(57)【要約】【課題】  高速光メモリ素子において、メモリ素子の速度を高めるため、光パルスは、電気信号に変換されることなくすべて光学的に非常に高速で記録され、読み取られる。光誘導スピン蓄積が記録に用いられる。【解決手段】  強磁性金属が、高速メモリ素子として作用する光導波路に組み込まれる。強磁性金属は、片側は導体、もう片側は後に導体が続くトンネル障壁の間に挟まれている。上記２つの導体間には電圧が印加される。データの記録には、光誘導スピン偏極トンネリングおよびスピン蓄積が任意に用いられる。光誘導スピン偏極トンネリングは、円偏光の吸収により生ずる。蓄積されたスピンのトルクによって、強磁性金属の磁化は、反転される。読み取りには、半導体と強磁性金属との混成物におけるファラデー回転または非可逆性損失／利得が用いられる。【選択図】  図４
2006018964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのクラッド領域、
該クラッド領域間に組み込まれ、該クラッド領域よりも屈折率の高いコア領域、
該コア領域及び該コア領域近傍の該クラッド領域からなる光導波路、
該クラッド領域またはコア領域内に組み込まれた強磁性金属領域、
第一導電領域及び第二導電領域並びに
該第一導電領域及び第二導電領域間に挿入された非導電トンネル障壁領域
を包含する不揮発性光メモリ素子において、
該金属領域は、該第一導電領域と該障壁領域との間に挿入されており、
該金属領域は、該導波路内を伝搬する光が該金属領域を貫通するように、該導波路である該コア領域内又は該コア領域に十分密接した該クラッド領域内に配置されており、
該強磁性金属領域の大きさ及び形は、該強磁性金属領域が単磁区状態にあるように形成されており、
データは、該強磁性金属領域の２つの相反する磁化方向によってメモリ素子に記憶されることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項２】
光の照射がなければ上記強磁性金属領域から上記第二導電領域へのトンネリングが小さくなるように、上記第一導電領域に負電圧を、該第二導電領域に正電圧を印加する行程と、
入力光パルスを光導波路に結合して円偏光にされたパルスによって上記メモリ素子を照射する行程であって、
該円偏光パルスは、該強磁性金属領域の電子をより高いエネルギー準位に励起し、光パルスの偏波は、該励起された電子が同じスピン偏極、すなわちアップスピンであるように作用し、
該励起されたアップスピン電子は、該強磁性金属領域から該第二導電領域へとトンネリングし、
非スピン偏極電子、すなわち該アップスピン電子およびダウンスピン電子の両者が該第一導電領域から該強磁性金属領域へと流れるようになされた行程と、
該強磁性金属領域にダウンスピン電子を蓄積する行程と、
該蓄積されたダウンスピン電子のトルクにより、該強磁性金属領域の磁化を反転させる行程
とを包含する、光パルスの到着による強磁性金属領域の磁化反転を用いて請求項１に記載のメモリ素子に円偏波パルスを記録する方法。
【請求項３】
光の照射がなければ上記強磁性金属領域から上記第二導電領域へのトンネリングが小さくなるように、上記第一導電領域に正電圧を、該第二導電領域に負電圧を印加する行程と、
入力光パルスを光導波路に結合して円偏光された入力パルスによって上記メモリ素子を照射する行程であって、
円偏光パルスは該第二導電領域の電子をより高いエネルギー準位に励起し、光パルスの偏波は、該励起された電子が同じスピン偏極、すなわちアップスピンであるであるように作用し、
該励起されたアップスピン電子は、該第二導電領域から該強磁性金属領域へとトンネリングし、
非スピン偏極電子、すなわちアップスピン電子およびダウンスピン電子の両者は、該強磁性金属領域から該第一導電領域へと流れるようになされた行程と、
該強磁性金属領域にアップスピン電子を蓄積する行程と、
該蓄積されたアップスピン電子のトルクにより、該強磁性金属領域の磁化を反転させる行程
とを包含する、光パルスの到着による強磁性金属領域の磁化反転を用いて請求項１に記載のメモリ素子に円偏波パルスを記録する方法。
【請求項４】
請求項２に記載の記録方法を用いた請求項１に記載の不揮発性光メモリ素子において、
上記強磁性金属領域は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金を含み、
上記第一導電領域は、ｐ型半導体からなり、
上記第二導電領域は、ｎ型半導体からなる
ことを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項５】
請求項３に記載の記録方法を用いた請求項１に記載の不揮発性光メモリ素子において、
上記強磁性金属領域は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金を含み、
上記第一導電領域は、ｐ型半導体からなり、
上記第二導電領域は、ｐ型半導体からなる
ことを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項６】
請求項４に記載の不揮発性光メモリ素子において、上記トンネル障壁領域は、強磁性金属領域とｎ型半導体とのショットキー接触によって形成されていることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項７】
請求項１又は４から６のいずれかに記載された不揮発性光メモリ素子、遅延素子、入力導波路及びクロックパルス導波路とを含むことを特徴とするメモリ装置。
【請求項８】
請求項７に記載されたメモリ装置に光データパルス列を記録する方法であって、
該入力導波路に光データパルスの入力列を結合し、クロックパルス導波路ラインにクロックパルスを結合する行程と、
該入力導波路及びクロックパルス導波路を光素子に連結することによって、各メモリ素子に光データパルスの入力列及びクロックパルスを連結する行程であって、
上記入力列パルスとクロックパルスは、直線偏波であると共に互いに直交しており、
上記入力列パルスとクロックパルスの振幅は同じになるようになされており、
上記入力列パルスとクロックパルスとの間には四分の一波長の位相差があり、
これによって上記入力パルスとクロックパルスとが結合されて円偏波パルスを形成し、
各メモリ素子においては、メモリ素子の入力において上記入力パルス列のパルスの１つと同じ時間に上記クロックパルスが到着するようにクロックパルスが遅延し、ひとつのメモリ素子から次のメモリ素子までは、上記入力パルス列のパルス周期に等しい時間だけ上記入力パルス列に比例して上記クロックパルスが遅延する行程
とを包含する光データパルス列を記録する方法。
【請求項９】
請求項７に記載のメモリ装置において、上記入力導波路及び上記クロックパルス導波路に光利得が供給されることを特徴とするメモリ装置。
【請求項１０】
請求項１又は４から６のいずれかに記載された不揮発性光メモリ素子において、該メモリ素子は、読み取り導波路を含み、該導波路は、強磁性金属の磁化方向と垂直の方向を向いており、該導波路のコア層の内側に位置する作用領域からは光利得が供給され、上記利得は、ある磁化方向には光が吸収され、これと反対の磁化方向には光が増幅されるようになされており、上記メモリ素子に記憶されるデータによって、光が上記読み取り導波路を通過する又は停止することを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載のメモリ素子を含む請求項７に記載のメモリ装置であって、該メモリ装置は、遅延素子、出力導波路及びクロックパルス導波路を含む読み取り素子を有し、クロックパルスは、各メモリ素子に結合されるとともに各メモリ素子を通過し、該出力導波路及び該クロックパルス導波路を各メモリ素子に連結することによって該出力導波路に結合され、ひとつのメモリ素子から次のメモリ素子までは、出力パルス列のパルス周期に等しい時間だけ該クロックパルスが遅延し、上記メモリ素子に記憶されるデータによって上記クロックパルスがメモリ素子を通過又は停止し、これにより該パルス列内の一連のパルスはメモリセル内に記憶されたデータに対応することを特徴とするメモリ装置。
【請求項１２】
請求項１又は４から６のいずれかに記載された不揮発性光メモリ素子において、該メモリ素子は、読み取り導波路を有し、該読み取り導波路は強磁性金属の磁化方向に沿った方向を向いており、上記強磁性金属領域は、上記導波路のクラッド領域の内側に位置しており、該メモリ素子を通るパルスは、強磁性金属のファラデー効果により偏波回転を受け、上記偏波回転の方向は、強磁性金属の磁化方向に対応することを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の不揮発性光メモリ素子において、上記読み取り導波路及び記録導波路は、同じ導波路が用いられることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項１４】
請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子において、上記強磁性金属は上記導波路のコア領域内に位置することを特徴とする不揮発性メモリ素子。
【請求項１５】
請求項１１に記載の不揮発性メモリ素子を含む請求項７に記載のメモリ装置であって、上記メモリ装置は、遅延素子、出力導波路、クロックパルス導波路、解析器、偏波器及び偏波回転子を含む読み取り素子を有し、該解析器の軸は該偏波器の軸と垂直であり、該偏波回転子の回転角度は、該メモリ素子の読み取り導波路を通過する光に対する偏波回転角度と同じであり、該偏波器を通るクロックパルスは、該クロックパルス導波路に結合され、各メモリ素子の該読み取り導波路を通る遅延クロックパルスは、上記出力導波路に結合され、出力パルス列は、該解析器が後に続く偏波回転子によって得られ、ひとつのメモリ素子から次のメモリ素子までは、出力パルス列のパルス周期に等しい時間だけ該クロックパルスが遅延し、偏波回転の方向が該偏波回転子による回転とは反対であるようなメモリセルに対しては、該メモリ素子及び該偏波回転子を通るパルスの偏波回転角度は全体として０度であり、したがって、該パルスは、上記解析器によって停止され、偏波回転の方向が該偏波回転子による回転と同じであるようなメモリセルに対しては、該メモリ素子及び該偏波回転子を通るパルスの偏波回転角度は、全体として０度ではなく、したがって、該パルスは、該解析器を通過し、これにより上記パルス列内の一連のパルスがメモリセル内に記憶されたデータに対応することを特徴とするメモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、光コミュニケーションシステムおよびその他の同様な光アプリケーションシステムに不可欠な要素を構成する高速光メモリ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速不揮発性光メモリは、光ネットワークにとって非常に重要なものである。受信や記憶、再送といった高速データ処理は、光ネットワークサーバーの主要機能である。したがって高速光メモリは、光ネットワークの構成要素の中で最も重要な要素のひとつである。図１は、たとえば光インターネットなどの光ネットワークにおいて用いられるデータの典型的な形式を示す。データは、パッケージごとに送られる。パッケージ内においては、パルス間の時間間隔は非常に短くなっている（数ピコセカンド程度）。これに対し、パッケージ間の時間間隔は比較的長い（数百ピコセカンドまたは数ナノセカンド程度）。サーバーはパッケージを受け取り、ルート決定を行って所定の目的地に上記パッケージを再送する。本願発明によれば、上記のような形式のデータを記録し、記憶し、再送することが可能となる。
【０００３】
下記特許文献１においては、ループ構造における光信号の記憶方法が述べられている。この方法によれば、光ループ内に一定量の情報を記憶することができる。下記特許文献２および特許文献３においては、半導体光増幅器を特徴とするＭａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ干渉計を用いた光メモリ装置が開示されている。また、下記特許文献４は、不揮発性高速光メモリ素子も開発されている。
【０００４】
下記特許文献４においては、データの記録には、光パルスによって強磁性金属が加熱されることにより強磁性金属の保磁力が変化する効果を利用している。本願発明においては、データの記録には強磁性金属の光誘導磁化反転を用いている。電流誘導磁化反転については、すでに理論的にも（非特許文献１、２参照）実験的にも（非特許文献３，４，５参照）証明されている。スピン偏極された電流が第一の強磁性金属から第二の強磁性金属に流れると、第二の強磁性金属内にスピン蓄積が発生する。蓄積されたスピンのトルクの下では、第二の強磁性金属の磁化は第二の強磁性金属の磁化と並行して反転される。
【０００５】
下記特許文献４においては、光メモリ素子からのデータの読み取りにはトンネル磁気抵抗電極が用いられている。本願発明では、メモリ素子からの高速データ読み取りには、強磁性金属半導体ハイブリッド増幅器における磁気光偏波回転（特許文献５、非特許文献６参照）を用いている。また本願発明では、データの読み取りには、強磁性金属半導体ハイブリッド増幅器における光利得の磁化方向への依存（非特許文献７参照）を用いている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，７４０，１１７号
【特許文献２】米国特許第５，９９９，２８４号
【特許文献３】米国特許第６，６４７，１６３号
【特許文献４】日本特許出願２００３−３２８８９５号
【特許文献５】米国特許第５，５９８，４９２号
【非特許文献１】J. C. Slonczewski、「Journal ofMagnetism and Magnetic Materials」、第159巻、L1-L7頁、1996年；
【非特許文献２】J. Z. Sun、「PhysicalReview B」、第62巻、570-578頁、2000年7月
【非特許文献３】J. Z. Sun、「Journal ofMagnetism and Magnetic Materials」、第202巻、157頁、1999年；
【非特許文献４】F. J. Albert、N. C. Emley、E. B. Myers、D. C. Ralph
【非特許文献５】R. A. Buhrman、「PhysicalReview Letters」、第89巻、226802頁、2002年11月
【非特許文献６】J. M. Hammer、J. H. Abeles、D. J. Channin、「IEEE Photon. Technol. Lett.」、第9巻、631-633頁、1997年5月
【非特許文献７】W. ZaetsおよびK. Ando、「IEEE Photon. Technol. Lett.」、第11巻、1012-1014頁、1999年8月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、光コミュニケーションリンクのための高速光記録および読み取りを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明によると、データの記録・読み取り速度が拡張される。光データの不揮発性記憶が可能となる。本願発明は、上記の目的を達成するために以下の技術を提供する。すなわち、
（１）  本願発明は、高速メモリ素子を提供する。該素子は、２つのクラッド領域、該クラッド領域よりも屈折率の高いコア領域及び該コア領域からなる光導波路から成る。ただし、光の大部分は、クラッドにより反射されながらコア領域を進行するが、微小部分は、クラッド内を進行する。強磁性金属領域の大きさは、強磁性金属領域が単磁区状態にあるように十分小さくなっている。強磁性金属領域は、導波路内を伝搬する光が強磁性金属領域を貫通するように、上記導波路のコア領域に十分密接したクラッド内に、もしくは上記コア領域内に形成される。また強磁性金属は、第一導電領域と第二導電領域に続くトンネル障壁との間に挟まれている。データは、強磁性金属領域の２つの相反する磁化方向によってメモリ素子に記憶される。
（２）  強磁性金属内の光誘導スピン蓄積を用いた高速メモリ素子の記録方法を提供する。第一導電領域と第二導電領域との間には電圧が印加される。円偏光入力パルスは、強磁性金属によって吸収される。上記円偏光入力パルスは、スピン偏極電子をより高いエネルギー準位に励起する。上記電子は、トンネル障壁を通って第二導電領域へとトンネリングする。両スピン偏極による電子は、第一導電領域から強磁性金属へと流れる。したがって、強磁性金属内にはスピンが蓄積される。蓄積されたスピンのトルクにより、上記強磁性金属の磁化が反転される。
（３）  強磁性金属内の光誘導スピン蓄積を用いた高速メモリ素子の記録方法を提供する。第一導電領域と第二導電領域との間には電圧が印加される。円偏波光入力パルスは、第二導電領域によって吸収される。上記円偏波光入力パルスは、第二導電領域においてスピン偏極電子をより高いエネルギー準位に励起する。上記電子は、第二導電領域からトンネル障壁を通って強磁性金属へとトンネリングする。両スピン偏極による電子は、強磁性金属から流れる。したがって、強磁性金属内にはスピンが蓄積される。蓄積されたスピンのトルクにより、上記強磁性金属の磁化が反転される。
（４）  強磁性金属と半導体との混成物における光利得の強磁性金属の磁化方向への依存を用いた高速メモリ素子の読み取り方法を提供する。
（５）  強磁性金属における偏波回転方向の強磁性金属の磁化方向への依存を用いた高速メモリ素子の読み取り方法を提供する。
（６）  光パルス列の記録および読み取りが可能である高速メモリ素子（１）を一組含む高速光メモリを提供する。対応するメモリ素子を選択してパルス列内の各パルスの読み取りおよび記録を行う際には、遅延クロックパルスが用いられる。直線偏波されたクロックパルスおよび直線偏波された入力パルスからの円偏波パルスの構造により、メモリ素子への高速データの記録が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本願発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、従来技術であり、光コミュニケーションリンクにおいて用いられるパルス間のタイミングを示す概略図である。ｔｐｕｌｓｅｓは、１つのパッケージ内におけるパルス間の短い間隔を表し、ｔｐａｃｋａｇｅｓはパッケージ間の比較的長い時間間隔を表す。図１は、たとえば光インターネットなどの光ネットワークにおいて用いられるデータの典型的な形式を示す。データは、パッケージごとに送られる。パッケージ内においては、パルス間の時間間隔は非常に短くなっている（数ピコセカンド程度）。これに対し、パッケージ間の時間間隔は比較的長い（数百ピコセカンドまたは数ナノセカンド程度）。サーバーはパッケージを受け取り、ルート決定を行って所定の目的地に上記パッケージを再送する。本願発明によれば、上記のような形式のデータを記録し、記憶し、再送することが可能となる。
【００１０】
図２は、本願発明の光メモリ素子を示す概略図である。本願発明の光メモリ素子は、強磁性金属の組み込まれた光リブ導波路からなる。この導波路は、２つのクラッド領域（５）及び（７）間に挟まれたコア領域（６）から形成される。光は、リブに沿ってコア領域（６）内を伝搬する。また光は、クラッド領域（５）を貫通して強磁性金属と相互に作用し合う。データは、２つの相対する磁化方向を通して磁化容易軸に沿って強磁性金属に記憶される。強磁性金属は、片側を第一の導電領域（１）に、他方側を第二の導電領域（２）に続くトンネル障壁（４）によって囲まれている。上記第一の導電領域と第二の導電領域との間には、電圧が印加される。
【００１１】
図３は、本願発明のメモリ素子の記録方法（強磁性金属によって光が吸収される場合）を示す概略図である。強磁性金属付近の導電領域には負電圧が印加される。この領域は電子のソースである。トンネル障壁付近の導電領域には正電圧が印加される。これは電子のドレーンである。強磁性金属は、データパルスの円偏波光によって照射される。円偏波光は強磁性金属によって吸収される。強磁性金属領域においては光が吸収されるため、スピン偏極された電子が励起される。励起されたスピン偏極電子は、トンネル障壁をトンネリングしてドレーン内へ入る。スピン偏極されていない電流は、強磁性金属からソース領域へと流れる。強磁性金属内にはスピンの蓄積がある。この蓄積されたスピンのトルクにより強磁性金属の磁化が反転され、データが記憶される。
【００１２】
図４は、本願発明のメモリの記録方法（強磁性金属（１０）によって光が吸収される場合）を示すバンド図および動作原理を示す。強磁性金属付近の導電領域（９）には、負電圧が印加される。この領域は電子のソースである。トンネル障壁（１１）付近の導電領域（１２）には正電圧が印加される。これは電子のドレーンである。トンネル障壁は、光照射がなければトンネル障壁を通過する電流がないように十分な高さを有する。データパルスの円偏波光（８）によりが強磁性金属（１０）が照射されると、該円偏波光は、強磁性金属によって吸収される。強磁性金属領域においては光が吸収され、これによってスピン偏極された電子（アップスピン電子）が励起される。励起されたスピン偏極電子は、トンネル障壁（１５）をトンネリングしてドレーン内へ入り、電子の流れが発生する。強磁性金属からドレーンへの電流は、スピン偏極され（アップスピンのみ）、ソースから強磁性金属への電流は、スピン偏極されない（スピンアップとスピンダウンの両方）ため、強磁性金属内にはスピンの蓄積が存在する（スピンダウン蓄積）。この蓄積されたスピンのトルクにより強磁性金属の磁化が反転され、データが記憶される。
【００１３】
図５は、強磁性金属領域における光誘導スピン蓄積（強磁性金属によって光が吸収される場合）を示す概略図である。強磁性金属（２０）からドレーンへは、スピンアップ電流のみが流れる。ソースから強磁性金属へは、スピンアップ電流とスピンダウン電流とが流れる。したがって、強磁性金属領域にはスピンダウン電子が蓄積される。
【００１４】
図６は、本願発明のメモリ素子の記録方法（ソース領域によって光が吸収される場合）を示す概略図である。トンネル障壁（２５）付近の導電領域（２６）には負電圧が印加される。この領域は電子のソースである。強磁性金属付近の導電領域（２３）には正電圧が印加される。これは電子のドレーンである。ソース領域は、データパルスの円偏波光によって照射される。円偏波光はソース領域によって吸収される。ソース領域においては光が吸収されるため、スピン偏極された電子が励起される。励起されたスピン偏極電子は、トンネル障壁をトンネリングして強磁性金属領域内へ入る。スピン偏極されていない電流は、強磁性金属からドレーン領域へと流れる。強磁性金属内にはスピンの蓄積が存在する。この蓄積されたスピンのトルクにより強磁性金属の磁化が反転され、データが記憶される。
【００１５】
図７は、本願発明のメモリの記録方法（ソース領域によって光が吸収される場合）を示すバンド図および動作原理を示す。トンネル障壁付近の導電領域には、負電圧が印加される。この領域は電子のソースである。強磁性金属付近の導電領域には正電圧が印加される。これは電子のドレーンである。トンネル障壁は、光による照射がなければトンネル障壁を通過する電流がないように十分な高さを有する。ソース領域は、データパルスの円偏波光によって照射される。円偏波光はソース領域によって吸収される。ソース領域においては光が吸収され、これによってスピン偏極された電子（アップスピン電子）が励起される。励起されたスピン偏極電子は、トンネル障壁をトンネリングして強磁性金属内へ入り、電子電流が発生する。ソースから強磁性金属への電流はスピン偏極され（アップスピンのみ）、強磁性金属からドレーンへの電流はスピン偏極されない（スピンアップとスピンダウンの両方）ため、強磁性金属内にはスピンの蓄積がある（スピンアップ蓄積）。この蓄積されたスピンのトルクにより強磁性金属の磁化が反転され、データが記憶される。
【００１６】
図８は、強磁性金属領域における光誘導スピン蓄積（ソース領域によって光が吸収される場合）を示す概略図である。ソースから強磁性金属へは、スピンアップ電流のみが流れる。強磁性金属からドレーンへは、スピンアップ電流とスピンダウン電流とが流れる。したがって、強磁性金属領域にはスピンアップ電子が蓄積される。
【００１７】
図９は、ソースおよびドレーンが半導体からなる図４で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。強磁性遷移金属（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなど）はｐ型半導体とオーム接触を形成するため、ソース材料はｐ型半導体からなる。強磁性金属とソースとの間にはオーム接触が形成される。ドレーンはｎ型半導体からなる。ドレーンおよびソースの両者の半導体バンドギャップエネルギーは、ソースおよびドレーンが光を吸収しないよう十分に高くなっている。光は、強磁性金属のみが吸収する。
【００１８】
図１０は、ソースおよびドレーンが半導体からなる図７で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。ソースおよびドレーンは、両者共にｐ型半導体からなる。強磁性金属とソースとの間にはオーム接触が形成される。ドレーンのバンドギャップエネルギーは、ドレーンが光を吸収しないよう十分に高くなっている。ソースのバンドギャップエネルギーは、光の光量子エネルギーと等しいか、またはこれよりも低くなっている。したがって光は、ソース領域内の電子を価電子帯から導電帯へと励起する。このような構造は半導体のバンド間遷移の寿命が長いため、スピン蓄積の効率が高くなる。
【００１９】
図１１は、ソースおよびドレーンが半導体からなり、トンネル障壁が金属と半導体とが接触しているショットキー障壁によって形成されているような、図４で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。ソースは、ｐ型半導体からなり、ドレーンは、ｎ型半導体からなる。強磁性遷移金属（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなど）は、ｐ型半導体とオーム接触を形成し、ｎ型半導体とショットキー接触を形成するため、ドレーンと強磁性金属との境界には障壁が存在するが、ソースと強磁性金属との境界には障壁が存在しない。
【００２０】
図１２は、本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置にパルス列を記録する方法を示す概略図である。メモリ素子には、「セル１」、「セル２」、「セル３」、「セル４」という番号が付されている。入力導波路は２つあり、１つはデータパルスの入力用、もう１つはクロックパルス用である。クロックパルスと入力パルスの偏波は、互いに直交していなければならない。本図においては、入力パルスの偏波は「ＴＥ」、クロックパルスの偏波は「ＴＭ」とする。各メモリ素子は、入力パルスおよびクロックパルスによって照射される。セルからセルまでは、クロックパルスは入力パルスの周期に等しい付加遅延を有する。第一のセルについては、クロック時間は入力パルスの第一パルスと同じ時間に到着する。第二のセルについては、クロック時間は入力パルスの第二パルスと同じ時間に到着し、以下同様である。入力パルスの位相は、入力パルスの位相に比例して、波長周期の四分の一ずつずれる。入力パルスとクロックパルスの強度は等しくなっている。したがって各セルにおいては、ＴＥ偏波入力パルスと四分の一周期移相されたＴＭ偏波クロックパルスとが結合されて、円偏波パルスを形成する。円偏波パルスはメモリ素子の強磁性金属の磁化を反転させる。
【００２１】
図１３は、異なるセルにおける入力パルス列およびクロックパルスの時間図を示す概略図である。入力パルスおよびクロックパルスの偏波は、互いに直交している。セル１については、クロックパルスおよび第一入力パルスは同時に到着する。その偏波および位相は、円偏波パルスを形成するようになされている。円偏波パルスは、スピンアップ電子のみを励起する。これによりスピン蓄積が生じ、強磁性金属の磁化反転が起こる。第一入力パルスのデータは、このようにしてセル１に記憶される。次に、第二パルス、第三パルスおよび第四パルスが直線偏波され、これによりスピンアップ電子とスピンダウン電子とが等しく励起される。第二、第三および第四パルスは、セル１の強磁性金属の磁化には影響を及ぼさない。セル２についてはクロックパルスが遅延するため、クロックパルスと第二入力パルスとが同時にセル２に到着する。その偏波および位相は、円偏波パルスを形成するようになされている。円偏波パルスは、スピンアップ電子のみを励起する。これによりスピン蓄積が生じ、強磁性金属の磁化反転が起こる。第二入力パルスのデータは、このようにしてセル２に記憶される。第一、第三、第四のパルスは直線偏波され、これによりスピンアップ電子とスピンダウン電子とが等しく励起される。上記第一、第三、第四のパルスは、セル２の強磁性金属の磁化には影響を及ぼさない。
【００２２】
図１４は、本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置からの読み取り方法を示す概略図である。強磁性金属の磁化容易軸は、読み取りラインの導波路と垂直の方向を向いている。強磁性金属による吸収を補正するため、光利得が供給される。すでに示されているように（W. Zaets and K. Ando、「IEEE Photon. Technol. Lett.」、第11巻、1012-1014頁、1999年8月）、この場合、光は強磁性金属の磁化方向によって吸収または増幅される。たとえば図１４においては、磁化が左向きであれば光は増幅され、磁化が右向きであれば光は吸収される。クロックパルスは各メモリ素子を通って出力導波路に結合される。クロックパルスはメモリセルごとに異なる遅延を有しているため、パルス列は出力ラインを形成する。パルス列中の一連のパルスは、メモリセルに記憶されたデータに対応する。
【００２３】
図１５は、本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置からの読み取り方法を示す概略図である。強磁性金属の磁化容易軸は、読み取りラインの導波路に沿った方向を向いている。光の偏波は、強磁性金属の磁化方向によって時計回りまたは反時計回りの方向に回転する。クロックパルスは各メモリ素子を通って出力ラインに結合される。クロックパルスはメモリセルごとに異なる遅延を有しているため、パルス列は出力ラインを形成する。共通の出力ラインには、後に解析器が続くもうひとつのセル（「共通セル」）がある。解析器の軸は、偏波器の軸と垂直になっている。共通セルの磁化はたとえば伝搬方向に沿ったものであり、偏波回転は時計回りである。磁化方向が伝搬方向と反対で偏波回転が反時計回りであるようなメモリセルについては、パルスはこのセルを通過し、共通セルでは全体として偏波回転は行われない。したがって解析器によって妨げられる。磁化方向が伝搬方向に沿っていて偏波回転が時計回りであるようなメモリセルについては、パルスはこのセルを通過し、共通セルでは全体としてゼロではない時計回りの偏波回転が行われる。したがって解析器を通過する。このように、解析器より後ろのパルス列中の一連のパルスは、メモリセルに記憶されたデータに対応する。
【００２４】
以上、詳細に説明したように、本願発明によれば以下のような効果を奏することができる。すなわち、
１．非常に高速な光データの記録および読み取りが可能となる。
２．光コミュニケーションリンクにおいて不揮発性メモリを用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】先行技術を示し、光コミュニケーションリンクにおいて用いられるパルス間のタイミングを示す概略図である。
【図２】本願発明の光メモリ素子を示す概略図である。
【図３】本願発明のメモリ素子の記録方法（強磁性金属によって光が吸収される場合）を示す概略図である。
【図４】本願発明のメモリの記録方法（強磁性金属によって光が吸収される場合）を示すバンド図および動作原理を示す。
【図５】強磁性金属領域における光誘導スピン蓄積（強磁性金属によって光が吸収される場合）を示す概略図である。
【図６】本願発明のメモリ素子の記録方法（ソース領域によって光が吸収される場合）を示す概略図である。
【図７】本願発明のメモリの記録方法（ソース領域によって光が吸収される場合）を示すバンド図および動作原理を示す。
【図８】強磁性金属領域における光誘導スピン蓄積（ソース領域によって光が吸収される場合）を示す概略図である。
【図９】ソースおよびドレーンが半導体からなる図４で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。
【図１０】ソースおよびドレーンが半導体からなる図７で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。
【図１１】ソースおよびドレーンが半導体からなり、トンネル障壁が金属と半導体とが接触しているショットキー障壁によって形成されているような、図４で述べたメモリ素子の記録方法を示すバンド図および動作原理を示す。
【図１２】本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置への記録方法を示す概略図である。
【図１３】異なるセルに対する入力パルスおよびクロックパルスの時間図を示す概略図である。
【図１４】本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置からの読み取り方法を示す概略図である。強磁性金属の磁化容易軸は、読み取りラインの導波路と垂直の方向を向いている。
【図１５】本願発明のメモリ素子を４つ含むメモリ装置からの読み取り方法を示す概略図である。強磁性金属の磁化容易軸は、読み取りラインの導波路に沿った方向を向いている。
【符号の説明】
【００２６】
１：  ソース
２：  ドレーン
３：  強磁性金属
４：  トンネル障壁
５：  導波路のクラッド
６：  導波路のコア
７：  導波路のクラッド
８：  円偏光入力
９：  ソース
１０：  強磁性金属
１１：  トンネル障壁
１２：  ドレーン
１３：  ソース
１４：  強磁性体
１５：  障壁
１６：  ドレーン
１７：  トンネリング
１８：  蓄積スピン
１９：  スピン独立電流
２０：  強磁性体
２１：  スピン偏極トンネリング
２２：  円偏光入力
２３：  ドレーン
２４：  強磁性金属
２５：  トンネル障壁
２６：  ソース
２７：  ドレーン
２８：  強磁性体
２９：  障壁
３０：  ソース
３１：  トンネリング
３２：  蓄積スピン
３３：  スピン独立電流
３４：  強磁性体
３５：  スピン偏極トンネリング
３６：  ソース  ｐ型半導体
３７：  強磁性体
３８：  障壁
３９：  ドレーン  ｎ型半導体
４０：  ドレーン  ｐ型半導体
４１：  強磁性体
４２：  障壁
４３：  ソース  ｐ型半導体
４４：  ソース  ｐ型半導体
４５：  強磁性体
４６：  ドレーン  ｎ型半導体
４７：  クロックパルス  ＴＭ偏波
４８：  遅延
４９：  遅延
５０：  遅延
５１：  遅延
５２：  入力  ＴＥ偏波
５３：  セル１
５４：  セル２
５５：  セル３
５６：  セル４
５７：  セル１
５８：  ＴＭ偏波  クロック
５９：  円偏波パルス
６０：  ＴＥ偏波  入力
６１：  時間
６２：  セル２
６３：  ＴＭ偏波  クロック
６４：  円偏光パルス
６５：  ＴＥ偏波  入力
６６：  時間
６７：  セル３
６８：  ＴＭ偏波  クロック
６９：  ＴＥ偏波  入力
７０：  時間
７１：  セル４
７２：  ＴＭ偏波  クロック
７３：  円偏光パルス
７４：  ＴＥ偏波  入力
７５：  時間
７６：  アウト
７７：  クロックパルス  イン
７８：  遅延
７９：  遅延
８０：  遅延
８１：  アウト
８２：  解析器
８３：  クロックパルス  イン
８４：  偏波器
８５：  遅延
８６：  遅延
８７：  遅延
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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