(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気光学素子とこの磁気光学素子に磁場を印加する磁場印加手段とを備え、
上記磁気光学素子が、Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とＺｎＴｅ半導体とを積層してなり、外部磁場を印加していない状態から印加することによって、上向きスピンの電子及び正孔が上記ＺｎＴｅ半導体に分布する状態のままで、かつ、下向きスピンの電子及び正孔が上記ＺｎＴｅ半導体に分布する状態から上記Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体に分布する状態へと切り換わり、
上記磁気光学素子に光を入射させると共に外部磁場を印加していない状態から上記磁場印加手段により外部磁場を印加することにより、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分と上向きのスピンの励起子再結合に対応する左回りの円偏光成分とを含んだ上記ＺｎＴｅ半導体の層からの発光から、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分のみを有する上記Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体の層からの発光となって、上記磁気光学素子の発光波長及び発光の旋光特性を変調し又はスイッチする、光変調装置。
【請求項２】
磁気光学素子とこの磁気光学素子に磁場を印加する磁場印加手段とを備え、
上記磁気光学素子が、Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とＺｎＴｅ半導体とＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とを順次積層してなり、外部磁場を印加していない状態から印加することによって、上向きスピンの電子及び正孔が上記ＺｎＴｅ半導体に分布する状態のままで、かつ、下向きスピンの電子及び正孔が上記ＺｎＴｅ半導体に分布する状態から上記Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体に分布する状態へと切り換わり、
上記磁気光学素子に光を入射させると共に外部磁場を印加していない状態から上記磁場印加手段により外部磁場を印加することにより、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分と上向きのスピンの励起子再結合に対応する左回りの円偏光成分とを含んだ上記ＺｎＴｅ半導体の層からの発光から、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分のみを有する上記Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体の層からの発光となって、上記磁気光学素子の発光波長及び発光の旋光特性を変調し又はスイッチする、光変調装置。
【請求項３】
前記Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体が、Ｚｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光変調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁場または電場を印加して、スピンの配置を空間的に分離して動作させる磁気光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報化社会の著しい進展につれて、大容量で超高速の光情報通信システムの構築は必要不可欠なものになってきている。このような社会的要請に対しては、短時間により多くの情報が伝送可能な、短波長の可視光や近紫外光を用いた光情報通信システムの開発が重要である。
したがって、短波長の可視光や近紫外光の発生や検出、そのオンオフや伝送路のスイッチ、あるいはその強度や偏光特性などの変調に係わる素子の開発は極めて重要である。
特に超高速で光情報を扱うための光変調素子や光スイッチ素子に関しては、現時点ではその原理や実用化などに関してさまざまな技術が模索されている段階である。
【０００３】
この目的のために用いることができる、短波長の可視光や近紫外光などを制御する光学素子材料としては、そのような波長領域の光に対して強い吸収や発光特性を示すＩＩ−ＶＩ族やＧａＮあるいはＺｎＯなどの化合物半導体を用いる必要がある。これらの半導体の吸収や発光あるいは磁気光学効果の旋光特性は、半導体素子中の電子スピンの向きにより大きく影響されることが知られている。
一般に、半導体中のスピンの向きやスピンの空間的配置は、ナノ秒かそれ以下という非常に高速で変化するため、スピンの向きやスピンの空間的配置の変化を利用した光学的スイッチング素子や光変調素子が実現できれば、超高速の光通信用素子として非常に有用である。
【０００４】
しかしながら、光の強度や位相、偏光特性、旋光特性などを制御する従来の光変調素子に関しては、そのような電子スピン空間的配置の作用を直接利用したものは知られていない。
例えば化合物半導体中にＭｎなどの磁性元素を含む希薄磁性半導体は、外部磁場に対する電子スピンの反応が非常に大きく、いわゆる磁場による巨大ｇ値や巨大ゼーマン効果などの顕著な磁気光学効果を示すため、可視光に対する磁気光学素子材料として非常に有望と考えられている〔応用物理  Ｖol. ７０，Ｎｏ．０２（２００１）ｐ３００参照〕。しかしながら、外部磁場に対するこれらの化合物半導体単体の磁気光学的反応は単調な磁場依存性を示すだけであり、光学的能動素子として必要不可欠な、磁場や電場によるスイッチング特性は実現できていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題に鑑み、光通信用光学素子として今後必要になる、可視光や紫外光に対する超高速高効率の変調効果やスイッチング特性を持つ光変調装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光変調装置は、磁気光学素子とこの磁気光学素子に磁場を印加する磁場印加手段とを備え、磁気光学素子が、Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とＺｎＴｅ半導体とを積層してなり、外部磁場を印加していない状態から印加することによって、上向きスピンの電子及び正孔がＺｎＴｅ半導体に分布する状態のままで、かつ、下向きスピンの電子及び正孔がＺｎＴｅ半導体に分布する状態からＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体に分布する状態へと切り換わり、磁気光学素子に光を入射させると共に外部磁場を印加していない状態から磁場印加手段により外部磁場を印加することにより、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分と上向きのスピンの励起子再結合に対応する左回りの円偏光成分とを含んだＺｎＴｅ半導体の層からの発光から、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分のみを有するＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体の層からの発光となって、磁気光学素子の発光波長及び発光の旋光特性を変調し又はスイッチすることを特徴とする。
また、本発明の光変調装置の他の構成は、磁気光学素子とこの磁気光学素子に磁場を印加する磁場印加手段とを備え、磁気光学素子が、Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とＺｎＴｅ半導体とＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体とを順次積層してなり、外部磁場を印加していない状態から印加することによって、上向きスピンの電子及び正孔がＺｎＴｅ半導体に分布する状態のままで、かつ、下向きスピンの電子及び正孔がＺｎＴｅ半導体に分布する状態からＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体に分布する状態へと切り換わり、磁気光学素子に光を入射させると共に外部磁場を印加していない状態から磁場印加手段により外部磁場を印加することにより、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分と上向きのスピンの励起子再結合に対応する左回りの円偏光成分とを含んだＺｎＴｅ半導体の層からの発光から、下向きのスピンの励起子再結合に対応する右回りの円偏光成分のみを有するＺｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体の層からの発光となって、磁気光学素子の発光波長及び発光の旋光特性を変調し又はスイッチすることを特徴とする。
特に、Ｚｎ1-xＭｎxＴｅ磁性半導体が、Ｚｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体である。
【０００７】
この構成によれば、短波長の可視光や近紫外光を超高速に変調またはスイッチできる光変調装置を提供することができる。
【０００８】
本発明の磁気光学素子によれば、磁場や電場を外部から印加するという簡単な制御方法により、高速の光スイッチングや光変調が可能になり、特に光の旋光特性に対する優れたスイッチング装置を実現できる。
したがって、本発明は、可視光や紫外光を用いた大容量超高速光通信において必要となる、高速の光スイッチング素子及び光変調装置に適用すれば極めて有用である。
また本発明の磁気光学素子は、電子のスピン機能を利用するため、従来の半導体素子のように電流を流す必要が無く、低消費電力での作動が可能であり、著しい長寿命が期待できる。
また本発明の磁気光学素子は、光通信のみならず、光コンピュータやスピンを用いた量子コンピュータへの利用も可能である。
また、現在すでに工業的に使用されている化合物半導体を母相半導体材料として用いるため、その工業化は極めて容易であり、また高い生産歩留まりが期待できる。
さらに本発明においては、用いる半導体材料の組成や磁性元素の種類とその含有量を制御することにより、スイッチング磁場強度や用いる励起光波長などを変化させることができ、実用素子として要求される様々な動作特性に柔軟に対応することができる。
本発明の光変調装置を用いれば、上記のように、外部磁場や電場などをｏｎ、ｏｆｆすることにより、スピンの配置を空間的に分離、かつ、スイッチすることができ、そのスピン配置の変化により、発光や吸収あるいはファラデー回転やカー回転、磁気光学効果における旋光特性などのスピンに基づく磁気光学効果を制御することができるから、今後必要となる大容量超高速光通信の光情報伝送において、短波長の可視光や近紫外光を高速にスイッチングすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の磁気光学素子の構成を示す図である。図において、磁気光学素子１は、ゼーマン効果の大きさを示すｇ値が小さい半導体２と、半導体２に接続して設けたｇ値が大きな磁性半導体３とより構成される。４は磁気光学素子１に印加する磁場を表し、５は磁気光学素子１に入射する光を表す。
図２は、磁気光学素子１の半導体２と磁性半導体３のゼーマン効果を模式的に示す図である。図において、横軸は磁気光学素子１に印加する磁場４の強度を表し、縦軸は半導体２及び磁性半導体３の伝導帯の下端における上向きスピン及び下向きスピン電子のエネルギー準位を示す。なお、正孔については図示しないが伝導電子と同様なゼーマン効果を示す。
【００１０】
一般に、半導体及び磁性半導体の伝導電子のエネルギー準位は、磁場が印加されない状態では各々縮退しているが、磁場を印加すると伝導電子のエネルギー準位が電子スピンの二方向、すなわち上向きスピンと下向きスピンの二つのエネルギー準位に分裂する。この二つの準位の磁場依存性は、上向きスピン準位のエネルギーが増大するのに対し下向きスピン準位のエネルギーは減少し、互いに逆の磁場依存性を有し、磁場の増大につれて２準位のエネルギー差は増大していく。磁場依存性の大きさは、ｇ値と磁場の値を含むブリルアン関数で記述でき、特に低磁場側の準位のエネルギー変化は、ｇ値に概ね比例する。すなわちｇ値の大きな磁性半導体の伝導電子及び正孔準位のエネルギーは大きく変化し、ｇ値の小さな半導体の伝導電子及び正孔準位のエネルギーはあまり変化しない。
すなわち、図２に示すように、ｇ値の大きな磁性半導体３の伝導電子のエネルギー準位は磁場４を印加することによって下向きスピンエネルギー準位８と上向きスピンエネルギー準位９とに分裂し、磁場４を増大させることによって下向きスピンエネルギー準位８と上向きスピンエネルギー準位９とは大きく分裂する。
一方、ｇ値の小さな半導体２の伝導電子のエネルギー準位は磁場４を印加することによって下向きスピンエネルギー準位６と上向きスピンエネルギー準位７とに分裂するが、磁場４を増大させても、下向きのスピンエネルギー準位６と上向きスピンエネルギー準位７の分裂はあまり大きくならない。
従って、バンド構造及びｇ値が適切な半導体２及び磁性半導体３を組み合わせることにより、図２に交差磁場Ａ，Ｂとして示した特定の印加磁場で、半導体２の伝導帯下端の下向きスピンエネルギー準位６及び上向きスピンエネルギー準位７と磁性半導体３の伝導帯下端の下向きスピンエネルギー準位８を交差させることができる。
上記説明では伝導帯の電子準位について説明したが、価電子帯の正孔準位についても同様である。
【００１１】
本発明者らは、半導体２と磁性半導体３の組成と、磁性半導体３に含有させる磁性元素の種類と含有量を調整することにより、図２に示した交差磁場に相当する磁場を印加することで、半導体２と磁性半導体３のエネルギー準位を交差させることに成功した。
さらに本発明者らは、半導体２と磁性半導体３の組成と、磁性半導体３に含有させる磁性元素の種類と含有量を厳密に制御することにより、半導体２と磁性半導体３のエネルギー準位の交差する交差磁場値を、実際の磁気光学素子としての実用上重要な、磁場強度７Ｔ（テスラ）以下の範囲において任意に設定することに成功した。このような交差磁場値を任意に設定できたことは、この素子を制御するために必要な磁場の値を自由に設定できることを意味し、素子の実用化において極めて有用である。
【００１２】
次に、本発明の磁気光学素子１のスピンの空間配置の磁場依存性について説明する。
図３は、磁気光学素子１における半導体２及び磁性半導体３の界面近傍における伝導帯の下端及び価電子帯の上端構造、すなわちバンド端構造及びその磁場依存性を示す図である。
図において縦軸はエネルギーを示し、横軸は半導体２及び磁性半導体３中の位置を示し、図中の矢印は熱平衡状態において存在できる電子及び正孔の位置を表し、かつ、そのスピン状態を表している。また、図中のハッチングはエネルギー準位が連続的に存在することを示している。
図３（Ａ）は印加磁場が交差磁場Ａより小さい場合の磁気光学素子１の伝導帯及び価電子帯のバンド端構造を模式的に示している。
半導体２の伝導帯エネルギーの下端１０は、図２に示したように、下向きスピンエネルギー準位６で構成され、磁性半導体３の伝導帯エネルギーの下端１１は磁性半導体３の下向きスピンエネルギー準位８によって構成されている。
印加磁場４が交差磁場Ａより小さい場合には、図２に示したように、磁性半導体３の下向きスピンエネルギー準位８が半導体２の上向きスピンエネルギー準位７よりも高いので、図３（Ａ）に示すように、磁性半導体３の伝導帯エネルギーの下端１１は、半導体２の伝導帯エネルギーの下端１０よりも高くなる。
また、価電子帯も同様に、磁性半導体３の価電子帯上端のエネルギー１１’は半導体２の価電子帯上端のエネルギー１０’よりも低くなる。
【００１３】
図３（Ｂ）は印加磁場が交差磁場Ｂより大きい場合の磁気光学素子１の伝導帯及び価電子帯のバンド端構造を模式的に示している。
印加磁場が交差磁場Ｂより大きい場合には、図２に示したように、磁性半導体３の下向きスピンエネルギー準位８が半導体２の下向きスピンのエネルギー準位６よりも低くなるので、図３（Ｂ）に示すように、磁性半導体３の伝導帯エネルギーの下端１１は、半導体２の伝導帯エネルギーの下端１０よりも低くなる。
また、価電子帯も同様に、磁性半導体３の価電子帯上端のエネルギー１１’は半導体２の価電子帯上端のエネルギー１０’よりも高くなる。
【００１４】
ここで、擬フェルミレベルが伝導帯の下端付近に存在する状態を説明する。この状態は、バンドギャップエネルギーに相当する光で電子及び正孔を励起し、後述するように励起子の再結合による発光状態において実現される。
この状態において、印加磁場４が交差磁場Ａより小さい場合には、図３（Ａ）に示したように、半導体２の伝導帯下端エネルギー１０が磁性半導体３の伝導帯下端エネルギー１１よりも低く、また、半導体２側の価電子帯上端エネルギー１０’が磁性半導体３側の価電子帯上端エネルギー１１’よりも高いので、磁性半導体３の下向きスピンの電子及び正孔が半導体２に移動し、磁性半導体３中には上向きスピン及び下向きスピンの電子及び正孔がほとんど分布していない。図３（Ａ）に、電子及び正孔の存在位置をスピンの向きを示す矢印で示している。
【００１５】
一方、印加磁場４が交差磁場Ｂより大きい場合には、図３（Ｂ）に示したように、半導体２の伝導帯下端エネルギー１０が磁性半導体３の伝導帯下端エネルギー１１よりも高く、半導体２の価電子帯上端エネルギー１０’が磁性半導体３の価電子帯上端エネルギー１１’よりも低いので、また、磁性半導体３の伝導帯下端エネルギー１１は、図２に示したように磁性半導体３の伝導電子の下向きスピンエネルギー準位８で構成されているので、半導体２中の下向きスピン準位の電子及び正孔は磁性半導体３に移動する。
この結果、半導体２には上向きスピンの電子及び正孔のみが残り、磁性半導体３には下向きスピンの電子及び正孔のみが主として存在するようになる。図３（Ｂ）に、電子及び正孔の存在位置をスピンの向きを示す矢印で示している。
すなわち、スピンの配置が空間的に分離している半導体が実現でき、かつ、外部磁場によりスピンの空間配置を切り換えることができる。
【００１６】
従って、上記した本発明に係る磁気光学素子のスピン空間配置の切り換え原理を利用すれば、スピンの空間配置に依存した磁気光学効果、例えば、磁気光学効果に依存した発光や吸収、ファラデー回転、カー回転、旋光特性などを磁場によってスイッチあるいは変調できることは明らかである。
【００１７】
次に、本発明の磁気光学素子を用いた光変調装置を説明する。
図４は、本発明の光変調装置の構成を示す図である。
光変調装置２０は、磁気光学素子１と、この磁気光学素子１に磁場４を印加する図示しない磁場印加手段とよりなる。磁気光学素子１は、用いる入射光５の波長に対してある程度透明な基板２１上にエピタキシャル成長した磁性半導体層２２と、磁性半導体層２２上にエピタキシャル成長した数分子層からなる半導体層２３と、半導体層２３上にエピタキシャル成長した磁性半導体層２４とからなる。
なお、図において、偏向子２５，２６、レンズ２７、ミラー２８、光検出器２９，３０は、本装置の効果を測定するための補助部材であって、実使用に当たっては適宜に変更できることは明らかである。
【００１８】
磁気光学素子１は、可視光や紫外光に対して強い相互作用を持つ非常に薄い半導体層２３を、外部磁場４に対するゼーマン効果などの磁気光学効果の依存性を表すｇ値が数十から数百にも及ぶいわゆる巨大磁気光学効果を示す磁性半導体層２２及び２４で挟んで積層した、いわゆる異種半導体量子井戸構造で構成されている。
磁性半導体材料としては、量子井戸層である半導体層２３の材料と同じかあるいは良好な格子整合を持つ半導体にＭｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｅｕなどの磁性元素を含ませたものを用いる。このような磁性半導体を用いることにより、発光による光学特性の劣化などの光学損傷を引き起こすことなく非常に強い磁気光学効果を得ることが可能になる。
また、用いる磁性元素は、母相半導体組成との組み合わせにより多様な特性が発現するため、使用目的に応じて、上述した磁性元素以外の磁性元素、あるいは複数の磁性元素を含有させても良い。
なお、基板２１と磁性半導体層２２の間には、半導体量子井戸構造の結晶成長を改善するための結晶格子整合バッファー層を、また磁性半導体層２４上には半導体量子井戸構造の酸化による劣化を防ぐための保護膜を設けても良い。
【００１９】
光変調装置２０を動作させるには、磁気光学素子１の前後に偏光方向が直交する偏光子２５及び２６を配置して入射光５を入射し、透過光５と半導体層２３及び磁性半導体層２２，２４から生じる発光３１を集光するレンズ２７を配置して、透過光５及び発光３１をそれぞれ検出器２９及び３０に導入する。さらに磁気光学素子１に入射光５と平行方向に磁場４を印加、または非印加する。なお、偏光子２５及び２６の偏光方向は、使用目的により必ずしも直交させなくても良く、適切な角度関係に調節すればよい。
【００２０】
次に、本発明の光変調装置２０の動作原理に係わる、ＩＩ−ＶＩ族、あるいはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、及びＩＩ−ＶＩ族、あるいはＩＩＩ−Ｖ族化合物磁性半導体の発光メカニズムについて説明する。
バンドギャップエネルギー以上の光を照射すると伝導電子と正孔が生成する。この伝導電子と正孔は互いの電荷に基づくクーロンポテンシャルによる摂動を受け、励起子準位を形成する。この励起子準位は伝導電子及び正孔のスピン状態を保持し、そのエネルギー準位は、伝導帯及び価電子帯のバンド端よりわずかに低い。
化合物半導体及び化合物磁性半導体においては、この励起子準位への遷移確率が極めて高く、化合物半導体及び化合物磁性半導体の発光メカニズムは、励起子の生成とその再結合による発光が支配的である。
【００２１】
次に、本発明の光変調装置２０の動作を説明する。
図５は、磁気光学素子１の半導体層２３、磁性半導体層２２及び磁性半導体層２４の界面近傍の励起子エネルギー準位、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーの入射光５を照射している状態で存在する励起子及び励起子の再結合による発光状態を示す図である。
図において、縦軸はエネルギーを示し、横軸は半導体層２３及び磁性半導体層２２，２４中の位置を示し、図中の矢印は励起子を形成する電子及び正孔のスピン状態、すなわち上向きスピン、下向きスピン状態を表す。
図５（Ａ）は印加磁場が交差磁場Ａより小さい場合の磁気光学素子１の励起子準位を模式的に示しており、図３で説明したように、磁性半導体２２，２４の伝導体下端のエネルギー１１は半導体２３の伝導帯下端エネルギー１０よりも高く、また磁性半導体２２，２４の価電子帯上端のエネルギー１１’は半導体２３の価電子帯上端のエネルギー１０’よりも低いため、磁性半導体２２，２４中の伝導電子及び正孔はほとんど半導体２３中に移動してしまう。従って、半導体２３中の伝導電子及び正孔が励起子準位４０，４０’に遷移して励起子を形成し、この励起子を形成する電子と正孔が再結合して励起子エネルギーに相当するフォトン４２を放出して発光する。この発光は上向きスピン及び下向きスピン励起子に基づく発光であるから、右回り及び左回り円偏光が発生する。
【００２２】
図５（Ｂ）は印加磁場が交差磁場Ｂより大きい場合の磁気光学素子１の励起子準位を模式的に示しており、図３で説明したように、磁性半導体２２，２４の伝導体下端のエネルギー１１は半導体２３の伝導帯下端エネルギー１０よりも低く、また磁性半導体２２，２４の価電子帯上端のエネルギー１１’は半導体２３の価電子帯上端のエネルギー１０’よりも高く、また、磁性半導体２２，２４の伝導帯下端のエネルギー１１及び価電子帯上端のエネルギー１１’は、磁性半導体２２，２４中の伝導電子及び正孔の下向きスピンエネルギー準位で構成されているから、半導体２３中の下向きスピンエネルギー準位の伝導電子及び正孔は、ほとんど磁性半導体２２，２４中に移動する。この結果、半導体２３には上向きスピンの電子及び正孔のみが残り、磁性半導体２２，２４には下向きスピンの電子及び正孔のみが主として存在するようになる。
磁性半導体２２，２４中の下向きスピンエネルギー準位の電子と正孔は励起子準位４１，４１’に遷移して励起子を形成し、励起子を形成する電子と正孔が再結合して励起子エネルギーに相当するエネルギーの、下向きスピン励起子に対応した右回り円偏光フォトン４２を放出して発光する。
半導体２３中の上向きスピンの電子及び正孔は、磁場の増加に伴ってゼーマン効果が大きくなり、そのエネルギー準位が高くなることから分布が減少し、上向きスピン励起子の生成及びその再結合による発光は、次第に減少していく。
【００２３】
このようにして、本発明の光変調装置によれば、磁場のｏｎ，ｏｆｆによって旋光性と発光波長を切り替えることができる。
このような電子スピンを利用した光学素子の動作原理は、ここで示した量子井戸構造に限定されるものではなく、ｇ値が大きな磁性半導体と非磁性半導体、あるいはｇ値が異なる磁性半導体の組み合わせにより、その電子スピンのエネルギー準位の磁場あるいは電場などの依存性において両者のエネルギー準位が交差することによりスピン配置が切り換えられる素子構造であれば実現可能であることは明らかである。また、積層構造としても超格子構造や多層膜構造であればより大きな磁気光学効果が期待でき、またいわゆる量子細線や量子ドットなどの量子閉じ込め効果を持つ半導体微細複合構造の利用も考えられる。
また、上記説明は磁場によるゼーマン効果を利用したものであるが、同様に、電場によるシュタルク効果を利用してもよい。
【００２４】
次に、図４で説明した光変調装置の実施例を示す。
図６は本実施例に用いた磁気光学素子の構造を示す図である。
分子線エピタキシー装置を用いて、ＺｎＴｅ半導体基板５１上に、膜厚３０ｎｍのＺｎＴｅバッファー層５２、膜厚５０ｎｍのＺｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層５３、膜厚１０ｎｍのＺｎＴｅ半導体層５４、膜厚５０ｎｍのＺｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層５５を順次積層して、磁気光学素子１を作製した。
【００２５】
図７は本実施例の磁気光学素子１を波長３９０ｎｍの固体レーザー光を入射光５として用い、光励起した場合の発光の円偏光特性の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
図７において、横軸は発光エネルギーを表し、縦軸は各印加磁場強度における発光強度を示す。実線及び点線で表したσ−とσ＋は、発光におけるそれぞれ右回りと左回りの円偏光成分を表し、それぞれ磁気光学素子１において光励起により生じた下向きスピンと上向きスピンの励起子の再結合発光に対応する。
図７から明らかなように、印加磁場が零の場合には、下向きスピンと上向きスピンの励起子再結合発光に対応するσ−とσ＋の発光が同等に観測され、また発光エネルギーピーク値から、ＺｎＴｅ半導体層５４からの発光であることが分かる。印加磁場強度を大きくしていくと、σ＋の発光が減少し、５Ｔ以上では、ほぼσ−の発光のみとなる。σ−の発光エネルギーピーク値からＺｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層５３，５５からの発光であることが分かる。
このことは、図５（Ｂ）に示したように、印加磁場によって磁性半導体層５３，５５の下向きスピン励起子準位が大きく低下し半導体層５４の励起子準位より低くなり、半導体層５４の下向きスピン励起子が磁性半導体層５３，５５に移動し、磁性半導体層５３，５５から再結合発光が生じていることを示す。
【００２６】
図８は、図７のσ−とσ＋の発光エネルギーの印加磁場依存性の測定結果から求めた、ＺｎＴｅ半導体層５４と磁性半導体層５３，５５の励起子エネルギー準位の磁場依存性を示す図である。
図において横軸は印加磁場強度であり、縦軸は図７の発光ピークから求めた励起子エネルギー準位である。
図８から明らかなように、ＺｎＴｅ半導体層の励起子準位とＺｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層の下向きスピン励起子準位が磁場強度３．５Ｔ（テスラ）で交差していることがわかる。すなわち本実施例においては、異なる半導体層のスピン励起子準位の磁場による交差、すなわち両半導体層におけるスピン空間配置の磁場によるスイッチングが実現していることがわかる。
【００２７】
磁場による特定スピンのエネルギー準位の交差は、その材料組成を厳密に制御した磁性半導体層を半導体層と組み合わせることで得られた新規な特性であり、磁気光学効果の磁場による超高速スイッチングあるいは高効率変調を可能にするものである。例えば、図７から明らかなように、スピン配置の空間的分離と磁場によるスイッチングにより、２．３８８ｅＶにピークを持つＺｎＴｅ井戸層からのσ−円偏光成分発光強度は、磁場４Ｔ前後で消失する。このような特定の円偏光成分を持つ発光の磁場による明滅やその強度の著しい変化は、高感度の磁気光学的スイッチング素子や高効率変調素子として利用可能であることは明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、磁場や電場を外部から印可するという簡単な制御方法により、高速の光スイッチングや光変調が可能な素子を実現でき、特に光の旋光特性に対する優れたスイッチング素子あるいは変調素子を実現できる。
可視光や紫外光を用いた大容量超高速光通信において必要となる、高速の光スイッチング素子及び光変調素子に適用すれば極めて有用である。
また本発明は電子のスピン機能を利用するため、従来の半導体素子のように電流を流す必要が無く、低消費電力での作動が可能であり、著しい長寿命が期待できる。
また本発明の磁気光学素子は、光通信のみならず、光コンピュータやスピンを用いた量子コンピュータへの利用も可能である。
また、現在すでに工業的に使用されている化合物半導体を母相半導体材料として用いるため、その工業化は極めて容易であり、また高い生産歩留まりが期待できる。
さらに本発明においては、用いる半導体材料の組成や磁性元素の種類とその含有量を制御することにより、スイッチング磁場強度や用いる励起光波長などを変化させることができ、実用素子として要求される様々な動作特性に柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気光学素子の原理を示す図である。
【図２】本発明の磁気光学素子の半導体と磁性半導体のゼーマン効果を模式的に示す図である。
【図３】磁気光学素子における半導体及び磁性半導体の界面近傍における伝導帯の下端及び価電子帯の上端構造、すなわちバンド端構造及びその磁場依存性を示す図である。
【図４】本発明の光変調装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の磁気光学素子の半導体層、磁性半導体層の界面近傍の励起子エネルギー準位、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーの入射光を照射している状態で存在する励起子及び励起子の再結合による発光状態を示す図である。
【図６】本実施例に用いた磁気光学素子の構造を示す図である。
【図７】本実施例の磁気光学素子を波長３９０ｎｍの固体レーザー光を入射光として用い、光励起した場合の発光の円偏光特性の磁場依存性を測定した結果を示す図である。
【図８】円偏光、σ−とσ＋の発光エネルギーの印加磁場依存性の測定結果から求めた、ＺｎＴｅ半導体層と磁性半導体層の励起子エネルギー準位の磁場依存性を示す図である。
【符号の説明】
１      磁気光学素子
２      半導体
３      磁性半導体
４      磁場
５      入射光
６      半導体の伝導電子の下向きスピンエネルギー準位
７      半導体の伝導電子の上向きスピンエネルギー準位
８      磁性半導体の伝導電子の下向きスピンエネルギー準位
９      磁性半導体の上向きスピンエネルギー準位
１０    半導体の伝導帯下端のエネルギー
１０’  半導体の価電子帯上端のエネルギー
１１    磁性半導体の伝導帯下端のエネルギー
１１’  磁性半導体の価電子帯上端のエネルギー
２０    光変調装置
２１    基板
２２    磁性半導体層
２３    半導体層
２４    磁性半導体層
２５    偏向子
２６    偏向子
２７    レンズ
２８    ミラー
２９    光検出器
３０    光検出器
３１    発光
４０    半導体の電子励起子準位
４０’  半導体の正孔励起子準位
４１    磁性半導体の電子励起子準位
４１’  磁性半導体の正孔励起子準位
４２    発光、フォトン
５１    ＺｎＴｅ半導体基板
５２    ＺｎＴｅバッファー層
５３    Ｚｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層
５４    ＺｎＴｅ半導体層
５５    Ｚｎ0.97Ｍｎ0.03Ｔｅ磁性半導体層
【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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