(57)【要約】【課題】半導体上に強磁性体が形成された不揮発性光メモリ素子において、光により該強磁性体の磁化を読み出す場合に、該強磁性体の容積サイズが小さくなると磁気光学的応答が非常に小さくなるという問題があったので、不揮発性光メモリ素子の読み出しに有効なメモリ素子とメモリデバイス及び読み出し方法を提供する。【解決手段】光導波路に接続される半導体上に強磁性体が形成された構造の不揮発性光メモリ素子において、該強磁性体を経由して半導体に電子を注入することで、該強磁性体の磁化方向に応じてスピン偏極した電子が注入され、光磁気効果の効果的な領域を拡大することができる。該不揮発性光メモリ素子に電気パルスと光パルスを印加することにより、強磁性体に磁化方向により記録されているデータを効果的に読み出す。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不揮発性光メモリ素子であって、
光導波路と、該光導波路に接続される半導体増幅領域と、該半導体増幅領域の上に形成される単磁区構造の強磁性体と、該半導体増幅領域を挟んで該強磁性体とは反対側に配置された電極とを備え、
該電極と該強磁性体間に電圧を印加して、該強磁性体から半導体増幅領域に、該強磁性体の磁化方向に応じてスピン偏極した電子を注入し、
前記半導体増幅領域により光磁気効果の効果的な領域を拡大することを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項２】
請求項１において、前記半導体増幅領域は、ｎ型半導体、ｉ型半導体、ｐ型半導体の３層からなり、前記強磁性体は、前記半導体増幅領域の前記ｎ型半導体側に配置され、前記電極は、前記ｐ型半導体側に配置されることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項３】
請求項１において、前記強磁性体は、強磁性体金属からなり、２つの安定した磁化方向を持ち、該磁化方向の向きによりデータを記録することを特徴とする不揮発性光メモリ素子。
【請求項４】
請求項１に記載された前記不揮発性光メモリ素子に記録されたデータを読み出す方法であって、
電気パルスを、前記電極と前記強磁性体の間に印加する工程と、
光パルスを前記光導波路を介して、前記半導体増幅領域に入射させる工程と、
出力側に出た光パルスの強度を読み出す工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
【請求項５】
請求項４において、前記電気パルスと前記光パルスのタイミングは、光パルスが電気パルスより遅れるようにし、該遅れは、半導体増幅領域におけるスピン偏極の緩和時間よりも短くすることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
【請求項６】
請求項４において、前記光パルスは、直線偏光した光であり、半導体増幅領域を通過すると、偏光方向が前記強磁性体の２つの反対向きの磁化方向のいずれかに応じて回転されることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
【請求項７】
請求項４において、光偏光子を通過させた後の出力側に出た光の強度は、前記強磁性体の磁化方向に対応していることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
【請求項８】
請求項１に記載された不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えることを特徴とするメモリデバイス。
【請求項９】
請求項８において、前記光導波路は、前記光パルス源と前記不揮発性光メモリ素子とを接続するとともに、１つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように、光路長が調整されて、メモリデバイスの出力側で束ねられていることを特徴とするメモリデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載された不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えるメモリデバイスからデータを読み出す方法であって、
電気パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に印加する工程と、
光パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に供給する工程と、
連続する光パルス列の強度を読み出す工程と、
を含むことを特徴とするメモリデバイスからデータを読み出す方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入を利用したスピン−光子メモリ等の不揮発性光メモリ素子、該不揮発性光メモリ素子からのデータの読み出し方法、該不揮発性光メモリ素子からなるメモリデバイス、及び該メモリデバイスからのデータの読み出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速不揮発性光メモリは光ネットワークにおいて非常に重要なものである。データの受信、記録、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な機能である。現在、光電子変換器と結合された電気的メモリがこの機能のために使用されている。そして光電子変換器がデータ処理の速度を制限している。より高速な動作のためには、高速不揮発性光メモリが必要である。
【０００３】
特許文献１において、ループ構造に光信号を記録する方法が述べられている。この方法は、光ループ内に一定量の情報を記録出来ることを示している。特許文献２及び特許文献３においては、半導体光増幅器を構成要素とするＭａｃｈ−Ｚｅｎｄｅｒ型干渉計を用いた光メモリ装置が述べられている。これらの装置の動作速度に関する主な制約は、半導体内における電子のサブバンド間遷移時間がかなり長いことからくる。又これらのメモリは揮発性であるので、データを短時間のみしか記録できない欠点を有している。高速不揮発性光メモリ素子は本発明者の特許文献４（米国特許では特許文献５）に述べられている。このメモリ素子の主な長所は動作速度が非常に早いことである。
【０００４】
発明者らは非特許文献１において、記録速度が１ＴＢｉｔ／ｓｅｃ以上であるメモリを提案した。図１はこのメモリの原理を示している。このメモリデバイスは半導体基板上にミクロンサイズの多数のメモリセルが集積化された構造からなる。１ビットのデータが各メモリセルに記録されている。各セルは、半導体光検出器２と強磁性体金属のナノ磁石１で構成されている。ナノ磁石は、シングルドメイン（単磁区構造）状態をとる微少サイズの強磁性体である。ナノ磁石１は２つの安定した磁化方向を有する。データはナノ磁石１の磁化方向として記録される。データを記録するために、光パルスによってナノ磁石の磁化の方向は反転される。円偏光された光パルスは半導体光検出器に吸収され、スピン偏極された電子を創生する。
【０００５】
電圧を印加すると、これらのスピン偏極電子は光検出器２からナノ磁石１に注入される。スピン偏極電流がそのスピン角運動量をナノ磁石の磁気運動量に移行する結果、スピン移行トルクが発生する。トルクが十分大きければ磁化は反転し、データは記録される。光子によるスピン偏極の高速スイッチングがこのメモリの主要な利点であるので、このメモリをスピン−光子メモリと呼ぶ。スピン−光子メモリに記録されたデータを読み出すために、磁気光学効果を使うことができる。ナノ磁石が光導波路の近くに置かれた時は、光導波路を通過する光の損失は、ナノ磁石の２つの相反する磁化方向で異なっている（非特許文献２や３参照）。そのため、メモリに記録されているデータを出力側の光の強度を測定することにより、読み出すことが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５７４０１１７号明細書
【特許文献２】米国特許第５９９９２８４号明細書
【特許文献３】米国特許第６６４７１６３号明細書
【特許文献４】特開２００６−０１８９６４号公報
【特許文献５】米国特許第７１７１０９６号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｖ．Ｚａｙｅｔｓ，  Ｋ．Ａｎｄｏ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９４，１２１１０４  （２００９）
【非特許文献２】Ｗ．Ｚａｅｔｓ（ザエツ  バディム）ａｎｄ  Ｋ．Ａｎｄｏ，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ．１１，１０１２  （１９９９）
【非特許文献３】Ｖ．Ｚａｙｅｔｓ，  Ｋ．Ａｎｄｏ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８６，２６１１０５  （２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１のメモリ素子を作製してその特性を調べた。３μｍ×８μｍのサイズと３μｍ×４μｍのサイズのＦｅで作製されたナノ磁石が埋め込まれたＡｌＧａＡｓ光導波路の場合を説明する。図２には、埋め込まれたナノ磁石と接合したＡｌＧａＡｓ光導波路における光の透過度が、光の伝搬する方向に直角な方向に印加された磁場の関数として、示されている。埋め込み構造は、ＡｌＧａＡｓリブ光導波路のコア層に１２０ｎｍの深さのピットを湿式エッチングでつくり、約４０ｎｍのＦｅを蒸着してナノ磁石を作製したものである。
【０００９】
図２（ａ）は、ナノ磁石のサイズが３μｍ×８μｍの場合を示し、（ｂ）は３μｍ×４μｍのサイズの場合を示す。ここで、光の伝搬方向に沿った方向を長さといい、その方向に直交する方向を幅とするとき、（幅）×（長さ）のサイズの場合を示す。測定には８７０ｎｍの波長のレーザーが使用された。図２（ａ）のＮは、ノイズを示し、Ｓは磁気光学信号を示している。図２のようにはっきりとしたヒステリシス曲線が得られた。この測定結果は、この光導波路における光損失は、ナノ磁石の２個の互いに反対向きの磁化方向で異なること、かつナノ磁石の磁化は光導波路を通過した光によって読み出すことが出来ることを実証したものである。また、ナノ磁石のサイズが小さくなるとループの振幅が減少していることがわかる。
【００１０】
図３（ａ）（ｂ）は、異なるサイズのナノ磁石の磁気光学信号の振幅とＳＮＲ（ＳＮ比）の値を示している。ここで、図３（ａ）（ｂ）の横軸は、メモリ素子の光の伝搬方向に沿った方向を長さとする、ナノ磁石の長さ（Length  of  metal  pillar）である。図３（ａ）には、ナノ磁石を埋め込んだＡｌＧａＡｓ光導波路における磁気光学信号が、ナノ磁石の長さの関数として示されている。磁気光学信号は図２（ａ）の方法で検出された。図３（ｂ）には、ナノ磁石を埋め込んだＡｌＧａＡｓ光導波路におけるＳＮＲが、ナノ磁石の長さの関数として示されている。
【００１１】
図３に図示されたように、磁気光学信号は、ナノ磁石のサイズが減少すると線型的に減少している。ナノ磁石のサイズが光の波長と同じ程度になると磁気光学信号とＳＮＲは急激に減少する。それは、磁気光学信号が磁気光学材料の容積に比例しているからである。ＳＮＲは長いナノ磁石では約１０ｄＢである。しかし、ナノ磁石の長さが１μｍ以下になると急激に減少する。これらの実験結果は、光導波路を通過した光によるナノ磁石の磁化を効果的に読み出すには、ナノ磁石のサイズは数μｍより大きくなければならないことを示している。
【００１２】
しかし、メモリ素子に記録するにはナノ磁石のサイズが０．２μｍ以下でなければならないという問題があった。スピン−光子メモリに高速でデータを記録することができるのは、ナノ磁石のサイズが、２００ｎｍ×２００ｎｍ以下の場合のみである（非特許文献１参照）。一方、スピン−光子メモリに記録されたデータを安定して読み出すにはＳＮＲは大きくなければならない。図３（ａ）（ｂ）に示された実験データより、ナノ磁石のサイズが２００ｎｍ以下の場合は、磁気光学信号とＳＮＲの高い値を得ることは困難である。
【００１３】
本発明の目的は、この問題を解決し、ナノ磁石のサイズが２００ｎｍより小さい場合でも光導波路を通過した光によってナノ磁石の磁化を読み出すことができるようにすることである。このように、スピン−光子メモリに記録されているデータを高速で読み出すためには、磁気光学効果を用いてナノ磁石の磁化方向を読み出すことが必要であるが、ナノ磁石はサイズが非常に小さいので、ナノ磁石の磁気光学効果は非常に小さくなってしまい、十分なＳＮＲ値でナノ磁石の磁化方向を読み出すことが非常に困難であった。
【００１４】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、ナノ磁石の磁化を光で読み出すのに有効な不揮発性光メモリ素子を提供することを目的とするものである。また、本発明は、スピン−光子メモリに記録されているデータを、高速でかつ安定して読み出すこと方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、多数のスピン−光子メモリ素子を持ったメモリデバイスを提供するとともに、該メモリデバイスから高速でデータを読み出す有効的な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、シングルドメイン（単磁区構造）状態をとる微少サイズの強磁性体であるナノ磁石から半導体へのスピン注入を行うことにより、光を用いてナノサイズの磁石の磁化方向を読み出す不揮発性光メモリ素子、該不揮発性光メモリ素子からデータを読み出す方法、該不揮発性光メモリ素子からなるメモリデバイス、及び該メモリデバイスからデータを読み出す方法を提供する。
【００１６】
本発明では、あるスピン偏極を持った電子がナノ磁石経由で半導体に注入される。ナノ磁石の磁化と同一方向のスピンを持つ注入電子の数は、反対方向のスピンを持つ注入電子の数とは等しくないので、半導体領域を通過する光は、磁気光学効果を受ける。さらに、半導体領域にスピン偏極した電子が拡がることで、磁気光学の有効な領域は広くなり、大きな磁気光学信号が発生する。
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００１８】
本発明の不揮発性光メモリ素子は、光導波路と、該光導波路に接続される半導体増幅領域と、該半導体増幅領域の上に形成される単磁区構造の強磁性体と、該半導体増幅領域を挟んで該強磁性体とは反対側に配置された電極とを備えることを特徴とする。また、本発明の不揮発性光メモリ素子は、電極と該強磁性体間に電圧を印加して、該強磁性体から半導体増幅領域に、該強磁性体の磁化方向に応じてスピン偏極した電子を注入し、前記半導体増幅領域により光磁気効果の効果的な領域を拡大することを特徴とする。ここで、単磁区構造（シングルドメイン）状態をとる微少サイズの強磁性体を、ナノ磁石とも呼ぶ。ナノ磁石の磁化は、２つの安定した磁化方向をとる。本発明では、前記強磁性体のサイズが２００ｎｍ×２００ｎｍ以下のナノのサイズであることが好ましい。
【００１９】
本発明の不揮発性光メモリ素子は、前記メモリ素子の出力側に光偏光子を位置させることを特徴とする。また、本発明の前記半導体増幅領域は、ｎ型半導体、ｉ型半導体、ｐ型半導体の３層からなることを特徴とする。また、本発明の前記強磁性体は、前記半導体増幅領域の前記ｎ型半導体側に接続され、前記電極は、前記ｐ型半導体側に接続されることを特徴とする。また、本発明の前記強磁性体は、強磁性体金属からなり、２つの安定した磁化方向を持ち、該磁化方向の向きによりデータを記録することを特徴とする。
【００２０】
本発明の方法は、前記不揮発性光メモリ素子に記録されたデータを読み出す方法であって、電気パルスを、前記電極と前記強磁性体の間に印加する工程と、光パルスを前記光導波路を介して、前記半導体増幅領域に入射させる工程と、出力側に出た光パルスの強度を読み出す工程とを含むことを特徴とする。また、本発明の方法は、前記電気パルスと前記光パルスのタイミングは、光パルスが電気パルスより遅れるようにし、該遅れは、半導体増幅領域におけるスピン偏極の緩和時間よりも短くすることを特徴とする。また、本発明の方法は、前記半導体増幅領域で、光パルスの偏光は、前記強磁性体の磁化方向に対応して回転することを特徴とする。また、本発明の方法は、前記光パルスは、直線偏光した光であり、半導体増幅領域を通過すると、偏光方向が前記強磁性体の２つの反対向きの磁化方向のいずれかに応じて回転されることを特徴とする。また、本発明の方法は、光偏光子を通過させた後の出力側に出た光の強度は、前記強磁性体の磁化方向に対応していることを特徴とする。
【００２１】
本発明のメモリデバイスは、前記不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えることを特徴とする。また、本発明のメモリデバイスにおいて、前記光導波路は、前記光パルス源と前記不揮発性光メモリ素子とを接続するとともに、１つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように、光路長が調整されて、メモリデバイスの出力側で束ねられていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の方法は、前記不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えるメモリデバイスからデータを読み出す方法であって、電気パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に印加する工程と、光パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に供給する工程と、連続する光パルス列の強度を読み出す工程とを含むことを特徴とする。また、本発明の方法は、前記光パルス列の個々の光パルスの強度は、それぞれの不揮発性光メモリ素子に記録されたデータに対応していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のメモリ素子は、単磁区構造（シングルドメイン）状態をとる微少サイズの強磁性体であるナノ磁石から、半導体へのスピン注入を行うことにより、半導体領域を通過する光が、磁気光学効果を受けるものであり、さらに、半導体領域にスピン偏極した電子が拡がることで、磁気光学効果の有効な領域が広くなり、大きな磁気光学信号が発生する効果がある。従来に比べ磁気光学効果の有効容積を非常に大きくすることができる。従来の磁気光学信号の読み出しであると、２００ｎｍ×２００ｎｍ以下のサイズのナノ磁石の場合では、出力が得られなかったのに比べ、本発明のメモリ素子を用い、電気パルスの印加によりナノ磁石から半導体へのスピン注入を行うことにより、磁気光学信号の出力を増大させることができ、データの読み出しが可能となった。また、半導体内の増幅領域を拡大することにより、より大きな磁気光学信号を発生させることができる。本発明のメモリ素子を多数備え、光パルス源と光メモリ素子とを接続する光導波路を、１つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように光路長を調整して出力側で束ねようにしたので、本発明のメモリデバイスから、連続するパルス列により高速でデータを読み出すことができる。また、本発明のメモリデバイスは、電気パルスと光パルスの印加により、ナノサイズのメモリ素子の磁化方向を磁気光学効果により、光パルス列の強度として読み出すことができ、より高速でＳＮ比の高い読み出しができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術を説明する図。
【図２】異なるサイズのナノ磁石の磁場と透過度の関係を示す図。
【図３】ナノ磁石の長さと磁気光学信号又はＳＮＲの関係を示す図。
【図４】本発明の原理を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の不揮発性光メモリ素子からデータを読み出す原理を説明する図。
【図６】本発明の第２の実施の形態のメモリデバイスからデータを読み出す方法を説明する図。
【図７】本発明の不揮発性光メモリ素子の実施例１の図。
【図８】本発明の不揮発性光メモリ素子の実施例２の図。
【図９】本発明の不揮発性光メモリ素子の実施例３の図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明では、ナノ磁石の磁気光学的応答を増加させるために、ナノ磁石を経由して半導体に電子を注入する。注入された電子のスピンの数は、ナノ磁石の磁化方向と同じ向きのスピンと、反対方向のスピンとで、その数が異なっている。半導体内の互いに反対方向のスピンの数の違いが、半導体内で大きな磁気光学効果を引き起こす。さらに、半導体内で、大きな容積に電子が拡がっていくので、磁気光学効果の有効容積は非常に大きくなる。このことから、本発明では、高いＳＮＲでナノ磁石の磁化を読み出すことができる。
【００２６】
本発明の原理について図４を参照して述べる。図４の模式図は、半導体中でスピン偏極した電子により光が増幅される原理を示している。ｃｂは伝導帯を、ｖｂは価電子帯を、ＬＣは左円偏光した光を、ＲＣは右円偏光した光を示す。図４（ａ）のように、伝導帯の電子が上向きにスピン偏極している場合は、左円偏光した光のみ増幅される。図４（ｂ）のように、伝導帯の電子が下向きにスピン偏極している場合は、右円偏光した光のみが増幅される。このように光が増幅される領域を半導体増幅領域と呼ぶ。この光選択則により、上向きにスピン偏極している電子が半導体増幅領域に注入されたときは、左円偏光した光のみ増幅される。一方、下向きにスピン偏極している電子が半導体増幅領域に注入されたときは、右円偏光した光のみが増幅される。直線偏光した光が、スピン偏極電子が注入された光増幅器により増幅されるとき、その偏光面は回転される。以下、本発明の実施の形態について述べる。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態における不揮発性光メモリ素子は、光導波路と、半導体増幅領域と、ナノ磁石と、電極（電気コンタクト）と、光偏光子より構成されている。前記光導波路は、２層のクラッド領域間に埋め込まれたコア領域からなり、コア領域の屈折率はクラッド領域の屈折率よりも高い。前記半導体増幅領域は、ｎ型半導体、ドーピングされてない半導体、ｐ型半導体の３層からなっており、光の出入りする光導波路に接続されている。ここで、シングルドメイン（単磁区構造）状態をとる微少サイズの強磁性体を、ナノ磁石と呼ぶ。前記強磁性体のサイズは２００ｎｍ×２００ｎｍ以下のナノのサイズである。ナノ磁石の磁化は、磁化容易軸方向に沿って、２つの安定した磁化方向をとる。前記ナノ磁石は、半導体増幅領域の上に形成され強磁性体金属からなり、半導体増幅領域の前記ｎ型半導体側に接している。電極は、前記ｐ型半導体側に接続される。光偏光子は、メモリ素子の出力側に位置している。
【００２８】
前記メモリ素子に、データが、ナノ磁石の２つの反対向きの磁化方向を利用して、記録される。ｐ型半導体側の電極とナノ磁石間に電圧を印加すると、電子が半導体増幅領域に注入され、前記半導体増幅領域による光学利得を得ることができる。
【００２９】
ナノ磁石から半導体増幅領域に注入された電子のスピンの量は、ナノ磁石の磁化方向と平行のスピンと、反平行のスピンとで、その量が異なっている。半導体増幅領域で平行なスピンと反平行なスピンの量が異なる時、半導体増幅領域の光学利得は、右円偏光の光と左円偏光の光では異なってくる。このことから、直線偏光した光は、半導体増幅領域を通過するとその偏光方向を回転させる。このように、偏光の回転方向は、ナノ磁石の２つの反対向きの磁化方向により異なる。
【００３０】
メモリ素子の出力側においては、光偏光子の光軸を調整して、ナノ磁石の特定の一つの磁化方向に対しては光を完全に遮断し、反対の磁化方向に対しては、光を遮断しないか部分的に通すようにする。
【００３１】
本発明の第１の実施の形態について、図５を参照して具体的に述べる。図５に、本発明のメモリからデータを読み出す基本的構成を示す。本発明の不揮発性光メモリ素子であるスピン−光子メモリは、光導波路４と、光導波路４から光が入射される半導体からなる光増幅器３と、半導体の一方の側にナノ磁石１が配置され、他方の側に電極９が配置されている。前記ナノ磁石のサイズは２００ｎｍ×２００ｎｍ以下のナノのサイズである。ナノ磁石の層の厚さは、１０ｎｍ以下が好ましい。例えば１００ｎｍ×１００ｎｍのサイズで厚さ５ｎｍである。ナノ磁石１と電極９との間には、所定の電源が接続されている。所定の電圧が印加されると、ナノ磁石１から半導体３に、ナノ磁石の磁化方向に応じたスピン偏極電子が注入される。図５中の下向きの白抜き矢印は、電子の流れを模式的に表したものである。ナノ磁石１から半導体光増幅器３に注入されたスピン偏極電子は、ナノ磁石１の容積（体積）より非常に大きい半導体光増幅器の容積（体積）に拡がる。図５に、ドットで示した領域Ａが、拡大された増幅領域であり、ナノ磁石１から電極９にかけて広がっている領域である。領域Ａは、光磁気効果が効果的な領域である。このことから、スピン注入による有効な磁気光学信号は、光がナノ磁石と磁気光学相互作用をする場合よりも、非常に大きくなる。スピン偏極電子の注入された半導体光増幅器で増幅されることで、光の偏光面は回転する。ナノ磁石１の磁化方向により、その回転の方向は異なってくる。
【００３２】
本実施の形態におけるスピン注入について説明する。一般的に、フェロ強磁性体から半導体に電子が注入されるとき、半導体内の注入電子はスピン偏極していない。これは強磁性体金属と半導体間の導電度のミスマッチによる。しかし、強磁性体金属と半導体の間にトンネルバリアがある場合、効果的なスピン注入が達成できる。例えば、本実施の形態のようなｎ型半導体と遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏＢ）との間の電気的接続はショットキー型であり、ｎ型半導体と遷移金属の間には、トンネルバリアが自然に形成される。トンネルバリアの厚さは、効果的なスピン注入を行うために適宜最適化される。実際の素子では、トンネルバリアとして機能するショットキーバリアの幅は、遷移金属や半導体の材料、ナノ磁石のサイズ、半導体のドーピング構造や増幅領域のサイズと構造などの多くのパラメータの影響を受けて変化する。例えば、ナノ磁石近傍のドーピング構造及び増幅領域のサイズや構造を適宜調整することにより、効果的なスピン注入が可能となる。このように、１方向にスピン偏極した電子を注入するために構造を最適化することが好ましい。もし、パラメータの１つが変化すると、最適な状態から変化し双方向のスピンが注入されることがある。この場合は他のパラメータを変化させることで最適な状態にするとよい。
【００３３】
本発明の不揮発性光メモリ素子に記録されたデータを読み出す方法は、短電気パルスを、ｐ型半導体側の電極とナノ磁石の間に印加する工程、短光パルスを光導波路を介して、半導体増幅領域に送る工程、出力側に出た光パルスの強度を読み出す工程からなる。前記電気パルスと前記光パルスのタイミングは、光パルスが電気パルスより少し遅れるようにし、その遅れが、半導体増幅領域におけるスピン偏極の緩和時間よりも短くなるように調整する。先に説明したように、前記半導体増幅領域で、光パルスの偏光は回転する。偏光の回転方向はナノ磁石の磁化方向に対応している。光偏光子を通過させた後、出力側に出た光の強度はナノ磁石の磁化方向に対応している。これは、ナノ磁石のある特定の磁化方向に対しては、出力側に出た光は完全に遮断され、それとは反対向きの磁化方向に対しては、出力側に出た光は通過するからである。よって、出力側に出た光の強度は、メモリに記録もしく記憶されているデータに対応している。
【００３４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態において示した不揮発性光メモリ素子が複数個集まってなるメモリデバイス（メモリ装置）に関する。第２の実施の形態のメモリデバイスは、複数の不揮発性光メモリ素子と、短光パルス源と、光導波路とからなる。光導波路は、短光パルス源と各不揮発性光メモリ素子とを接続するとともに、メモリデバイスの出力側で束ねられている構成を備えている。１つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように、光路長が調整される。
【００３５】
第２の実施の形態のメモリデバイスに記録されているデータを読み出す方法は、短電気パルスをすべてのメモリ素子に印加する工程、短光パルスをすべてのメモリ素子に供給する工程、連続する光パルス列の強度を読み出す工程からなる。前記光パルス列の個々の光パルス強度は、それぞれのメモリ素子に記録されたデータに対応している。レーザーからの光は、個々のメモリ素子を通過する独立のいくつかの光路を通る。そのためレーザーから出た光パルスは複数の光パルスに分岐する。個々の光パルスは、個々のメモリ素子を通過する。そして、出力側ですべての光パルスは結合される。個々の光路の長さは異なるため、個々の光パルスは出力側に異なった時間で到着する。個々の光パルスの強度は個々のメモリ素子に記録されたデータに対応する。よって、連続する光パルス列の強度を出力側で測定することにより、個々のメモリ素子に記憶されているデータを読み出すことができる。
【００３６】
図６を参照して第２の実施の形態を具体的に説明する。図６は、数個のメモリ素子のセルから構成されているメモリデバイスのデータを読み出す構造の模式図である。レーザーからの１個の短パルスは数個のパルスに分岐し、各メモリ素子のセル（ｍｅｍ１、ｍｅｍ２、ｍｅｍ３、ｍｅｍ４）を通過する。パルスの最初の偏光は直線（線形）偏光であり、そのパルスがメモリ素子を通過すると偏光が回転する。この回転の方向はメモリ素子のセルに記録されたデータに依存する。パルスはメモリ素子のセルを通過した後、偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）を通過する。パルスの偏光が反時計回りに回転している時に、パルスが偏光子を通過し、パルスの偏光が時計回りに回転している時に、パルスが偏光子を通過出来ないように、前記偏光子の軸を調整する。これらのすべてのパルスは出力側で結合される。異なるメモリ素子のセルから出てきたパルスは遅延時間が異なる。こうして、出力側でパルス列が形成され、該パルス列の各パルスの振幅が、各メモリ素子のセルに記録されているデータに対応している。図６では、ｍｅｍ１から４が図示されているだけであるが、メモリ素子のセルの個数は、何個であってもよい。例えば、１００〜１０００個が好ましい。
【００３７】
（実施例１）
第１の実施の形態及び第２の実施の形態に用いる不揮発性光メモリ素子の構造の例を図７に示す。実施例１のスピン−光子メモリは、基板４６と、光導波路バッファ層４５と、光導波路のコア層４４と、半導体光増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器４３と、介在層４２と、ナノ磁石４１とが、この順に積層配置されている。前記基板４６はｐ型ＧａＡｓ３８で形成され、基板にはＣｒ／Ａｕからなる電極３９が配置されている。前記基板４６の電極３９とは反対側には、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ３７の光導波路バッファ層４５と、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ３６からなる光導波路コア層４４が形成されている。半導体光増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器４３は、ｐ型ＧａＡｓ３５、ｉ型ＧａＡｓ３４、ｎ型ＧａＡｓ３３からなる。半導体光増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器４３の上に、インターフェースをとるためのｎｎ型ＧａＡｓ３２の介在層を介して、強磁性体金属であるＦｅ層３１からなるナノ磁石４１が設けられている。ナノ磁石４１のＦｅ層３１と電極３９との間には、所定の電源が接続されている。
【００３８】
（実施例２）
実施例２は、光増幅器である検出器を、光導波路の上に配置した構造の例である。図８に、該構造を示す。ｐ型ＧａＡｓ５８とｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ５７とｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ光導波路コア５６とからなる光導波路構造体の一方の側にＣｒ／Ａｕからなる電極５９が設けられている。他方の光導波路コアの上に、ｐ型ＧａＡｓ５５、ｉ型ＧａＡｓ５４、ｎ型ＧａＡｓ５３が順に形成され、光増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器が配置されている。介在層ｎｎ型ＧａＡｓ５２のさらに上にＦｅ層５１が設けられている。ナノ磁石のＦｅ層５１と電極５９との間には、所定の電源が接続されている。図８に図示するように、光が導波路に入射されると、図４や５の原理で説明した増幅作用を受けて、ナノ磁石の磁化方向に応じて増幅して偏光された光が出力される。図８の右に光導波路のウエイブガイドモードを示す。
【００３９】
（実施例３）
実施例３は、光増幅器である検出器を、光導波路の中に埋め込んだ構造の例である。図９に、該構造を示す。ｐ型ＧａＡｓ６８とｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ６７とｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ光導波路コア６６とからなる光導波路構造体の一方の側にＣｒ／Ａｕからなる電極６９が設けられている。他方の光導波路コアの上面から溝を設けて、該溝内に、ｐ型ＧａＡｓ６５、ｉ型ＧａＡｓ６４、ｎ型ＧａＡｓ６３が順に形成され、光増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器が配置されている。介在層ｎｎ型ＧａＡｓ６２のさらに上にＦｅ層６１が設けられている。ナノ磁石のＦｅ層６１と電極６９との間には、所定の電源が接続されている。図９に図示するように、光が導波路に入射されると、図４や５の原理で説明した増幅作用を受けて、ナノ磁石の磁化方向に応じて増幅して偏光された光が出力される。図９の右に光導波路のウエイブガイドモードを示す。
【００４０】
実施例３のように、半導体増幅器であるｐ−ｉ−ｎ半導体検出器が光導波路に埋め込まれた構造であると、増幅作用に主として寄与するｉ型半導体が特に有効に作用するので、実施例２に比べて増幅作用が大である。一方、実施例２の場合は、実施例３に比べて製作が簡単である長所がある。
【００４１】
実施例１から３に示した例の組成や構造は、例示にすぎない。他の材料を用いることができることは当然であり、半導体にはＳｉ等を用いることができる。また、ナノ磁石を構成する強磁性体金属として、Ｆｅの他に強磁性体金属として知られているものを用いることができ、例えば、Ｃｏ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＦｅＣｕＰｔ等を用いることができる。
【００４２】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１、４１、  強磁性体
２、        半導体光検出器
３、４３、  半導体光増幅器
４、        光導波路
９、        電極
４２、      介在層
４４、      光導波路コア層
４５、      光導波路バッファ層
４６、      基板
【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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