(57)【要約】光通信装置が、送信されるデータを含むデータ信号を供給する信号源（１０）と、光子を放出する発光器（４０）と、スピンインジェクタ（３０）により供給される電荷キャリアのスピン偏極により偏光が決定される光子を発光器が放出するように、スピン偏極された電荷キャリアを供給するスピンインジェクタ（３０）と、動作中、信号源により供給されるデータに基づいて、発光器により放出される光子の偏光が変調される光信号を、発光器（４０）が出力するように、スピンインジェクタ（３０）により供給される電荷キャリアのスピン偏極が、送信されるデータに応じて制御されるようにスピンインジェクタを制御するコントローラ（２０）とを含む光送信機（Ｔ）と、発光器（４０）から受信した光子の偏光と、偏光検出器により決定される光子の偏光に基づいて、発光器により出力される光信号に伝送されるデータを抽出するデータ抽出器（２４）とを含む受信機（Ｒ）を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信されるデータを含むデータ信号を供給する信号供給手段と、
光子を放出する発光手段と、
スピン注入手段により供給される電荷キャリアのスピン偏極（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ）により偏光（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ）が決定される光子を発光手段が放出するように、スピン偏極された電荷キャリアを供給するスピン注入手段と、
動作中、信号供給手段により供給されるデータ信号に基づいて、発光手段により放出される光子の偏光が変調される光信号を、発光手段が出力するように、スピン注入手段により供給される電荷キャリアのスピン偏極が、送信されるデータに応じて制御されるようにスピン注入手段を制御する制御手段と、を含む光信号送信手段と、
発光手段から受信した光子の偏光を決定する光信号偏光検出手段と、
偏光検出手段により決定される光子の偏光に基づいて、発光手段により出力される光信号に伝送されるデータを抽出するデータ抽出手段と、を含む受信手段とを含む光通信装置。
【請求項２】
スピン注入手段は、
電流を流す入力領域と、電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電荷キャリアが量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるスピンフィルタと、
動作中、スピンフィルタが主に一方のスピン極性のトンネル電流を出力するように、入力領域と出力領域のゼーマン分裂がフェルミエネルギーより小さいゼーマン分裂をスピンフィルタに生じさせるゼーマン分裂手段とを有するスピンインジェクタを含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
スピン注入手段は、
電子電流を流す入力領域と、電子電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電子が量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるスピンフィルタと、
動作中、スピンフィルタが主に一方のスピン極性のトンネル電流を出力するように、入力領域と出力領域のゼーマン分裂がフェルミエネルギーより小さくなるように量子領域および入力領域および出力領域が形成され、ゼーマン分裂をスピンフィルタに生じさせるゼーマン分裂手段とを有するスピンインジェクタを含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
ゼーマン分裂手段は、ＤＣ磁場を量子領域に印加する手段を含む請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
制御手段は、トンネル電流の主なスピン極性を制御するように動作される請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
量子領域はゲートを有し、制御手段は、量子ドットが奇数または偶数の電子を含むかを制御するために、ゲート電圧および入力領域と出力領域との間の電圧の少なくとも１つを制御する手段を含む請求項５に記載の装置。
【請求項７】
制御手段は、ゼーマン分裂の方向を制御するようにされた請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
ゼーマン分裂手段は、ＤＣ磁場をスピンフィルタに印加する手段を含み、制御手段は、ＤＣ磁場の極性を制御することにより、トンネル電流の主なスピン極性を制御するように動作される請求項２または３に記載の装置。
【請求項９】
スピン注入手段は、２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、一方のスピンインジェクタが一方の極性の光子を与え、他方のスピンインジェクタが異なる極性の光子を与えるように、スピンインジェクタの各々の動作を制御するように動作される請求項２から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
スピン注入手段は、強磁性領域が受ける磁場により決定されたスピン極性の電荷キャリアを与える強磁性領域を有する少なくとも１つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、その磁場を制御するように動作される請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
スピン注入手段は、一方のスピンインジェクタが一方の極性の電荷キャリアを与えるようにされ、他方のスピンインジェクタが反対の極性の電荷キャリアを与えるようにされた２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、２つのスピンインジェクタの起動を制御するように動作される請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
スピンインジェクタの各々は、強磁性領域が受ける磁場により決定されたスピン極性の電荷キャリアを与える強磁性領域を有し、２つのスピンインジェクタは、反対の極性の磁場を受ける請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
スピン注入手段は、正孔誘起強磁性を示す半導体領域を有する少なくとも１つのスピンインジェクタと、半導体領域の正孔濃度を制御する手段とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
正孔濃度制御手段は、電界効果電極を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
正孔濃度制御手段は、絶縁ゲート電極を含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
スピン注入手段は、２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、各スピンインジェクタの正孔濃度制御手段を制御するように動作される請求項１３から１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
制御手段は、スピンインジェクタの一方、他方または両方を同時に動作させるか、またはそのいずれも動作させないように動作される請求項１１、１２、１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
発光手段は、スピンインジェクタまたは各スピンインジェクタにそれぞれ関連付けされた発光器を含む請求項２から１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
受信手段の偏光検出手段は、スピン偏極がスピン注入手段により受信される光子の偏光に応じたスピン偏極されたスピン偏極電流を発生するように、逆に動作するようにされたスピン注入手段を含む請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
受信手段のスピン注入手段は、請求項２から１９のいずれか一項に記載の少なくとも１つのスピンニンジェクタを含む請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
受信手段の偏光検出手段は、各々が特定の極性の光子のみを検出するように動作される２つの光検出器を含む請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２２】
光子の偏光は、左円偏光または右円偏光のいずれかである請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２３】
発光手段は、少なくとも１つのフォトダイオードを含む請求項１から２２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２４】
発光手段は、少なくとも１つの垂直共振器型面発光層を含む請求項１から２３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２５】
光信号送信および受信手段は、自由空間および偏光維持光ファイバ手段の少なくとも１つを介して通信するように動作される請求項１から２４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２６】
光信号受信手段は、戻り光信号を与えるように動作され、光信号送信手段は、受信手段をさらに含む請求項１から２５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２７】
光信号受信手段は、請求項１から２５のいずれか一項に記載の送信手段を含む請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
送信されるデータを含むデータ信号を供給する信号供給手段と、
光子を放出する発光手段と、
スピン注入手段により供給される電荷キャリアのスピン偏極により偏光が決定される光子を発光手段が放出するように、スピン偏極された電荷キャリアを供給するスピン注入手段と、
動作中、信号供給手段により供給されるデータ信号に基づいて、発光手段により放出される光子の偏光が変調される光信号を、発光手段が出力するように、スピン注入手段により供給される電荷キャリアのスピン偏極が、送信されるデータに応じて制御されるようにスピン注入手段を制御する制御手段とを含む光通信装置の送信機装置。
【請求項２９】
スピン注入手段は、
電流を流す入力領域と、電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電荷キャリアが量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるスピンフィルタと、
動作中、スピンフィルタが主に一方のスピン極性のトンネル電流を出力するように、入力領域と出力領域のゼーマン分裂がフェルミエネルギーより小さいゼーマン分裂をスピンフィルタに生じさせるゼーマン分裂手段とを有するスピンインジェクタを含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
スピン注入手段は、
電子電流を流す入力領域と、電子電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電子が量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるスピンフィルタと、
動作中、スピンフィルタが主に一方のスピン極性のトンネル電流を出力するように、入力領域と出力領域のゼーマン分裂がフェルミエネルギーより小さくなるように量子領域および入力領域および出力領域が形成され、ゼーマン分裂をスピンフィルタに生じさせるゼーマン分裂手段とを有するスピンインジェクタを含む請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
ゼーマン分裂手段は、ＤＣ磁場を量子領域に印加する手段を含む請求項２９または３０に記載の装置。
【請求項３２】
制御手段は、トンネル電流の主なスピン極性を制御するように動作される請求項２９から３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
量子領域はゲートを有し、制御手段は、量子ドットが奇数または偶数の電子を含むかを制御するために、ゲート電圧および入力領域と出力領域との間の電圧の少なくとも１つを制御する手段を含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
制御手段は、ゼーマン分裂の方向を制御するようにされた請求項３２または３３に記載の装置。
【請求項３５】
ゼーマン分裂手段は、ＤＣ磁場をスピンフィルタに印加する手段を含み、制御手段は、ＤＣ磁場の極性を制御することにより、トンネル電流の主なスピン極性を制御するように動作される請求項２９または３０に記載の装置。
【請求項３６】
スピン注入手段は、２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、一方のスピンインジェクタが一方の極性の光子を与え、他方のスピンインジェクタが異なる極性の光子を与えるように、スピンインジェクタの各々の動作を制御するように動作される請求項２９から３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
スピン注入手段は、強磁性領域が受ける磁場により決定されたスピン極性の電荷キャリアを与える強磁性領域を有する少なくとも１つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、その磁場を制御するように動作される請求項２８に記載の装置。
【請求項３８】
スピン注入手段は、一方のスピンインジェクタが一方の極性の電荷キャリアを与えるようにされ、他方のスピンインジェクタが反対の極性の電荷キャリアを与えるようにされた２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、２つのスピンインジェクタの動作を制御するように動作される請求項２８に記載の装置。
【請求項３９】
スピンインジェクタの各々は、強磁性領域構造が受ける磁場により決定されたスピン極性の電荷キャリアを与える強磁性領域を有し、２つのスピンインジェクタは、反対の極性の磁場を受ける請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
スピン注入手段は、正孔誘起強磁性を示す半導体領域を有する少なくとも１つのスピンインジェクタと、半導体領域の正孔濃度を制御する手段とを含む請求項２８に記載の装置。
【請求項４１】
正孔濃度制御手段は、電界効果電極を含む請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
正孔濃度制御手段は、絶縁ゲート電極を含む請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
スピン注入手段は、２つのスピンインジェクタを含み、制御手段は、各スピンインジェクタの正孔濃度制御手段を制御するように動作される請求項４０から４２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４４】
制御手段は、スピンインジェクタの一方、他方または両方を同時に動作させるか、またはそのいずれも動作させないように動作される請求項３８、３９、４３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４５】
発光手段は、スピンインジェクタまたは各スピンインジェクタにそれぞれ関連付けされた発光器を含む請求項２９から４４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４６】
光子の偏光は、左円偏光または右円偏光のいずれかである請求項２６から４５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
発光手段は、少なくとも１つのフォトダイオードを含む請求項２８から４６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４８】
発光手段は、少なくとも１つの垂直共振器型面発光層を含む請求項２８から４７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４９】
発光手段から受信した光子の偏光を決定する光信号偏光検出手段と、
偏光検出手段により決定される光子の偏光に基づいて、発光手段により出力される光信号に伝送されるデータを抽出するデータ抽出手段とを含む光通信装置の受信機装置。
【請求項５０】
受信手段の偏光検出手段は、スピン偏極がスピン注入手段により受信される光子の偏光に応じたスピン偏極された電流を発生するように、逆に動作するようにされたスピン注入手段を含む請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
受信手段のスピン注入手段は、請求項２から１９のいずれか一項に記載の少なくとも１つのスピンニンジェクタを含む請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
受信手段の偏光検出手段は、各々が特定の極性の光子のみを検出するように動作される２つの光検出器を含む請求項４９に記載の装置。
【請求項５３】
光子の偏光は、左円偏光または右円偏光のいずれかである請求項４９から５２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５４】
請求項２から２５のいずれか一項に記載の送信手段をさらに含む請求項４９から５３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５５】
電流を流す入力領域と、電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電荷キャリアが量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるメモリデバイスと、
入力領域と出力領域がスピン偏極されて、一方のスピン極性の電荷キャリアにより入力領域と出力領域を通って伝導されるように、メモリデバイスにおいてゼーマン分裂を制御するゼーマン分裂手段と、
メモリデバイスを通るトンネル電流を制御するために、量子領域の最も高い電荷キャリアのスピン偏極を制御する制御手段とを含み、
入力領域は、正孔誘起強磁性を示す半導体領域を含み、量子領域のエネルギーレベルを制御するために、前記半導体の正孔濃度を制御する手段が与えられるメモリ。
【請求項５６】
電子電流を流す入力領域と、電子電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電子が量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過できるメモリデバイスと、
入力領域と出力領域がスピン偏極されて、一方のスピン極性の電子により入力領域と出力領域を通って伝導されるように、メモリデバイスにおいてゼーマン分裂を制御するゼーマン分裂手段と、
メモリデバイスを通るトンネル電流を制御するために、量子領域の最も高い電子のスピン偏極を制御する制御手段とを含み、
入力領域は、正孔誘起強磁性を示す半導体領域を含み、量子領域のエネルギーレベルを制御するために、前記半導体の正孔濃度を制御する手段が与えられるメモリ。
【請求項５７】
正孔濃度制御手段は、電界効果電極を含む請求項５５または５６に記載の装置。
【請求項５８】
正孔濃度制御手段は、絶縁ゲート電極を含む請求項５５または５６に記載の装置。
【請求項５９】
ゼーマン分裂手段は、ＤＣ磁場を印加する手段を含む請求項５５から５８のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項６０】
制御手段は、量子領域のゼーマン分裂がＡＣ磁場パルスで共鳴が発生するようになるとき、量子領域にラービスピンフロップを生じさせるためのＡＣ磁場パルスを印加する手段を含む請求項５５から５８のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項６１】
量子領域内のゼーマン分裂を調節する調節手段をさらに含む請求項５５から６０のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項６２】
調節手段は、量子領域内のエネルギーレベルを調節するために、ゲート電圧を量子領域に印加する手段を含む請求項６１に記載のメモリ。
【請求項６３】
電流を流す入力領域と、電流を流す出力領域と、クーロンブロッケード領域において動作するようにされ、入力領域と出力領域とを分離する三次元閉じ込め量子領域とを有し、電荷キャリアが量子領域をトンネルして入力領域から出力領域へのみ通過でき、量子領域のエネルギーレベルの磁場誘起ゼーマン分裂により、スピン極性が磁場極性に依存する主に一方のスピン極性のトンネル電流が可能になるスピンフィルタと、
トンネル電流のスピン極性から磁場の存在を決定する手段とを含む磁場センサ。
【請求項６４】
スピンフィルタで磁場を濃縮する磁極部分が与えられる請求項６３に記載のセンサ。
【請求項６５】
垂直共振器型面発光レーザにより放出された光子の偏光を制御する方法であって、スピン偏極された電荷キャリアによりレーザを駆動することを含む方法。
【請求項６６】
スピン偏極された電荷キャリアを注入するために、請求項２から１５のいずれか一項に記載された特徴を備えたスピン注入手段を使用することを含む請求項６５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、通信装置に関し、さらに詳しく言えば、光通信路を用いて通信を可能にする通信装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
遠距離通信およびデータ通信を目的とした光通信、特に、遠距離通信ネットワークプロバイダなどの通信ネットワークプロバイダから企業などのエンドユーザおよびその構内までの通信リンクの最終部分の光通信に多大な関心が向けられている。これらの光通信システムは、自由空間または光ファイバベースのものであってよく、一般的に、データを伝送するために時間（位相／周波数）および／または振幅変調方式を用いる。しかしながら、このような通信システムにおける帯域幅または情報符号化変調に対する要求は高まるばかりである。
【０００３】
別の可能な変調方式は、偏光（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ）変調である。偏光変調の利点として、偏光を操作しても、信号の電力を低減させず、利用可能な信号帯域幅および変調深さを制限することがないことが挙げられる。さらに、振幅変調と比較して、偏光変調では、ノイズが信号検出エラーを生じさせる可能性が低いため、信号伝送エラーが低くなる。現在利用可能な光偏光変調器には多数の異なるタイプのものがある。液体（カー効果）または固体（ポッケルス効果）において、または伝達される光に対して透過性の固体を圧縮または伸張することにより応力を付加することで複屈折を誘起する光学弾性などの機械的効果において、複屈折が誘起または修正される電気光学的効果などの物理的効果を用いて、これらの偏光変調器は光偏光を変調する。しかしながら、既存の偏光デバイスは、比較的嵩張るもので、一般的に、巨視的な電気光学水晶体を使用する必要がある。さらに、光ファイバにおいて偏光を維持し、自由空間光通信における複屈折が困難なため、このような光偏光変調器は、一般的に、振幅変調によるデータ伝送を可能にするためにしか使用されてこなかった。
【０００４】
（発明の開示）
本発明の第１の態様によれば、発光デバイスと、注入されたスピン電流の偏極（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ）に応じて、左回りまたは右回りのいずれかに円偏光された光子を発光デバイスが放出するように、スピン偏極されたキャリアを発光デバイスに注入するスピンインジェクタと、伝送される信号に応じて発光デバイスに注入される電荷キャリアの偏極を変調または変更するようにスピンインジェクタを制御する制御手段とを含む光通信装置の送信機が提供される。
【０００５】
一実施形態において、スピンインジェクタは、トンネル障壁により入力および出力フェルミリードに連結されたクーロンブロッケード領域で動作するようにされた三次元量子閉じ込め領域を含み、磁場を印加することで、量子閉じ込め領域にゼーマン分裂が生じ、フェルミリードの電流の一部分のみが存在すればスピン偏極されるが、量子閉じ込め領域を通る伝導は、主に、１つのみのスピン偏極を有する電子が連続してトンネルすることにより生じる。量子閉じ込め領域にある電子のスピン偏極、ひいては、スピンインジェクタにより与えられる電荷キャリアのスピン偏極は、印加磁場およびスピンインジェクタにかける電圧の少なくとも１つを制御することにより制御されてよい。
【０００６】
別の実施形態において、スピンインジェクタは、反対の極性のスピン偏極電荷キャリアを放出するようにそれそれの局所磁場により制御された各々が強磁性ヘテロ構造からなる２つのスピンインジェクタデバイスを含み、制御手段は、スピンインジェクタデバイスの一方または両方のいずれかが、スピン偏極された電荷キャリアを同時に放出するように、第１および第２のスピン偏極デバイスの動作を制御するための第１および第２の制御手段を含む。
【０００７】
発光デバイスにより放出された光信号は、スピンインジェクタにより供給される電荷キャリアの電流を制御することにより振幅変調されてもよい。光信号は、偏光変調に加えて位相変調されてもよい。例えば、上述した実施形態のように、２つの別々のスピンインジェクタデバイスが与えられる場合、光信号の情報を伝送するために、２つのスピンインジェクタデバイスの動作の相対的なタイミングが使用されてもよい。
【０００８】
別の態様において、本発明によれば、スピン偏極器により放出された電荷キャリアのスピン偏極がゲート電圧により制御される光通信装置の送信機で使用するためのスピンインジェクタが提供される。一実施形態において、スピンインジェクタは、例えば、正孔濃度を上げ強磁性相互作用を高める負のゲート電圧の絶縁ゲートを用いて、電界効果により制御可能な正孔誘起強磁性を示す磁気半導体の層であってよい。
【０００９】
別の態様において、本発明によれば、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）により放出される光子の偏光を制御可能な方法が提供され、この方法は、注入された電流がスピン偏極されることにより、ＶＣＳＥＬにより放出された光子の偏光を制御するように、ＶＣＳＥＬを駆動するためのスピンインジェクタを使用することを含む。これにより、ＶＣＳＥＬでこれまで観察されてきた望ましくない偏光スイッチングの問題が解決される（例えば、第１８回国際光学委員会学会：２１世紀の光学（ｔｈｅ  １８ｔｈ  ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃｓ：  Ｏｐｔｉｃｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｎｅｘｔ  Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ）、ＳＰＩＥ第３７４９巻の会報、第３０２〜３０３頁、１９９９年に発表されたダンカートら（Ｄａｎｃｋａｅｒｔ  ｅｔ  ａｌ．）による「ＶＣＳＥＬにおける偏光スイッチング：実験および理論」（Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＶＣＳＥＬｓ：  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｏｒｙ）というタイトルの論文および他の同様の論文を参照）。
【００１０】
一つの態様において、本発明によれば、スピンインジェクタデバイスを流れる電流が、入射光子の偏光により決定されるように逆に動作するスピンインジェクタを含む通信装置の受信機が提供される。
【００１１】
別の態様において、本発明によれば、スピンインジェクタが受ける磁場の極性に応じて、一方または他方のスピン極性の電荷キャリアを与えるスピンインジェクタと、スピンインジェクタが受ける磁場の極性を決定するために、スピンインジェクタにより放出される電荷キャリアの偏極を感知する手段とを含む磁気センサが提供される。スピンインジェクタは、上述した形態の任意のものであってよく、一実施形態において、スピンインジェクタは、その感度を高めるために、軟磁極部品と関連付けられてよい。
【００１２】
一実施形態において、光通信装置において使用するための送信機が、スピンインジェクタと、スピンインジェクタにより発光器に注入された電荷キャリアのスピン偏極に応じて、右または左に円偏光された光子を放出する発光器とを各々が含む発光デバイスの二次元アレイを含んでよい。
【００１３】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を例示的に記載する。
【００１４】
（実施形態の詳細な説明）
以下、図面を参照すると、図１は、本発明を実施する通信装置の非常に略図的な機能ブロック図を示す。
【００１５】
図１に示されているように、通信装置は、送信機Ｔおよび受信機Ｒを含む。送信機Ｔは、例えば、オリジナルのアナログ信号またはディジタルデータ信号から、送信されるデータが従来のように０と１で表されるディジタル電気信号を出力する信号源１０を含む。信号源１０のディジタル出力は、以下にさらに詳細に記載されるように、発光デバイス２１により出力される光子の偏光を制御する変調器２０に与えられる。発光デバイス２１は、変調器２０により与えられる制御信号に応じて、一方または他方のスピン極性（上向きのスピン状態または下向きのスピン状態）を有する電荷キャリア、例えば、電子を与えるスピンインジェクタ３０からなる。スピンインジェクタ３０により与えられるスピン偏極された電荷キャリアは、ＰＩＮダイオードの形をした発光器４０に注入され、これは、１９９９年１２月１６日に発行されたＮａｔｕｒｅの第４０２巻７８７〜７８９頁のフィエダーリングら（Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．）および１９９９年１２月１６日に発行されたＮａｔｕｒｅの第４０２巻第７９０〜７９２頁のオオノらＯｈｎｏ  ｅｔ  ａｌ．）によるＬｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅに説明されているように、注入されたスピン偏極された電流のスピン偏極（上向きまたは下向き）に偏光方向（右回りまたは左回り）が依存する円偏光された光子を応答して放出する。
【００１６】
Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｔｏｄａｙの第５２巻第３３頁（１９９９年）およびＮａｔｕｒｅの第３９７巻第１３９頁（１９９９年）において、Ｄ  アワスコーロム（Ｄ．Ａｗａｓｃｈａｌｏｍ）およびＪ  キッカワ（Ｊ．Ｋｉｋｋａｗａ）により報告されているように、驚くべきことに、電子は、巨視的な距離（典型的に、１００マイクロメートル）にわたってスピンコヒーレント性を維持し、数百ナノ秒のスピンディフェージング時間が観察された。したがって、スピンインジェクタにおいて発生したスピン偏極電子は、発光器に注入された電子がスピン偏極される十分に長い時間、スピンコヒーレント性を維持できる。
【００１７】
この実施形態において、円偏光（左回りまたは右回り）された光子は、受信機Ｒにより受信される自由空間に放出される。受信機Ｒは、受信した光子の偏光（右回りまたは左回りの円偏光）を検出し、この情報から信号が保有するデータを従来のように抽出する信号抽出器２４にこの情報を与える偏光検出器検出器２２を備える。
【００１８】
光通信分野の当業者に理解されるように、図１に示す変調器２０および発光デバイス２１は、従来の光通信装置のスイッチ型レーザまたはＬＥＤと置き換えられる。データを表す連続したディジタルの０と１が、発光デバイスにより与えられる光信号により表される方法は変更されてよい。単純な方式では、右円偏光された光子がディジタル１を表すのに対して、左円偏光された光子は、ディジタル０を表すものであってよく、またその逆であってもよい。より高度な変調方式が考えられる。さらに、偏光の変調に加え、変調器がスピンインジェクタを流れる電流を制御でき、さらに、発光器４０により放出される光子数を制御する発光器に注入されるスピン偏極された電子の数を制御できることにより、振幅変調が行われてよい。さらに、偏光変調に加え、パルス幅または位相変調方式が用いられてよい。このような追加の変調方式が用いられる場合、通信分野において公知のように、信号抽出器２４は、変調された信号からデータを回復するための適切な従来の復調回路を含むことになる。
【００１９】
以下、発光デバイス２１の略図的な機能ブロック図を異なる視点から示した図２および図３を参照して、図１に示す送信機Ｔにおいて使用するのに適した発光デバイス２１の一例について記載する。明確にするために、図２に示すいくつかの構成部品は、図３から省略され、その逆も同様である。
【００２０】
この例において、スピンインジェクタ３０は、量子ドット領域２にある量子ドット２ａの形をした三次元量子閉じ込め領域を含み、量子ドット領域２は、フェルミリード３および４のｇ因子が量子ドット領域２のものより小さくなるように、高濃度ドープ半導体領域により形成された入力および出力フェルミリード３および４のそれぞれにトンネル障壁ＴＢ１およびＴＢ２により連結される。
【００２１】
量子ドット２ａにゼーマン分裂を誘起するために、スピンインジェクタ３０の層の平面（図２の紙面に対して直角をなす平面）に磁場を発生させるＤＣ磁場発生器（図３において「ＤＣ場発生」）が与えられる。
【００２２】
入力および出力フェルミリード３および４は、コンタクトＬ１およびＬ２にそれぞれ連結され、その間に電圧源ＶＳが連結される。環状ゲートＧが、量子ドット領域２と接触し、ゲート電圧源ＧＶに連結される（図３）。
【００２３】
量子ドット２ａは、クーロンブロッケード領域で動作するように構成され、これについては、例えば、ソン  コウウェンホーヴェン、スコーン（Ｓｏｈｎ、Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ、Ｓｃｈｏｎ）編の「メゾスコピック電子輸送」（Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）というタイトルのレビューテキストブック（ＩＳＢＮ  Ｎｏ．０−７９２３−４７３７−４）において、Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎらによる「量子ドットにおける電子輸送」（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ）というタイトルの章の第２．１節第１１４〜１１８頁に詳細に記載されている。クーロンブロッケード領域は以下のものを必要とする。
ＫＢＴ＜＜ΔＥ，ｅ２／Ｃ                    （１）
式中、ＫＢは、ボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ΔＥは量子ドットにおけるエネルギーレベル間の差であり、ｅは電子の電荷であり、Ｃ：量子ドットの容量であり、「，」は、右手側の両方の成分に対して不等式が成り立つことを意味する。すなわち、
ＫＢＴ＜＜ΔＥ  および  ＫＢＴ＜＜ｅ２／Ｃ
【００２４】
したがって、量子ドットへの電子のトンネル通過は、例えば、ゲートＧに印加された電圧により、さらなるエネルギーｅ２／Ｃが加えられたときのみ可能となる。
【００２５】
図３に示されているように、送信機Ｔの発光器４０は、スピンフィルタされた電流をスピンインジェクタ３０から受けるために、コンタクトＬ２に連結される。
【００２６】
以下、このスピンインジェクタ３０が発光器４０に注入するためのスピン偏極された電子を発生する方法について簡潔に説明する。国際特許出願第ＧＢ００／０３４２２号に、さらなる詳細が記載されており、その内容全体は本願明細書において参照により援用されたものとする。
【００２７】
したがって、スピンインジェクタ３０の動作において、必要に応じて、量子ドット領域２内に量子ドット２ａを規定するさらなる閉じ込めを与えるために、環状ゲートＧに電圧が印加され、コンタクトＬ１およびＬ２の間の電圧源ＶＳにより、電圧Ｖ１，２が印加される。この電圧は、１つの電子２０が量子ドット２ａの最も高い基底状態にあるクーロンブロッケード領域において、以下のように、フェルミリード３および４の化学ポテンシャルμ１およびμ２に関係する。
Ｖ１，２＝（μ１‐μ２）／ｅ                    （２）
【００２８】
ＤＣ磁場発生器５を使用して、ＤＣ磁場Ｂｄｃが印加されると、当業者に公知のように、量子ドットにおいてエネルギーレベルのスピン縮退を解き、ゼーマン分裂ΔＺが与えられる場合、上向きのスピン状態と下向きのスピン状態レベルの間にゼーマン分裂を生じさせる。
ΔＺ＝│Ｅ↑−Ｅ↓│＝μＢ│ｇＢ│                    （３）
式中、Ｅ↑およびＥ↓は上向きおよび下向きのスピン状態のエネルギーを表し、ｇは材料のｇ因子であり、μＢはボーア磁子であり、Ｂは印加されたＤＣ磁場である。
【００２９】
スピンインジェクタ３０は、量子ドット２ａのゼーマン分裂がΔμより大きく、ＫＴより大きくなる程度に、印加されたＤＣ磁場から生じるゼーマン分裂が十分に大きくなるように構成される。フェルミリード３および４のゼーマン分裂は、リードのフェルミエネルギーと比較して非常に小さいため、両方のスピン偏極（上向きおよび下向き）は、量子ドット２ａを通って輸送するために同等に得られる。これは、上述したテキストブック「メゾスコピック電子輸送」において記載されているように、典型的な量子ドット実験の標準的な状況であり、リードのフェルミエネルギーは、典型的に、数百ケルビン度であるのに対して、ゼーマン分裂は最高でもほぼ数ケルビン程度である（ＤＣ磁場では最高でも数テスラである）。
【００３０】
スピンインジェクタ３０に印加された電圧により、量子ドット２ａは、基底状態にある最も高い電子が、この例では、上向きのスピン状態を有する奇数個Ｎの電子を含む。磁場Ｂｄｃが印加されると、基底状態Ｅｓおよび三重項エネルギー状態にゼーマン分裂ΔＺが生じて、スピン縮退を解く。この例において、ＤＣ磁場Ｂｄｃの方向は、上向きのスピン状態にある電子のエネルギーが下向きのスピン状態にある電子より低くなるようなものにされる。一重項状態Ｅｓおよび三重項エネルギーレベルの両方が分裂されることは言うまでもない。
【００３１】
電流がスピンインジェクタ３０を流れるために、電子は、フェルミリード３から量子ドット２ａへとトンネル通過しなければならず、電子は、量子ドット２ａからフェルミリード４へトンネル通過しなければならない。量子ドット２がクーロンブロッケード領域にあるため、ドットにある電荷は、電子の電荷の単位に量子化される。また、トンネル結合が弱いため、フェルミリード３および４と量子ドット２ａとの間のトンネルは摂動として表され、定常限界の電流を計算するために標準的なマスター方程式のアプローチを使用できる。
【００３２】
トンネルレートの評価によれば、２つの輸送領域が自然に区別され、すなわち、量子ドット２ａの電子数ＮがＮとＮ±１との間で変動し、エネルギー保存に従う一次転移である連続トンネル領域と、より高次のものであり、電流に対する寄与が非常に低く、量子ドット２ａの仮想状態を介して一方のフェルミリード３から他方のフェルミリード４へと電子が事実上直接トンネルし、唯一可能なプロセスが、量子ドット２ａでの最初と最後の電子数が同じである、すなわちＮである二次転移である共トンネル領域である。
【００３３】
スピンインジェクタ３０が連続トンネル領域にあるため、ゲートＧに印加される電圧は、入力フェルミリード３の化学ポテンシャルμ１が、量子ドット２ａの次の非専有レベルのエネルギーに同等のものか、またはそれより大きいものであるのに対して、出力フェルミリード４の化学ポテンシャルμ２は、そのレベルのエネルギーより小さいか、またはそれと同等のものである。すなわち、
μ１≧Ｅｓ≧μ２                    （４）
【００３４】
Ｅｓ＞μ１、Ｅｓ＞μ２である場合、スピンインジェクタ３０は、２つの可能な仮想状態、すなわち、三重項状態と一重項状態で占められる共トンネル状態にある。Ｎが偶数であれば、基底状態は、Ｅｓ＜μ１、Ｅｓ＜μ２である最も高い一重項状態を含む。
【００３５】
デバイスは、以下のように構成され動作される。
ＥＴ＋−ＥＳ，ΔＺ＞Δμ，ＫＢＴ                    （５）
式中、Δμ＝│μ１−μ２│
式中、「，」は、不等式の両側にある両方の成分に対して不等式が成り立つことを意味する。すなわち、
ＥＴ＋−ＥＳ＞Δμ，ＥＴ＋−ＥＳ＞ＫＢＴ，ΔＺ＞Δμ  および  ΔＺ＞ＫＢＴ
【００３６】
ｇ因子、磁場が印加されるバイアスΔμおよび温度ＫＢＴ００は、エネルギー保存により基底状態の転移のみが可能になるようなものである。したがって、量子ドット２ａの基底状態は、上向きスピン状態の電子をすでに含むため、入力フェルミリード３の上向きスピン状態の電子が基底状態にトンネルできず、したがって、唯一の可能性は、その電子が励起された三重項状態にトンネルすることである。しかしながら、これは、エネルギー保存により禁じられている。これとは対照的に、下向きのスピン状態と、さらなるクーロン電荷エネルギーｅ２／Ｃに等しいエネルギーとをもつ電子が、ドット２ａにトンネルできるため、フェルミの黄金律に従う。
【００３７】
ドットにある最も高い電子が上向きのスピン状態にあれば、下向きのスピン状態にある電子のみが、連続トンネル領域においてドット２ａにトンネルできる。したがって、クーロンブロッケード領域において、量子ドット２ａは、量子ドットの最も高い電子が上向きのスピン状態の電子である場合、フェルミリード３から上向きのスピン状態の電子のトンネルを遮断する。このプロセスは、Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓの第７４巻（１９９５年）第９８４頁においてワイエドマンら（Ｗｉｅｄｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．）により記載されているような前述したスピンブロッケード効果とは基本的に異なり、その理由は、本願明細書に記載されている効果とは対照的に、その効果がスピン偏極されていない電流に対して生じ、磁場が増大すると消失するためである。
【００３８】
下向きのスピン状態の電子が量子ドット２ａにトンネルすると、下向きのスピン状態の電子は、量子ドット２ａからより低い化学ポテンシャルμ２の出力フェルミリード４にトンネルでき、量子ドットの上向きのスピン状態の電子は、前のエネルギーレベルに戻る。ゼーマン分裂ΔＺ＞Δμ，ＫＢＴであるため、量子ドット２ａから出力フェルミリード４への上向きスピン状態の電子のトンネルは、励起されたスピンが量子ドット２ａに残り、エネルギー保存に反するため禁じられている。
【００３９】
ゲート電圧により調整された連続トンネル共鳴より上または下、すなわち、ＥＳが、入力および出力フェルミリード３および４の化学ポテンシャルより高ければ、または入力および出力フェルミリード３および４の化学ポテンシャルより低ければ、スピンインジェクタ３０は、量子ドットの仮想状態を介して一方のリードから他方へのみ直接トンネルが生じる共トンネル領域にある。両方の場合、すなわち、共鳴より上および下の場合、効率性（すなわち、要求された下向きスピンの電流と望ましくない上向きスピンの電流との比率）は、デバイスが連続トンネル領域に最終的に戻るように、ゲート電圧および／または化学ポテンシャルμ１およびμ２を共鳴へと調整することにより非常に大きくされる。スピンフィルタリングは、ΔＺ＞Δμ，ＫＢＴであれば、非常に効率的である。非弾性プロセスおよび量子ドット２ａが基底状態にないプロセスが、ゼーマンエネルギーにより抑制されることを認識されたい。
【００４０】
上記から分かるように、量子ドット２ａから出力された電子のスピン状態は、量子ドット２ａに存在する最も高い電子のスピン状態により決定される。
【００４１】
量子ドット２ａにある最も高い電子のスピン状態は、変調器２０により制御される。図に略図的に示されているように、変調器２０は、磁場の極性を制御するようにＤＣ磁場発生器５を制御してよい。磁場Ｂｄｃの極性を逆にすると、ゼーマン分裂の逆転が生じて、Ｎが奇数の場合、最も高い基底状態の電子が下向きのスピン状態になり、フィルタリングされた電流が上向きのスピン状態になるのに対して、Ｎが偶数の場合、フィルタリングされた電流が下向きのスピン状態になる。したがって、磁場Ｂｄｃの極性を上述したものから反転することにより、変調器２０は、量子ドット２ａの最も高い電子を（上向きのスピン状態ではなく）下向きのスピン状態にすることにより、下向きスピン状態の電子ではなく、上向きスピン状態の電子が量子ドット２ａをトンネルでき、スピンインジェクタにより出力されるスピン偏極された電子の偏極を反転する。したがって、変調器２０は、磁場発生器により発生した磁場の極性を反転することにより、左円偏光から右円偏光およびその逆へ発光器４０により出力された光子の偏光を変更できる。
【００４２】
スピンフィルタリングされた電流のスピン偏極は、ゲート電圧および／またはフェルミリードの化学ポテンシャル（すなわち、電圧源ＶＳにより供給された電圧）を調整する変調器２０によっても制御されてよく、量子ドット２ａの電子数Ｎを奇数から偶数へと変更し、上述した磁場偏極に対して、フィルタリングされた電流は、Ｎが奇数の場合、下向きスピン状態の電子の電流であり、Ｎが偶数の場合、上向きスピン状態の電流である。
【００４３】
以下、図４および図５を参照しながら、図１に示す通信装置において使用されてよい受信機Ｒの例について記載する。
【００４４】
図４に示す受信機Ｒにおいて、偏光検出器検出器２２は、発光デバイス２１により放出される波長または波長バンドの光子を検出するために与えられた２つの光検出器４１ａおよび４１ｂを含む。光検出器４１ａおよび４１ｂの各々は、偏光フィルタＰＦ１およびＰＦ２と関連付けされ、偏光フィルタＰＦ１は、左円偏光された光子のみを伝送するようにされ、偏光フィルタＰＦ２は、右円偏光された光子のみを伝送するようにされる。
【００４５】
したがって、光検出器４１ａおよび４１ｂの各々は、適切な円偏光の光子を受けると、出力を信号抽出器２４に与えるのみである。信号抽出器２４は、光検出器４１ａおよび４１ｂから受信した信号から、通信に採用された変調方式に応じて、送信機Ｔにより送信されたデータを決定できる。
【００４６】
図５は、図１に示す通信装置において使用するのに適した受信機Ｒの任意の他の例の非常に概略的な図を示す。この例において、偏光検出器２３は、図２および図３を参照して上述したスピンインジェクタと同じ構造をもつが、異なる点は、コンタクトＬ１の一部が、受け取った光子Ｐに対して透過性のものであるか、受け取った光子Ｐがフェルミリード３の表面３ａに入射できる窓または孔３をもつことである。光子が入射することにより、対応するスピン極性の電子が発生する。
【００４７】
コンタクトＬ１およびＬ２の両端に、電圧／電流検出器２５が連結される。この実施形態において、電圧／電流検出器２５は、コンタクトＬ１およびＬ２の間に電圧を印加し、コンタクトＬ１およびＬ２の間に流れる電流を感知する。この電流は、量子ドット２ａの最も高い電子のスピン状態に依存し、上述したように、量子ドット２ａの最も高い基底状態の電子が上向きのスピン状態にあるとき、下向きのスピン状態の電子のみが量子ドット２ａを伝送される。
【００４８】
したがって、図５に示される偏光検出器２３は、受け取った光子が左または右円偏光されるかに応じた電流出力を与えることになる。このような２つの偏光検出器２３は、量子ドット２ａの一方が上向きのスピン状態にある最も高い基底状態の電子をもつようにされ、他方が下向きのスピン状態にある最も高い基底状態をもつようにされて与えられることにより、受け取った光子が右円偏光されると、電流がデバイスの一方を流れ、受け取った光子が左円偏光されると、２つのデバイスの他方を流れる。電圧／電流検出器２５の各々の出力は、上述したように、伝送されたデータを回復できる信号抽出器２４に与えられる。
【００４９】
上述した構成において、電圧／電流検出器２５は、コンタクトＬ１およびＬ２の間に電圧を印加し、電流が検出される。別の可能性として、電圧／電流検出器２５は、コンタクトＬ１およびＬ２の間に小さなバイアス電流をかけてよく、これらのコンタクトの間の電圧が検出されてよく、この場合、電圧は、入射光子が右または左円偏光であるかに応じる。
【００５０】
上述した受信器Ｒの各々により、発光デバイス２１により与えられる偏光変調信号からデータを回復することができる。
【００５１】
スピンインジェクタ３０は、例えば、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシ）またはＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）およびｘ線または電子ビームリソグラフィなどのリソグラフィ技術などの標準的な量子ドット形成技術を用いて製造されてよい。発光器４０は、一般的には、スピンインジェクタ３０に組み込まれることになる。
【００５２】
図６は、発光デバイス２１を製造する１つの方法を示すために、半導体本体１０の一部分の非常に略図的な断面図を示す。
【００５３】
この例において、スピンインジェクタ３０は、発光器４０の上部に形成される。発光器４０は、ｐ導電型ガリウムヒ素層４３を含み、その上に、ｐ導電型アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）層４４が設けられた後、真性（すなわち、故意にドープされていない）ガリウムヒ素層４５およびｎ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４６が設けられる。電極４７が、ｐ導電型ガリウムヒ素層４３と接触する。したがって、発光器４０は、ＰＩＮダイオードとして形成される。
【００５４】
スピンインジェクタ３０は、この例において、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の交互の層を成長させることにより形成される。フェルミリード３および４は、ｇ因子が約−０．４４であるガリウムヒ素で形成されてよいのに対して、量子ドット領域２は、ｇ因子が１５であるインジウムガリウムヒ素で形成されてよい。別の可能性として、量子ドット領域２は、ガリウムヒ素で形成されてもよい。しかしながら、量子ドット領域２を形成するためにインジウムヒ素を使用する利点として、量子ドット領域２のｇ因子がかなり高いため、スピンインジェクタ３０がＤＣ磁場を受けると、量子ドットのゼーマン分裂がガリウムヒ素の約３０倍大きくなることが挙げられる。これには、量子ドット領域２を形成するために、ガリウムヒ素ではなくインジウムヒ素が使用されると、動作温度が約３０倍高くなるという利点がある。同じ磁場に対して、ゼーマン分裂および動作温度のさらなる増大が、量子ドット領域２を形成するために磁気半導体を用いて達成される。例えば、使用される材料は、ＩＩ−ＶＩ族材料がＩＩＩ−Ｖ族材料に格子整合され、この例において、ｎ導電型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）である量子ドット領域２を形成するような組成を有するｎ導電型ベリリウムマンガン亜鉛セレン合金（ＢｅｘＭｎｙＺｎ１−ｘ−ｙＳｅ）であってよい。典型的に、ＩＩ−ＶＩ族合金は、組成Ｂｅ０．０７Ｍｎ０．０３Ｚｎ０．９Ｓｅであってよい。このようなＩＩ−ＶＩ族磁気材料を使用することにより、スピンフィルタリングデバイスの動作温度がさらに１０倍上昇されるため、印加磁場の大きさが数テスラであり、量子ドットの寸法が５０ナノメートル以下である室温で動作できる。
【００５５】
ＰＩＮダイオード４０の上部に堆積される層は、コラムＣを規定するための標準的な垂直量子ドットを規定するリソグラフィ技術を用いてパターン化されて、第１および第２のｎ導電型ＩＩＩ−Ｖ族領域が、上記に説明したように、量子ドット領域２を規定する別のＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族領域のいずれかにより分離されるフェルミリード３および４を規定する。図５から分かるように、エッチングプロセスは、ＰＩＮダイオードに堆積された最下層の底部から最後まで継続せず、この層の一部分３ａが残る。
【００５６】
次に、フェルミリード３とオーム接触が可能になるようにクロム層１２が堆積された後、絶縁材料（一般的に、二酸化シリコン）層１３、さらなる金属層（一般的に、クロム）１４、さらなる絶縁層１５の順番で設けられる。公知の方法でこれらの層にビアＶ１およびＶ２がエッチングされ、金属（ここでも、一般的に、クロム）が堆積されて、クロム層１２と接触する第１のコンタクトＬ１と、クロム層１４と接触するゲートＧと、フェルミリード４と接触するコンタクトＬ２とを規定する。
【００５７】
構造全体は、ＰＩＮダイオード４０の上部にＭＥＳＡとしてスピンインジェクタ３０を規定するために、標準的なリソグラフィ技術を用いてパターン化されることにより、ＰＩＮダイオード構造のｎ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４６の最上面の領域ＳＡが、使用中、光子Ｐを放出可能であるように露出される。
【００５８】
図７は、発光デバイス２１の別の例を示すために、半導体本体１０ａの一部の非常に略図的な断面図を示す。この例において、半導体本体１０ａは、基板１１を含み、一般的に真性（すなわち、意図的にドープされていない）ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板１１に、ＭＢＥおよびＭＯＣＶＤの分野で公知のように、クリーンで比較的欠陥がない表面Ｓを与えるために、ガリウムヒ素│アルミニウムガリウムヒ素超格子素子構造ＳＬが成長されてよい。
【００５９】
この例において、スピンインジェクタ３０は、図６に示されているものと同じ構造をもつ。しかしながら、スピンインジェクタ３０は、ＰＩＮダイオード４０の上部ではなく、超格子素子ＳＬの上部に形成される。標準的なリソグラフィ、エッチングおよびエピタキシャル技術を用いて、ＰＩＮダイオード４０’は、スピンフィルタリングデバイスから横方向に間隔を置いて超格子素子ＳＬ上に形成される。ＰＩＮダイオード４０’は、ｐ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４３’と、ｐ導電型ガリウムヒ素層４４’と、真性ガリウムヒ素層４５’と、使用中、光子Ｐが放出される表面ＳＡ’を与えるｎ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４６’とがこの順番からなる。層４４’、４５’および４６’は、層４３’のコンタクト領域ＣＯを露出するためにエッチングされ、絶縁材料１６および金属が堆積されリソグラフィ技術で規定されて、ｐ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４３’と接触する電極４７’と、ｎ導電型アルミニウムガリウムヒ素層４６’にコンタクトＬ２を連結する電極４８とを規定する。
【００６０】
図６および図７は、相対的な寸法が比例していない略図的なものであることを認識されたい。特に、同図において、層の厚みは、比較上誇張したものであって、一般的に、ＰＩＮダイオード４０または４０’の発光表面の領域ＳＡまたはＳＡ’は、図示した領域よりもかなり大きいものである。
【００６１】
標準的なリソグラフィ技術を用いると、コラムＣの断面は、直径が約０．５マイクロメートルの円形であってよく、当業者に理解されるように、量子ドット領域２内の量子ドットを規定する程度に小さいものではない。しかしながら、当業者に公知のように、図６または図７の横方向の閉じ込めは、ゲートＧに電圧を印加して、量子ドット領域２内に直径が約５０ナノメートルの量子ドットを規定することで達成されてよい。
【００６２】
量子ドットは、量子クーロンブロッケード領域で動作するように要求される。上記に挙げた材料および量子ドットの場合、量子化された準位間隔およびクーロン電荷エネルギーは、ほぼ１ｍｅＶ（ミリ電子ボルト）程度のものであるため、この例において、デバイスは、従来の低温発生技術を用いて、液体ヘリウム温度（数ケルビン）で動作されなければならない。しかしながら、量子ドットのサイズを１０分の１に縮小すると、必要な温度が１００倍に上昇するため、室温で動作可能となることは、当業者により認識されるであろう。
【００６３】
ＤＣ磁場発生器５は、多くとも数テスラ程度の均質のＤＣ磁場を発生するように要求される。したがって、ＤＣ磁場発生器５は、市販のナノマグネットからなる。他の可能性として、ＤＣ磁場発生器５は、ＩＢＭ磁気ストレージディスクに使用されているものと同様の方法で与えられてよく、または、ジスプロシウムドットが使用されてよい。ナノマグネットまたはジスプロシウムドットが使用される場合、これらは、デバイス１と一体化されてよい。別の可能性として、ＤＣ磁場発生器５として、超伝導マグネットが使用されてよい。量子ドット領域２のｇ因子に応じて、要求される磁場は、例えば、永久磁石または電気駆動式ソレノイドにより与えられてよい。
【００６４】
当業者に認識されるように、例えば、図６または図７に示す構造を備え、スピンインジェクタ３０および発光器４０、４０ａを含む多数の発光デバイス２１が、同じ基板に集積され連結されて、発光デバイス２１の二次元アレイを与えてよく、個々の発光デバイスにより発生する光子の偏光は、Ｎを奇数または偶数になるように選択することにより、または、上述したように、磁場を局所的に反転させることにより制御可能である。
【００６５】
図８は、発光デバイス２１の二次元アレイが形成された半導体本体１０の一部の断面図を示し、図９は、個々の発光デバイスのアドレッシングを示すために、アレイ３０のブロック図を示す。
【００６６】
図８は、スピンインジェクタ３０および発光器４０を含む単一の発光デバイス２１を有する半導体本体の一部の断面図を示す。半導体本体が保有するこのようなデバイスの二次元アレイは、図９に示すｘおよびｙ方向の行列に延在し、図９に略図的に示すように、行および列の導体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＣ１〜Ｃ３により連結される。図９は、発光デバイス２１からなる３×３アレイＭＡを示すが、一般的に、メモリは、より多数のこのようなデバイスからなる。
【００６７】
図８から分かるように、スピンインジェクタ３０の構造は、図６に示すものと同じである。しかしながら、この場合、発光器４０は、コンタクトＬ２の下部ではなく上部に形成され、スピンインジェクタ３０と基板１１との間には、図８のｙ方向に延在する間隔を置いて設けられた第１の平行な導体２０２と、第１の導体から絶縁層２０１により分離され、図８のｘ方向（すなわち、紙面）に延在する間隔をいて設けられた第２の平行な導体２０２とからなり、第１および第２の導体２００および２０２が相互に直交するようにされた電流格子構成が介在する。
【００６８】
第２の導体２００は、絶縁層２０３によりメモリデバイス１から分離される。絶縁層は、当業者に公知のように、二酸化シリコンまたは真性ガリウムヒ素を含んでよい。
【００６９】
相互に直交した第１および第２の導体２００および２０２は、第１および第２の導体２０１および２０２の間の交差点ＣＰに各スピンインジェクタ３０が配置されるように配設される。
【００７０】
図９に示されているように、発光デバイス２１の行にあるスピンインジェクタのフェルミ入力リード３のコンタクトＬ１は、行導体Ｒ１〜Ｒ３のそれぞれを介して、入力１０１に行導体をアドレッシングさせる入力シフトレジスタ１００に連結される。列にあるフェルミ出力リード４の各々のコンタクトＬ２は、対応する列導体Ｃ１〜Ｃ３に連結される。
【００７１】
この例において、ゲートＧのすべてが同じ電圧で駆動され、当業者に公知のように、ゲート駆動回路（ＧＤ）１０４に共通の電極ＣＥを介して連結される。第１の電流導体２０１の各々が第１の駆動回路２０４に連結されるのに対して、第２の導体の各々が第２の駆動回路２０５に連結される。
【００７２】
図９に示されているように、第１および第２の電流導体２０１および２０２のピッチは、行および列導体のものより小さいため、各発光デバイス２１は、第１および第２の導体２０１および２０２の対と独自に関連付けされる。したがって、例えば、発光デバイス２１２、２（２２とは、発光デバイスが２行２列にあることを意味する）は、５番目の第１の導体２０１５および５番目の第２の導体２０２５に連結される。
【００７３】
図８および図９に示された実施形態において、電流格子の第１および第２の駆動回路２０４および２０５は、選択された発光デバイスの特定のスピンインジェクタに対して局所的に印加される磁場を調節するために使用される。これは、選択された発光デバイスに独自に関連付けされた第１および第２の導体２０１および２０２（例えば、デバイス１２２に対して、第１の導体２０１５および第２の導体２０２５）に、要求された極性のスピンインジェクタ３０２２でゼーマン分裂を生じさせるには個々では不十分であるが、合わさるとそれを生じさせるのに十分な磁場を与える電流を供給することにより達成される。
【００７４】
第１および第２の駆動回路２０４および２０５により第１および第２の導体２０１および２０２に供給される電流は、各スピンインジェクタでの局所的ＤＣ磁場の極性が、関連する発光器が左円偏光または右円偏光された格子を放出するように、一方の方向または他方のいずれかになるものである。
【００７５】
アレイ全体に一定のＤＣ磁場を発生させるために、別々のＤＣ磁場発生器が設けられてよく、電流格子の第１および第２の駆動回路２０４および２０５は、要求されたゼーマン分裂を与えるように局所的にＤＣ磁場を修正するために使用されてよい。
【００７６】
列にあるスピンインジェクタ３０は、公知の方法で２つの導体を順次アドレッシングすることにより順次的にアクセス可能であるため、スピンインジェクタ３０がアドレッシングされるたびに、関連する発光器４０は、対応する量子ドットにある最も高い奇数の電子のスピン状態に応じた方向に円偏光された格子を放出する。
【００７７】
別の可能性として、１行につき１つの導体２０１および１列につき１つの導体２０２しか要求されないように、第１および第２の駆動回路２０４および２０５に対して、多重駆動構成が使用されてよい。
【００７８】
発光デバイス３０は、各発光デバイスの出力が、光子の偏光が上述したように変調されて送信される信号の異なる部分を表すように順次駆動されてよい。別の可能性として、第１および第２の駆動回路は、アレイにより単純により大きな光子出力が受信機Ｒにより検出できるように、発光デバイス２１のすべてを同期させて配設されてよい。
【００７９】
上述した実施形態において、送信機および受信機は、サイト通信装置の直接ラインを形成する。しかしながら、本発明は、送信ビームが、検出するための発信送信機へ戻されるか、あるいは受信機により変更または変調される逆反射システムに適用されてもよい。これは、例えば、図１に示す受信機Ｒを、反射率を変える複合量子井戸デバイスなどの逆反射体や、ミラーまたはコーナーキューブなどの受動リフレクタと取り替えて、図１の送信機内に受信機Ｒの構成部品を与え、反射すると、円偏光された光子の偏光が１８０°回転することのデータ抽出を考慮に入れることにより達成されてよい。
【００８０】
図１０は、逆反射タイプの通信装置の別の例を示すために、図１に類似した機能ブロック図を示す。
【００８１】
この例において、送信機Ｔは、送受信機Ｔ／Ｒの形のものであり、図１に示す送信機構成部品に加えて、偏光検出器２２および信号抽出器２４を含む。
【００８２】
しかしながら、この場合、単純に逆反射体を与える代わりに、図１に示す受信機Ｒは、図４または図５を参照して上述した形を有するものであってよい偏光検出器２２と、送信機データを偏光検出器の出力から引き出す信号測定器２４ａとからなる送受信機Ｒ／Ｔと取り替えられる。信号測定器２４ａの出力は、スピン偏極された電荷キャリアを発光器４０’に注入するスピンインジェクタ３０’を、上述したものと同じ方法で制御する変調器２０’に与えられる。発光器４０’により放出された光子Ｐ’は、送受信機Ｔ／Ｒの偏光検出器２２により検出され、送信データは、上述したように、信号抽出器２４により抽出される。
【００８３】
スピンインジェクタ３０および３０’、発光器４０および４０’および偏光検出器２２は、上述したものと同じ形のものであってよい。
【００８４】
信号測定器２４ａおよび変調器２０’により、スピンインジェクタ３０’および発光器４０’を含む発光デバイスが、何ら修正することなく、送受信機Ｒ／Ｔの偏光検出器２２により受信された信号を戻す。別の可能性として、信号測定器２４ａおよび変調器２０’は、例えば、位相またはそれを変調する振幅により信号を修正してよい。別の可能性として、発光器４０’は、発光器４０とは異なる周波数で光子を放出するように配設されてよい。この場合、送受信機Ｔ／Ｒの偏光検出器２２は、発光器４０’により放出される周波数の光子を検出するように適用されることになる。
【００８５】
上述したように、スピンインジェクタは、量子ドットの寸法が、非常に低い温度（典型的に、液体ヘリウム温度、すなわち、数ケルビン）での動作を要求する約５０ナノメートルであるように形成されてよい。しかしながら、動作温度は、量子ドットサイズが縮小すると大幅に上昇し、例えば、ドットサイズが１０分の１に縮小されると、要求される温度が１００倍上昇して、室温での動作が可能となる。当業者に認識されるように、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）ナノ結晶は、ドット直径が６ナノメートルで、クーロン電荷エネルギーが３０ミリ電子ボルトで形成された。また、クーロンブロッケードの挙動は、Ｃ６０分子およびカーボンナノチューブにおいても高温で見られた（例えば、上述したＳｏｈｎらの「メゾスコピック電子輸送」というタイトルのテキストブックを参照）。実際のところ、量子ドットと大きな分子または原子との間に基本的な物理的不連続性がないため、本発明は、このような量子閉じ込めナノ構造または領域にも適用されてよい。
【００８６】
サイズ制約が困難な場合、上述した実施形態において、スピンインジェクタの状態をアドレスし読み取るために、走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）技術が使用されてよい。例えば、必要な場合、分子または原子レベルでの動作が可能であるように、原子的にシャープな走査トンネルチップの微視的アレイを用いて、アドレッシングおよび読み取りが達成されてよい。
【００８７】
上述された要求、
ΔＺ＞ＫＢＴ                    （４）
は、以下の理由により必要に応じて緩和される。したがって、
ΔＺ＜ＫＢＴ（＜準位間隔）                    （５）
であれば、量子ドットにある２つの最も低いスピン状態（上向きスピンおよび下向きスピン）は、ほぼ同等に存在するようになり、上向きスピンおよび下向きスピンの占有確率の比率が以下になることが容易に示される。
１＋ΔＺ／ＫＢＴ                    （６）
上記式は、結果的に、出力フェルミリード４における上向きスピンと下向きスピンの電流の比率を表す。したがって、スピンフィルタリング効果は非常に小さくなる。
ΔＺ／ＫＢＴ＜＜１                    （７）
【００８８】
しかしながら、上述した「Ｌｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅ」に報告されているように、Ｏｈｎｏらが数パーセントの上向きおよび下向き電流の不均衡を検出できたとすると、上述したように、ＰＩＮダイオードおよび光検出器を用いて、上向きスピンおよび下向きスピンの電流間のこのような不均衡を検出することが可能である。したがって、ＫＢＴが量子ドットのゼーマン分裂ΔＺより最大５０倍大きい状態で上向きスピン／下向きスピン電流の不均衡が検出可能でなければならない。したがって、上述したように、インジウムヒ素などのｇ因子が１５である材料を量子ドットに対して使用し、量子ドットを適切に選択することにより、室温に近い動作温度を容易に達成できる。
【００８９】
上述した実施形態は、垂直スピンインジェクタおよびＰＩＮダイオードを示すが、横方向の形態で半導体または絶縁体基板上に形成されてよい。例えば、Ｓｏｈｎらによる上述したテキストブックの「量子ドットにおける電子輸送」というタイトルの章の図１．３を参照して記載されているように、電子を用いて２次元電子ガスを閉じ込めることにより、横方向のスピンインジェクタが与えられてよい。
【００９０】
上述した実施形態において、スピンインジェクタ３０は、単一の切り換え可能なスピンインジェクタからなり、スピンインジェクタにより与えられるスピン偏極された電子のスピン状態は、変調器２０により制御される。図１１は、本発明による通信装置の別の例の略図的機能ブロック図を示し、上述したものと異なる点は、発光デバイス２１が、第１および第２のスピンインジェクタ３０ａおよび３０ｂを有し、その各々が、対応する発光器４０’および４０’’に関連付けられている点である。この場合、変調器２０は、第１および第２のスピンインジェクタ３０ａおよび３０ｂをそれぞれ制御するコントローラ２０ａおよび第１および第２の変調器２０ｂおよび２０ｃと取り替えられる。
【００９１】
第１および第２のスピンインジェクタ３０ａおよび３０ｂの一方は、上向きスピン状態の電子を与えるように配設されるのに対して、他方は、下向きスピン状態の電子を与えるように配設される。この場合、コントローラ２０ａは、送信されるデータおよび採用されている変調方式に応じて、第１および第２の変調器２０ｂおよび２０ｃの動作を制御することにより、ディジタル０を左円偏光された光子で表し、ディジタル１を右円偏光された光子で表す単純な場合において、コントローラ２０はａは、左円偏光された光子が要求される場合、それと関連する発光器に左円偏光された光子を放出させるスピンインジェクタ３０ａまたは３０ｂのみが作動され、以下同様に作動されるように、適切に第１および第２の変調器２０ｂおよび２０ｃを作動させる。この場合、偏光検出器２２は、全体的な偏光を検出することになり、３つの可能な異なる偏光結果があり、全体的な偏光は、両方の発光器が作動しているときゼロであり、発光器の一方のみが作動しているとき、左または右円偏光された光子である。また、第１および第２の変調器２０ｂおよび２０ｃは、上述したように、発光器を流れる電流を制御することにより、振幅変調を可能にしてよく、さらに、例えば、２つの発光器４０’および４０’’の出力間の相対タイミングを制御することにより、位相変調によりデータが伝送されてよい。信号抽出器２４は、装置の任意の特定の例で、振幅および位相（タイミングに対して）変調および偏光変調を含んでよい通信に対して決定された変調方式に応じて、情報を抽出するようにされてよいことは言うまでもない。
【００９２】
第１および第２のスピンインジェクタ３０ａおよび３０ｂは、上述した構造を備えたものであってよく、この場合、量子ドットの最も高い基底状態の電子のスピン状態は、第１および第２のスピンインジェクタの一方の量子ドットにより、上向き状態の電子のみが発光器に注入され、他方の第１および第２のスピンイジェクタの量子ドットにより、下向き状態の電子のみが関連する発光器４０’’に注入されるように固定される。
【００９３】
別の例として、スピンインジェクタ３０ａおよび３０ｂは、例えば、１９９９年１２月１６日に発行されたＮａｔｕｒｅの第４０２巻第７９０〜７９２頁のＬｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅとして発表されたＯｈｎｏらによる「強磁性半導体ヘテロ構造における電気スピンイジェクション」（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｐｉｎ  Ｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）というタイトルの文献や、１９９９年１２月１６日に発行されたＮａｔｕｒｅの第４０２巻７８７〜７８９頁に発表されたＦｉｅｄｅｒｌｉｎｇらによる「発光ダイオードにおけるスピン偏極電流の注入および検出」（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｓｐｉｎ−Ｐｏｌａｒｉｓｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎ  ａ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）というタイトルの別のＬｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅに記載されているように、強磁性半導体のヘテロ構造の形のものであってよい。
【００９４】
図１２ａは、ＦｉｅｄｅｒｌｉｎｇらによりＬｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅに記載された原理を用いて、発光デバイス３０’’の例を略図的に示す半導体本体１００の断面図を示す。この場合、デバイス構造は、Ｐ導電型ガリウムヒ素層１０１と、ｐ導電型アルミニウムガリウムヒ素層１０１ａと、真性（意図的にドープされていない）ガリウムヒ素層１０３と、ｎ導電型アルミニウムガリウムヒ素層１０４とがこの順序からなるＰＩＮダイオードを含む。このＰＩＮダイオードの上部には、比較的低濃度のｎ導電型磁気半導体層１０５と、より高濃度のｎ導電型磁気半導体層１０６とがこの順序からなる形の磁気半導体材料が設けられる。層１０１および１０６に、オーム接触１０２ａおよび１０２ｂが与えられ、磁気半導体材料層１０５および１０６は、ＰＩＮダイオードの上部にＭＥＳＡを規定するように選択的にエッチングされて、表面ＳＡから光子Ｐが放出される。
【００９５】
この例において、磁気半導体材料は、四元素からなるＩＩ、ＶＩ族磁気半導体材料である。
ＢｅｘＭｎｙＺｎ１−ｘ−ｙＳｅ                    （１）
磁気半導体材料は、磁場Ｂ内にデバイスが配置されると、スピン整列材料として機能し、Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇの文献に説明されているように、スピン偏極された電子をガリウムアルミニウム／アルミニウムガリウムヒ素発光ダイオードに注入するように働き、発光ダイオードは、それに応答して、円偏光した光子を放出する。Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇの文献に記載されているように、電子のスピン偏極、ひいては、放出された光子の円偏光は、磁場を反転させることにより制御可能である。したがって、図１１に示す第１および第２のスピンインジェクタの両方は、図１２ａに示す構造をもつものであってよいが、２つの異なるスピンインジェクタに対して異なる極性の磁場を発生させるナノ磁気学またはジスプロシウムドットなどに関連付けされてよい。２つのスピンインジェクタは、２つのスピンインジェクタの一方が他方の磁場発生器の近接場内にないように分離されるのであれば、同じ基板上に形成されてよい。典型的に、これは、２つのスピンインジェクタ間の分離が、それぞれのフットプリント（断面積）と比較できるものであれば達成可能である。
【００９６】
図１２ｂは、前述したＬｅｔｔｅｒｓ  ｔｏ  ＮａｔｕｒｅにＯｈｎｏらにより記載されたタイプのスピンインジェクタの例を略図的に示す。この場合、強磁性ヘテロ構造は、ガリウムヒ素がベースになっており、ｎ導電型ガリウムヒ素基板２０１と、その上に設けられたｎ導電型ガリウムヒ素バッファ層２０２と、真性ガリウムヒ素層２０３と、真性インジウムガリウムヒ素層２０４と、真性ガリウムヒ素スペーサ層２０５と、その上に設けられた、この場合、ｐ導電型のガリウムマンガンヒ素層２０６の形をした強磁性材料とがこの順序からなる。層２０１および２０６に、コンタクト２０７ａおよび２０７ｂがそれぞれ設けられる。この場合も、強磁性半導体層２０６は、スピン偏極された電子をＰＩＮダイオードに注入するスピン偏極器として作用し、ＰＩＮダイオードは、磁場の方向に応じて左円偏光または右円偏光される円偏光された光子を発生する。さらに、磁場を反転させると、ＰＩＮダイオードに放出された電子のスピン状態、ひいては、デバイスにより放出された円偏光された光子の偏光が反転する。
【００９７】
第１および第２のスピンイジェクタとして、他の形態の強磁性ヘテロ構造が使用されてよく、スピン注入のスピン偏極は、それぞれの局所磁場により制御される。強磁性半導体ヘテロ構造のさらなる例は、例えば、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、第８１巻（２０００）の第２５８〜２６２頁に発表された「磁気電気デバイスの強磁性金属半導体ヘテロ構造」（Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｍａｇｎｅｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）というタイトルのクーら（Ｘｕ  ｅｔ  ａｌ．）による論文と、国際特許出願公開第９７／４１６０６号に記載されている。
【００９８】
上述した例において、図１２ａおよび図１２ｂを参照すると、スピンインジェクタにより与えられた電荷キャリアのスピン偏極は、磁場の偏極により制御される。Ｎａｔｕｒｅ、第４０８巻、２０００年１２月２１／２８日、第９４４〜９４６頁に発表された「強磁性の電場制御」（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ）というタイトルのＯｈｎｏらによるさらなるＬｅｔｔｅｒ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅによれば、電場制御は、強磁性半導体材料として、インジウムマンガンヒ素（Ｉｎ、Ｍｎ）Ａｓなどの正孔誘起強磁性を示す材料を使用し、これを絶縁されたゲート電極に結合させることにより達成可能であることが提示されている。例えば、図１２に示す発光デバイスを達成するために、強磁性層２０６の周囲に環状の絶縁ゲートＩＧ構造を設け、絶縁ゲートの導電層を関連する変調器２０ｂまたは２０ｃにより制御可能なゲート電圧源ＧＶに結合させることにより、上述したＮａｔｕｒｅの第４０８巻に発表されたＯｈｎｏらのｌｅｔｔｅｒに記載されているように、強磁性層内で強磁性を制御できる。
【００９９】
このような電場制御可能な強磁性層は、図２および図３を参照して上述したスピンインジェクタの入力フェルミリードとして使用されてよい。図１３は、図６に類似し、図６に示す発光デバイスの修正の断面図を示し、Ｏｈｎｏらの文献に記載されているように、フェルミリード４が、正孔誘起強磁性を示す強磁性材料から形成され、ゲート絶縁体３００と導電層３０１からなる垂直絶縁ゲート構造が、フェルミリード４内で強磁性の電場制御が可能な絶縁ゲートコンタクトＩＧに結合されている。Ｏｈｎｏらに記載されているように、正孔濃度を増大させるために絶縁ゲートを用いて生じた常磁性から強磁性への磁気位相変化は、図１３に示すデバイス構造において、量子ドット２ａのエネルギーレベルを変化させる効果があることにより、量子ドット２ａの最も高い基底電子のスピン状態を変更し、発光器に注入される電子のスピン状態を制御する。したがって、スピンイジェクタにより放出される電子の偏光は、絶縁ゲートに印加された電圧を制御することにより制御可能である。
【０１００】
上述した実施形態により、スピンインジェクタにより注入された電流をスピン偏極することにより光子の偏光が制御されるように、注入された電子のスピン偏極により偏光変調が実行される偏光変調を使用した通信装置が提供される。光子偏光の変調速度は、数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）を超えるスピン偏極された電流を変調するために達成されるものと同じである。数十ギガヘルツの変調速度は、標準的な変調方式から得られるが、より大きな帯域幅が要求され、さらに、上述したスピンインジェクタは、電子慣性およびデバイス容量の問題により制限されないため、さらに大きな帯域幅を与えなければならず、既存の光通信手法から得られるものより大きい１テスラ当たり数十ギガヘルト程度のものが予想される。さらに、振幅、時間および変更変調を同時に使用することにより、３つのレベルの符号化方式が可能になり、帯域幅をさらに改良できる。さらに、組み合わされた振幅、位相および偏光変調を使用することにより、調和およびスペクトル面の可能性を含む新規かつより強力な符号化方式の可能性が提供される。
【０１０１】
さらに、従来の偏光変調器と対照的に、上述したソリッドステートのスピン制御偏光変調器は、少ないボリュームまたはフットプリント、低コストおよび容易な電子集積化に役立つ。さらに、異なるスイッチング偏光で複数の光信号またはビームを発生し、光干渉技術を用いてさらなる機能の可能性を備えるために、図８および図９を参照して上述したような発光デバイスのアレイが使用されてよい。
【０１０２】
例えば、図１０に示す通信装置は、国際特許出願公開第９８／３５３２８号または同第ＷＯ００／４８３３８号に記載されているようなポイント・ツー・ポイント逆反射自由空間通信方式において使用されてよく、同文献の両方において、高帯域幅を多数の同時ユーザに分配する能力と組み合わせた見通し線のポイント・ツー・ポイントリンクの高データ帯域幅が提供されている。複数のエンドポイントまたは受信機の各々は、図１０を参照して上述したように、戻り光ビームを変調することにより、同時送受信動作を可能にする。
【０１０３】
上述した実施形態において、送信機と受信機の間または送信機／受信機と受信機／送信機との間の光通信は自由空間と通る。しかしながら、本発明は、受信機と送信機との間の通信が、Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌにより出版されているＳ．Ｄｅｓｍｏｎｄ  Ｓｍｉｔｈによる「光電子デバイス」（Ｏｐｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）というタイトルのテキストブックの第３４４頁に記載されているように、光結合用に使用される偏光維持光ファイバを用いて、光ファイバ結合を介した場合にも適用されてよい。
【０１０４】
認識されるように、単信および同時送受信の通信システムのさまざまな組み合わせおよび変形が、上述した発光デバイスを従来の他の光通信システムとともに使用してなされてよい。また、本発明は、絡み合いのために偏光を制御しビームを組み合わせるために、可変（四分の一）波長板を適切に使用して、このような２つの発光デバイスを使用することにより、量子暗号応用に使用されてもよい。
【０１０５】
上述した実施形態において、発光器は、ＰＩＮダイオードである。ＰＩＮダイオードは、レーザダイオードであってよい。別の例として、発光器は、例えば、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってよく、これは、例えば、欧州特許出願公開第０４９１５０２号に記載されており、スピンインジェクタを介してＶＣＳＥＬに注入された電子がスピン偏極されて、ＶＣＳＥＬにより放出される光子の偏光を安定化または制御するように作用するという事実により、例えば、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌにより製造される。別の態様において、本発明によれば、放出された光の偏光は、上述したように、ＶＣＳＥＬの電流源としてスピンインジェクタを使用することにより制御されるＶＣＳＥＬが提供される。
【０１０６】
上述したように、スピンインジェクタにより与えられる電子のスピン偏極は、磁場を制御することにより制御されてよい。したがって、このようなスピンインジェクタは、磁場検出器として使用されてよく、スピンインジェクタの出力は、スピン偏極検出器に連結される。この場合、図２および図３に示す例において、ＤＣ磁場発生器５は省略されてよく、磁場がないとゼーマン分裂が生じず、スピン偏極が生じないのに対して、十分な強度の一方または他方の極性の磁場が存在すれば、一方または他方のスピン偏極の電子からなる電流が発生する。この場合、偏光検出器２３は、例えば、上述したような発光器４０と、信号抽出器２４を有する図４に示す偏光検出器２３とからなるものであってよく、この場合、スピンインジェクタが偏極された電流を与えているかを光検出器４１ａおよび４１ｂの出力から決定し、与えていれば、その偏極状態を決定するように動作することで、磁場が存在するか、存在すれば、その偏極を決定することができる。
【０１０７】
このような磁気センサには、センサの感度を高めるために、均一に印加された磁場を集束させるための集束ソフト磁極部分が設けられてよい。これらのソフト磁極部分は、図６に示す構造の表面にパーマロイを堆積し、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて層をパターン化して、参照符号４００が付与された円錐台形状が軟磁極部分を表す図１５に略図的に示されているものと類似した金属化パターンを形成することにより与えられてよい。
【０１０８】
また、強磁性ヘテロ構造を利用する上述したスピンインジェクタは、同様の理由で、磁場を検出できるように使用されてよく、この場合も、磁場の存在およびその偏極は、スピンインジェクタからの電流が偏極されているか、偏極されていれば、そのスピン偏極状態に応じて決定される。
【０１０９】
上述した発光デバイスは、しきい値付近でスピンインジェクタを動作させることにより、高周波信号を発生できるように使用されてよく、それにより、ミキサとしてデバイスを動作させるために関連した非線形性を用いることで、第２の入力パラメータ、例えば、磁場または電場により変調される場合、和および差の周波数が得られる。
【０１１０】
層内で強磁性を制御するために、図１４を参照して上述したように電場を用いることは、上述したスピンインジェクタにおいて有益であることに加えて、国際特許出願第ＧＢ００／０３４１６号に記載されているように、スピンメモリデバイスにおいて使用されてもよい。図１６および図１７は、このようなメモリデバイスを示す図２および図３に類似した略図的な機能図である。外見上、このメモリデバイスは上述したスピンインジェクタに類似しているように見えるが、その動作は著しく異なる。この理由は、国際特許出願第ＧＢ００／０３４１６号に説明されているように、図２および図３を参照して上述したスピンインジェクタとは異なり、図１６および図１７に示すメモリにおいて、量子ドット領域２およびフェルミリード３および４は、フェルミリード３および４のｇ因子が量子ドットよりも著しく大きくなる材料から形成され、例えば、磁気ＩＩ−ＩＶ族半導体材料で形成されるのに対して、量子ドット領域は、ＩＩＩ−ＩＶ族半導体材料で形成される。このようなｇ因子の差が意味することは、上述した国際特許出願に記載されているように、図１７に示すＤＣ磁場発生器５により磁場が印加されるとき、フェルミリード３および４のゼーマン分裂が量子ドットよりかなり大きいということであり、フェルミリード３および４の電子電流がスピン偏極されることにより、例えば、フェルミリードの電流が上向きスピン状態に偏極され、量子ドットの最も高い基底状態の電子も上向きのスピン状態であれば、ドットに連続したトンネルが発生しない。電子スピン共鳴技術に従って量子ドット内のゼーマン分裂に等しいエネルギーをもつ周波数ωで、図１６に示すＡＣ場発生器６を用いてＤＣ磁場に垂直なＡＣパルスをかけることにより、ラービスピンフロップが生じることにより、基底状態の電子のスピン状態が、上向きスピン状態から、連続トンネルを可能にするエネルギーがより下向きのスピン状態へ変化する結果、電流センサＣＳにより検出可能な電流が得られる。このようにして、量子ドットの最も高い基底状態の電子のスピン状態は、ＡＣパルスの印加に応答して電流センサにより決定されて、このデバイス構造をメモリとして使用できる。
【０１１１】
正孔誘起強磁性を示す半導体材料からなる入力フェルミリード３を与え、図１６および図１７に略図的に示されているように、常磁性から強磁性への磁気位相変化が、絶縁ゲート電極ＧＡに適切な電圧を印加してフェルミリード４に誘起できるように、絶縁ゲート電極ＧＡおよび補助ゲート電圧制御６００を与えて、国際特許出願第ＧＢ００／０３４１６号に記載されているデバイス構造は、図１３を参照して上述したものと類似した方法で修正されてよい。上述したように、層３のこのような磁化は、量子ドット２ａのエネルギーレベルを変化させ、量子ドットの最も高い基底状態の電子のスピン状態に変化を生じさせるように使用可能であるため、ゲート電極ＧＡに印加された電圧により、最も高い電子が上向きのスピン状態または下向きのスピン状態の電子であるかを決定できる。これにより、メモリデバイスの状態（すなわち、０または１のいずれの状態を表すか）が、補助ゲート電圧制御６００により印加された電圧により制御可能である。国際特許出願第ＧＢ００／０３４１６号に記載されているように、このようなメモリデバイスの二次元アレイが与えられ、各量子ドットの最も高い電子のスピン状態が、対応するゲート電極ＧＡに印加された電圧により制御される。したがって、メモリデバイスの電場制御が与えられる。
【０１１２】
上述した実施形態において、上述した半導体材料は、一般的に、ＩＩＩ−Ｖ族の材料である。例えば、発光器および／またはスピンインジェクタに対して、シリコンやゲルマニウムなどの他の半導体材料が使用されてよい。上記実施形態において、強磁性半導体について参照している場合、強磁性金属を使用することも可能である。また、上述したスピンインジェクタおよびスピンメモリデバイスのさらなる利点は、それらが耐放射線性デバイスを要求する環境において、ダイナミックランダムアクセスメモリのシリコン・オン・インシュレータデバイスの変わりに用いられてよいことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する通信装置の非常に略図的な機能ブロック図である。
【図２】図１に示した通信装置の送信機の一部の略図的な機能図である。
【図３】図１に示した通信装置の送信機の一部の略図的な図２と異なる機能図である。
【図４】図１に示した通信装置において使用するための受信機の一例の機能ブロック図である。
【図５】図１に示した通信装置において使用するための受信機の別の例の機能ブロック図である。
【図６】図１に示した通信装置の送信機において使用するための、スピンインジェクタと発光器とを含む発光デバイスの一例を示す半導体本体の一部の非常に略図的な断面図である。
【図７】図１に示す通信装置の送信機において使用するための別の例を示す半導体本体の一部の非常に略図的な断面図である。
【図８】図１に示す通信装置の送信機において使用するための発光デバイスの別の例を示す半導体本体の一部の断面図である。
【図９】図１に示す通信装置の送信機において使用されてよい二次元アレイの機能図である。
【図１０】本発明を実施する通信装置の別の例の非常に略図的な機能ブロック図である。
【図１１】本発明を実施する通信装置の別の例の非常に略図的な機能ブロック図である。
【図１２】図１１に示す通信装置において使用するのに適した発光デバイスの例の部分の略図的な断面図である。
【図１３】図６のものに類似し、図１に示す通信装置の送信機において使用するための発光デバイスの別の例を示す半導体本体の部分の非常に略図的な断面図である。
【図１４】修正を示すための図１２ｂに示すスピンインジェクタの部分の略図である。
【図１５】磁場を集束するための軟磁極部分の追加を示すための図６に示したスピンインジェクタの非常に略図的な平面図である。
【図１６】本発明を実施するメモリデバイスの非常に略図的な機能図である。
【図１７】本発明を実施するメモリデバイスの非常に略図的な機能図である。
【符号の説明】
５    ＤＣ場発生器                    ６    ＡＣ場発生器
１０    信号源                        ２０    変調器
２０ａ  コントローラ                  ２０ｂ  第１の変調器
２０ｃ  第２の変調器                  ２１    発光器
２２    偏光検出器                    ２３    偏光検出器
２４    信号抽出器                    ２４ａ  信号測定器
２５    電圧電流検出器                ３０    スピンインジェクタ
３０ａ  第１のスピンインジェクタ
３０ｂ  第２のスピンインジェクタ
４０    発光器                        ４１ａ、４１ｂ  光検出器
１００    入力                        ２０４    第１の駆動回路
２０５    第２の駆動回路              ６００    補助ゲート電圧制御
【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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【図１６】
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【図１７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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