光を検出した時に第一の信号として例えば有意の電圧信号を出力し、そうでないときには第二の信号として例えば接地レベルの電圧信号を出力するように検出手段４１が構成されていれば、スイッチング光Ｉｗを照射したときにのみ、検出手段４１からの出力信号に変化を与えることができ、光スイッチング機能を満たすことができる。スイッチング光Ｉｗを遮断すれば、速やかに界面１３の複素屈折率を下の第一の複素屈折率に戻すことができる。
【００５２】
もちろん、信号の対応関係は逆であっても良く、選択用偏光手段４２はスイッチング光Ｉｗの印加がなく、単に光スイッチング素子１０が加熱されているときに反射されて来る読み出し光Ｉｒ’は透過せず、スイッチング光Ｉｗが照射されたときの界面１３の複素屈折率の変化に応じて変化した偏光状態で反射されて来る読み出し光Ｉｒ’のみを透過するように構成しても良い。また、スイッチング判別手段４０は既述したように他の形態であってもよく、要は反射されて来る読み出し光Ｉｒ’の偏光状態の変化を検出、弁別できれば良い。
【００５３】
スイッチング時間はオフからオンへのオン遷移（第一の複素屈折率からの変化を起こす遷移）の場合にも、逆のオフ遷移の場合にも、パラメータを適選することにより、かなり高速にし得る。例えば８０℃程度の温度ではスイッチング光Ｉｗを遮断しても元の第一複素屈折率に戻るのに相当な時間がかかるが、かなりな高温にすれば秒単位以下にし得、検出系の選択用偏光手段４２の特性や検出手段の検出閾値の設定如何により、ミリ秒オーダ以下にての出力信号のスイッチングも可能となる。原則として、既述した光メモリ素子の場合にも、素子損傷、破壊を起こさない範囲で高温にする程、記憶されていた記憶値の消去時間も短くし得、従って光スイッチング素子とする場合にも、素子に損傷、破壊を起こさない範囲で高温に保つ程、オフ遷移のスイッチング時間も短くし得る。上限は専ら実用的な装置とする上で許容され得る温度をどの位にするかによる。しかし、そもそも光スイッチング素子自体は小型にし得るし、界面近傍の温度のみを局所的に加熱して置けばよいので、素子や光学系を収めた筐体の外側ではそれ程には高温にならない状態を生起することも容易に考えられ、先に少し述べたように、この筐体に対しては空冷フィン構造を適用したり、強制空冷を図ったりしても良い。また、既に述べたように、オン遷移の場合、スイッチング光Ｉｗ照射直後の変化割合が極めて大きいので、検出系の感度を上げれば相当に短い時間でスイッチング判別手段４０から出力される検出信号の立ち上がりを早めることができる。
【００５４】
こうした光スイッチング装置においても、実質的に複数ないし多数の光スイッチング素子を集積化した構造を得ることができる。すなわち、図３において分波器４３と光学機構部２０上の加熱光源５３を除けば、そうした構造となる。つまり、光源として半導体レーザ装置を用いるか、適当なる収束手段を用いる等して検出光Ｉｒとスイッチング光Ｉｗをスポット光とし、シリコン層部材界面１３の大域的面積領域中にあって互いに独立な複数の小面積領域１５に選択的に、かつ個別にこれらを照射可能とすると、それら個々の小面積領域１５をそれぞれ独立なスイッチング領域とすることができ、スイッチング素子アレイないしスイッチング素子マトリクス相当の集積化構造となる。スポット光化された検出光Ｉｒおよびスイッチング光Ｉｗで、光学的または機械的偏向装置により、図中のＸ方向またはこれに加えて直交するＹ方向にも個々の小面積領域を選択的に走査、照射すればよいし、これに代えて、あるいはこれと共に、光スイッチング素子１０をＸ方向に、またはこれに加えて直交するＹ方向にも機械的に駆動することで、スポット光である検出光及びスイッチング光が個々の小面積領域を選択的に照射すればよい。
【００５５】
さらに、光メモリ装置に関し、既に図５に即して説明したような構造も同様に採用できる。ただし、光学機構部２０から発せられる選択消去用の消去光Ｉｗは必要ない。光スイッチング装置とする場合には、加熱手段５１により、いわば常に記憶値が消去された状態を第一状態とするからである。操作は同様で、光スイッチング素子１０を円盤状に形成し、その中心をスピンドル５５に通して、図示しない適当なる回転駆動系により周方向Ｒに回転させる。光透過層部材１２のある側で円盤表面に対向させて、搭載された加熱光源５３がない外は図３に示す構造と同様でよい光学機構部２０を設け、スイッチング光Ｉｗによる選択的なスイッチング指令、検出光Ｉｒ’による選択的な検出を、その時々の回転角位置において光スイッチング素子１０の表面の一小面積領域ごとになすことができる。さらに、光学機構部２０を全体として半径方向Ｘにも移動、走査できるようにすれば、円盤状光スイッチング素子１０の周方向及び半径方向に亘る全面積領域を多数の小面積スイッチング領域に分割した、極めて高密度な集積化光スイッチング構造を得ることができる。
【００５６】
図６に示して既に述べた凹凸構造１４もまた、光スイッチング装置を構成する上でも有用である。光メモリ装置に関して述べた既述の理由と同様の理由により、スイッチング光Ｉｗに対する反応が増し、界面にて反射された検出光Ｉｒ’に及ぼす偏光状態の変化の割合を大きくし得るので、高速化、低消費エネルギ化が果たせる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、技術が既に熟成期にあるシリコン技術を利用して、簡単な製造工程、入手し易い材料を用いて電界、磁界の関与を伴わずに書き込み、読み出しの行える不揮発性光メモリや、同様に電界、磁界の関与を必要とせずに信号スイッチングの行える光スイッチング装置を提供でき、各種回路技術の進歩に大いに寄与し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい一実施形態における光メモリ装置ないし光スイッチング装置の概略構成図である。
【図２】書き込み光照射による複素屈折率変化の模様を説明する一例としての特性図である。
【図３】本発明の他の実施形態における光メモリ装置ないし光スイッチング装置の概略構成図である。
【図４】複数の互いに異なる偏光状態にある読み出し光を弁別的に検出するための構成部分の一例における概略構成図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態における光メモリ装置ないし光スイッチング装置の概略構成図である。
【図６】光メモリ素子ないし光スイッチング素子において複素屈折率の変化や反射された読み出し光の偏光状態変化を増強するための構造に関する説明図である。
【符号の説明】
１０  光メモリ素子または光スイッチング素子
１１  シリコン層部材
１２  光透過層部材
１３  界面
１４  凹凸構造
１５  小面積領域（記憶領域またはスイッチング領域）
２０  光学機構部
２１  書き込み光源またはスイッチング光照射手段
２２  制御手段
３１  読み出し光源または検出光照射手段
３２  偏光手段
４０  記憶値判別手段またはスイッチング判別手段
４１  検出手段
４２  選択用偏光手段
４３  分波器
４４  回転角検出手段
４５  扇形領域
５１  ヒータ
５２，５３  加熱光源
Ｉｗ  書き込み光またはスイッチング光
Ｉｒ  読み出し光または検出光
Ｉｒ’反射された読み出し光または検出光
Ｉｅ  消去光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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