JP3135002B2 - Light control type electron wave interference device - Google Patents

Light control type electron wave interference device

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JP3135002B2 JP03115660A JP11566091A JP3135002B2 JP 3135002 B2 JP3135002 B2 JP 3135002B2 JP 03115660 A JP03115660 A JP 03115660A JP 11566091 A JP11566091 A JP 11566091A JP 3135002 B2 JP3135002 B2 JP 3135002B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、デバイスへの照射光の
強弱によって量子波干渉電流を制御する光制御型電子波
干渉デバイスに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light control type electron wave interference device which controls a quantum wave interference current depending on the intensity of light applied to the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】光伝送、光交換、光コンピューティング
などの光を利用したシステムは将来の大容量、超高速情
報処理の鍵を握るものと考えられている。その中で、光
通信においては超高速光検出器が必要とされ、また光交
換においては高密度に集積可能な光検出器が求められて
いる。
2. Description of the Related Art Light-based systems such as optical transmission, optical switching, and optical computing are considered to hold the key to future large-capacity, ultra-high-speed information processing. Among them, an ultra-high-speed photodetector is required for optical communication, and a photodetector capable of being integrated at high density is required for optical switching.

【0003】こうした要求から、量子干渉電流を光で制
御する方法が、Yamanishiet al.,応用
物理学会予稿集,27p−z−1,1989秋に提案さ
れている。以下にこの方法の原理を説明する。
[0003] In response to such demands, a method of controlling the quantum interference current with light is described in Yamanishi et al. Proceedings of the Japan Society of Applied Physics, 27p-z-1, proposed in the fall of 1989. Hereinafter, the principle of this method will be described.

【0004】図9に示す様な量子細線70から成る電子
波に対する干渉計の片側のアーム71を光72で照射す
る。この時、入射光72の光子エネルギーを量子細線7
0の励起子エネルギーギャップより充分小さくして、仮
想的にキャリアを発生させる、つまり仮想遷移を生じさ
せる。こうして光励起されたアーム71内に生じた仮想
キャリアは、交換エネルギーに係る交換相互作用を通じ
てアーム71内を伝搬する電子波に対する実効ポテンシ
ャルを低下させ、結果として2つのアーム71、73中
を伝搬する電子波間の量子干渉を制御できる。この際、
仮想励起された電子・ホールキャリアペアはコヒーレン
トなペア励起であるので伝導には寄与しない。
An arm 71 on one side of an interferometer for irradiating an electron wave composed of a quantum wire 70 as shown in FIG. At this time, the photon energy of the incident light 72 is
By making the exciton energy gap sufficiently smaller than 0, carriers are virtually generated, that is, virtual transitions are generated. The virtual carriers generated in the arm 71 thus optically excited reduce the effective potential of the electron wave propagating in the arm 71 through the exchange interaction related to the exchange energy, and as a result, the electron propagating in the two arms 71 and 73. Quantum interference between waves can be controlled. On this occasion,
The virtually excited electron / hole carrier pair does not contribute to conduction because it is a coherent pair excitation.

【0005】この方法の特徴は、構造が簡単であり且つ
光による仮想励起により量子波干渉を制御するものであ
る為、CR時定数や再結合寿命によってデバイスのスイ
ッチング時間が制限されないことである。
The feature of this method is that since the structure is simple and the quantum wave interference is controlled by virtual excitation by light, the switching time of the device is not limited by the CR time constant or the recombination lifetime.

【0006】次に、他の従来技術を説明する。図10
は、S.Datta etal.,Appl.Phy
s.Lett.48,p487,(1986)において
提案された、量子干渉デバイスの構造を示す略断面図で
ある。
Next, another conventional technique will be described. FIG.
Is S. Data et al. , Appl. Phys
s. Lett. 48, p. 487, (1986) is a schematic sectional view showing the structure of a quantum interference device.

【0007】この構造では、2つのGaAs量子井戸層
80、81がAlGaAs障壁層82を介してz方向に
積層されている。障壁層82は両端において薄くなって
いるので井戸層80、81間には相当のトンネリングが
存在する。しかし、中央部では障壁層82は厚く殆どト
ンネリングはない。今、左端のコンタクト83から入射
した電子波は、最初2つの量子井戸80、81内ではコ
ヒーレントである為に位相が揃った状態にある。ここ
で、|A>は電子波の非対称波動関数を、|S>はその
対称波動関数を表わす。x方向に伝搬してきた電子波に
中央部、つまりx=0とx=Lの間の部分において、y
方向に磁場を、上下のチャネル80、81間の位相差が
πだけ生じるように印加する。これは、井戸層80、8
1のバンド構造と印加する磁場の強度とを、位相差がπ
生じる様に設定することを意味する。すると、右端で干
渉する、夫々の波動関数が|1>と|2>で表わされる
2つの電子波はエネルギー的に高い状態となってしまい
反射される。すなわち、右端で電子の波動関数が再び1
つになる時に、その形は|S>で示される基底状態では
なく、2番目の状態|A>になるが、エネルギーとして
は|S>に対応するエネルギーしか持っていないので反
射されてしまうことになる。
In this structure, two GaAs quantum well layers 80 and 81 are stacked in the z direction via an AlGaAs barrier layer 82. Since the barrier layer 82 is thin at both ends, considerable tunneling exists between the well layers 80 and 81. However, at the center, the barrier layer 82 is thick and has almost no tunneling. Now, the electron waves incident from the contact 83 on the left end are in a state where the phases are aligned because they are coherent in the two quantum wells 80 and 81 at first. Here, | A> represents an asymmetric wave function of an electron wave, and | S> represents its symmetric wave function. In the central portion of the electron wave propagating in the x direction, that is, in the portion between x = 0 and x = L, y
A magnetic field is applied in the direction such that a phase difference between the upper and lower channels 80 and 81 is generated by π. This is the well layers 80, 8
The phase difference between the band structure of No. 1 and the intensity of the applied magnetic field is π
Means to set it to occur. Then, the two electron waves that interfere with each other at the right end and whose wave functions are represented by | 1> and | 2> become energetically high and are reflected. That is, at the right end, the wave function of the electron becomes 1 again.
When it becomes one, its shape becomes the second state | A> instead of the ground state indicated by | S>, but it is reflected because it has only energy corresponding to | S> become.

【0008】一方、磁場を制御してこれによる位相差が
2πの整数倍になる様にすると、1つになった電子波は
右端を通過することができ、入力電流と同じ出力電流が
得られる。
On the other hand, if the magnetic field is controlled so that the phase difference is an integral multiple of 2π, the single electron wave can pass through the right end, and the same output current as the input current can be obtained. .

【0009】従って、図11の縦軸に示されるコンダク
タンスは、印加磁場の周期関数となり、これにより磁場
を変調して広範囲に通過電流を制御できることになる。
Therefore, the conductance shown on the vertical axis of FIG. 11 is a periodic function of the applied magnetic field, and thereby the passing current can be controlled in a wide range by modulating the magnetic field.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしなから、前者の
従来例の構造には次の如き問題点がある。今、量子細線
70を化合物半導体であるGaAsによって作ることを
考えると、価電子帯から伝導帯への仮想励起を起こさせ
る為には、そのエネルギー間隔との関係から波長0.8
μmの照射光を用いる必要がある。しかし、干渉デバイ
スのアーム71、73の長さは高々1μmである為、こ
の様に微小な領域内にある2つのアーム71、73のう
ちの片側のみに光を集光することは回折限界との関係か
ら非常に難しいと言える。
However, the former structure of the prior art has the following problems. Now, considering that the quantum wire 70 is made of GaAs, which is a compound semiconductor, in order to cause virtual excitation from the valence band to the conduction band, a wavelength of 0.8 from the relationship with the energy interval.
It is necessary to use irradiation light of μm. However, since the lengths of the arms 71 and 73 of the interference device are at most 1 μm, condensing light on only one side of the two arms 71 and 73 in such a small area is a diffraction limit. It can be said that the relationship is very difficult.

【0011】また、後者の従来例にも次のような問題点
がある。第1に、磁場によって干渉電流を制御する為
に、その高速変調が困難である。その理由は、磁場を高
速変調するのに必要とされる高周波電流に対してはコイ
ルのインピーダンスが大きくなり過ぎる為である。数1
0MHzが上限周波数と考えられる。
The latter conventional example also has the following problems. First, high-speed modulation is difficult because the interference current is controlled by the magnetic field. The reason for this is that the impedance of the coil becomes too large for the high-frequency current required to modulate the magnetic field at high speed. Number 1
0 MHz is considered the upper limit frequency.

【0012】第2に、図10の如き構造を作るためには
再成長が必要となる。先ず、2つの井戸層80、81の
間にあるAlGaAs障壁層82まで分子線エピタキシ
ー(MBE)法又は有機金属化学気相堆積(MO−CV
D)法で成長した後、大気中に取り出し障壁層82の厚
い部分と薄い部分を形成する為にエッチングを行なう。
Second, re-growth is required to form the structure shown in FIG. First, a molecular beam epitaxy (MBE) method or metal organic chemical vapor deposition (MO-CV) is performed up to an AlGaAs barrier layer 82 between the two well layers 80 and 81.
After the growth by the method D), etching is performed to form a thick portion and a thin portion of the take-out barrier layer 82 in the atmosphere.

【0013】しかし、この際、表面酸化や不純物の吸着
が避けられない。従って、この上に成長させられたGa
As量子井戸81は荒れたヘテロ界面を有し多くの不純
物や欠陥を含むことになる。これにより、この中を走行
する電子は散乱され位相を乱される為に干渉電流のオン
/オフ比は小さくなってしまう。
However, at this time, surface oxidation and adsorption of impurities are inevitable. Therefore, Ga grown on this
The As quantum well 81 has a rough heterointerface and contains many impurities and defects. As a result, the electrons traveling inside are scattered and disturbed in phase, so that the on / off ratio of the interference current is reduced.

【0014】従って、本発明の目的は、上記課題に鑑
み、干渉電流の高速変調が可能で作製が容易であり、更
に光の照射についても特別な工夫を要しない光制御型電
子干渉デバイスを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a light-controlled electronic interference device that can perform high-speed modulation of an interference current, is easy to manufacture, and does not require any special measures for light irradiation. Is to do.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為の
本発明では、電子波の伝搬する2つのチャネルを有する
電子波干渉デバイスにおいて、このチャネル部分に光を
照射することで電子波の波動関数の形状が変化させられ
る様に構成され、これにより2つのチャネルの間を横切
る磁束量が変化させられて2つの電子波間の位相差が制
御される如く構成されている。
According to the present invention, there is provided an electron wave interference device having two channels through which an electron wave propagates. The configuration of the function is changed so that the amount of magnetic flux crossing between the two channels is changed so that the phase difference between the two electron waves is controlled.

【0016】[0016]

【実施例】図1は、本発明の電子波干渉デバイスの原理
を説明するための概略図である。図1において、電極3
および4の間には所定の間隔をおいて、チャネル1aお
よび1bが設けられている。電極間に電圧を印加するこ
とによって、これらのチャネル内をそれぞれ電子波が伝
搬する。これらのチャネルは、例えば、バリア層をはさ
んで、半導体から成る量子井戸層を積層することによっ
て作製される。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of an electron wave interference device according to the present invention. In FIG. 1, the electrode 3
Channels 1a and 1b are provided at predetermined intervals between and. By applying a voltage between the electrodes, an electron wave propagates in each of these channels. These channels are produced, for example, by stacking quantum well layers made of a semiconductor with a barrier layer interposed therebetween.

【0017】これらのチャネル1aおよび1bによって
はさまれた面、すなわち、チャネルの配列方向および電
子波の伝搬方向を含む仮想面に平行な面のチャネル1a
と1bとの間にある領域には、不図示の手段によって外
部から磁場が印加されている。前記領域は、この例にお
いては、井戸層の膜面に垂直で、電子波の伝搬方向に平
行な面でこのデバイスを切断したときに、2つのチャネ
ルの間にある領域である。
The channel 1a of a plane interposed between these channels 1a and 1b, that is, a plane parallel to a virtual plane including the arrangement direction of the channels and the propagation direction of the electron wave.
A magnetic field is externally applied to the region between the first and second regions by means (not shown). The region is, in this example, a region between the two channels when the device is cut along a plane perpendicular to the film plane of the well layer and parallel to the propagation direction of the electron wave.

【0018】上記のようなデバイスにおいて、チャネル
1aおよび1bをそれぞれ伝搬する電子波は、互いに干
渉する。そして、これらの電子波の間の位相差は、チャ
ネル部分に印加された磁場と、2つのチャネルが囲む断
面積との積に比例する。この位相差が変化すると、電極
間を流れる電流量が変化する。これを以下に説明する。
In the device as described above, the electron waves propagating through the channels 1a and 1b respectively interfere with each other. The phase difference between these electron waves is proportional to the product of the magnetic field applied to the channel portion and the cross-sectional area surrounded by the two channels. When the phase difference changes, the amount of current flowing between the electrodes changes. This will be described below.

【0019】図1のデバイスにおいて、電極間の電子波
の透過係数|T|2は、以下のように示される。 |T|2=cos2(e/η・(d・l)/2・B) (1) ここで、eは電子の素電荷を示す。η=h/2πで、h
はプランク定数を示す。dは2つのチャネル1aおよび
1bの間の間隔、lはチャネル1aおよび1bの長さ、
Bは外部磁場の大きさを示す。印加される外部磁場の方
向は、図4の紙面に対し垂直で、奥から手前側の方向で
ある。
In the device of FIG. 1, the transmission coefficient | T | 2 of the electron wave between the electrodes is expressed as follows. | T | 2 = cos 2 (e / η · (d · l) / 2 · B) (1) where e represents an elementary charge of an electron. η = h / 2π, h
Indicates Planck's constant. d is the distance between the two channels 1a and 1b, l is the length of the channels 1a and 1b,
B indicates the magnitude of the external magnetic field. The direction of the applied external magnetic field is perpendicular to the plane of FIG. 4 and is a direction from the back to the near side.

【0020】(1)式から明らかなように、もし磁場の
大きさが一定であっても、2つのチャネルではさまれた
面の磁場が横切る断面積(d・l)が変化すると、これ
らのチャネルを伝搬する電子波間の位相差が変化する。
As is clear from the equation (1), even if the magnitude of the magnetic field is constant, if the cross-sectional area (d · l) of the surface interposed between the two channels changes, these cross-sectional areas change. The phase difference between the electron waves propagating in the channel changes.

【0021】上記の例において、チャネル1aおよび1
bの間隔dは、各チャネル1aおよび1bにおける電子
波の波動関数ΨaおよびΨbの位置の期待値の差で定義さ
れる。従って、間隔dは、以下のように表わされる。 d=∫Ψa*zΨadz−∫Ψb*zΨbdz (2) 本発明では、光を照射することによって、チャネル間隔
dを変化させ、透過係数を変化させている。すなわち、
本発明は、光を用いて干渉電流を制御するものである。
In the above example, channels 1a and 1a
distance d b is defined by the difference between the expected value of the position of the wave function [psi a and [psi b of the electron wave in each channel 1a and 1b. Therefore, the interval d is expressed as follows. d = The ∫Ψ a * zΨ a dz-∫Ψ b * zΨ b dz (2) present invention, by irradiating light, and changing the channel spacing d, changing the transmission coefficient. That is,
The present invention is to control an interference current using light.

【0022】上記の間隔dを変化させる方法としては、
交換相互作用を用いる方法と、光シュタルク効果を用い
る方法とがある。以下に各々の方法を説明する。
As a method of changing the distance d,
There are a method using the exchange interaction and a method using the optical Stark effect. Hereinafter, each method will be described.

【0023】(1)交換相互作用を用いる方法 図2に、図1のデバイスのチャネルを量子井戸構造の半
導体層で構成する場合の半導体層のエネルギーバンド図
を示す。図2において、符号2aおよび2bはそれぞ
れ、図1のチャネル1aおよび1bを構成する量子井戸
層を示す。これらの量子井戸層の間および両側には、量
子井戸層よりもバンドギャップの広い障壁層5a、5b
および5cが設けられている。
(1) Method Using Exchange Interaction FIG. 2 shows an energy band diagram of a semiconductor layer in the case where the channel of the device of FIG. 1 is constituted by a semiconductor layer having a quantum well structure. In FIG. 2, reference numerals 2a and 2b indicate quantum well layers constituting the channels 1a and 1b of FIG. 1, respectively. Between and on both sides of these quantum well layers, barrier layers 5a and 5b having a wider band gap than the quantum well layers are provided.
And 5c are provided.

【0024】量子井戸層2aおよび2bは、互いに反対
の方向に傾いたバンド構造を有している。即ち、井戸層
2aおよび2bはそれぞれ、障壁層5bから離れるにし
たがって、徐々にバンドギャップが広くなるように形成
されている。このような構造は、例えば井戸層をAlx
Ga1-xAsで形成した場合、Alの組成比xを連続的
に変化させることによって実現できる。ここで、xを大
きくするにしたがって、バンドギャップは広くなる。
The quantum well layers 2a and 2b have band structures inclined in directions opposite to each other. That is, each of the well layers 2a and 2b is formed such that the band gap gradually increases as the distance from the barrier layer 5b increases. In such a structure, for example, the well layer is formed of Al x
When formed of Ga 1-x As, it can be realized by continuously changing the composition ratio x of Al. Here, as x increases, the band gap increases.

【0025】井戸層2aおよび2bはそれぞれ、基底量
子準位EaiおよびEbiを有している。また,これらの準
位EaiおよびEbiにはそれぞれ、波動関数ΨaiおよびΨ
biが存在している。価電子帯の井戸層2aおよび2bが
有するエネルギー準位をそれぞれEavおよびEbvとする
と、以下の条件を満足する光子エネルギーηωpを有す
るポンプ光をこれらの層に照射する。 ηωp=Eai−Eav−δa (3−1) ηωp=Ebi−Ebv−δb (3−2) ここで、δaおよびδbはそれぞれ離調エネルギーで、以
下のように示される。 δa≪(Eai−Eav) (4−1) δb≪(Ebi−Ebv) (4−2) 上記のような光の照射によって、井戸層2aおよび2b
の価電子帯から、キャリアが仮想的に励起される。そし
て、これらの井戸層2aおよび2bを伝搬する電子波の
伝導帯キャリアは、この励起仮想キャリアとの交換作用
によって、そのエネルギー準位がそれぞれEaiおよびE
biからEafおよびEbfへとシフトする。このとき、これ
らの井戸層が傾斜したバンド構造を有しているために、
エネルギー準位のシフトにともなって、波動関数のピー
ク位置もシフトする。即ち、光の照射によって、波動関
数ΨaiおよびΨbiが、波動関数ΨafおよびΨbfへ変化す
る。そして、この結果、(2)式で定義されるチャネル
間隔dが変化する。
The well layers 2a and 2b have ground quantum levels E ai and E bi , respectively. In addition, these levels E ai and E bi respectively include the wave functions Ψ ai and そ れ
bi exists. Assuming that the energy levels of the valence band well layers 2a and 2b are E av and E bv respectively, these layers are irradiated with pump light having a photon energy ηω p satisfying the following condition. ηω p = E ai −E av −δ a (3-1) ηω p = E bi −E bv −δ b (3-2) where δ a and δ b are detuning energies, respectively, as follows: Is shown in δ a ≪ (E ai −E av ) (4-1) δ b ≪ (E bi −E bv ) (4-2) By irradiation of light as described above, the well layers 2a and 2b
Carriers are virtually excited from the valence band. The conduction band carriers of the electron wave propagating through the well layers 2a and 2b have the energy levels of E ai and E a by exchange action with the excited virtual carriers.
Shift from bi to E af and E bf . At this time, since these well layers have an inclined band structure,
With the shift of the energy level, the peak position of the wave function also shifts. That is, the wave functions Ψ ai and Ψ bi change to wave functions Ψ af and Ψ bf by light irradiation. As a result, the channel interval d defined by the equation (2) changes.

【0026】光を照射しない時および光を照射した時の
チャネル間隔をそれぞれdiおよびdfとすると、光を照
射した時の透過係数|T|2は以下のように表わされ
る。 |T|2=cos2(e/η・(df・l)/2・B) =cos2{e/η・(di・l)/2・B・(1+δd/di)} (5) ここで、δd=df−diである。(5)式は、ポンプ光
をデバイスに入射させることによる効果が、磁場の大き
さを(l+δd/di)倍する効果と等価であることを
示している。つまり、光の照射によって、透過係数を変
化させ、干渉電流を制御できることが分かる。
Assuming that channel intervals when light is not irradiated and when light is irradiated are d i and d f , respectively, the transmission coefficient | T | 2 when light is irradiated is expressed as follows. | T | 2 = cos 2 (e / η · (d f · l) / 2 · B) = cos 2 {e / η · (d i · l) / 2 · B · (1 + δd / d i )} ( 5) here, a δd = d f -d i. (5), the effect by which incident pump light to the device, shows that is equivalent to the effect of multiplying the magnitude of the magnetic field (l + δd / d i) . That is, it can be seen that the transmission coefficient can be changed and the interference current can be controlled by light irradiation.

【0027】チャネル間隔dを変化させるには、上記の
例のようにチャネルを構成する半導体層のバンドギャッ
プが互いに反対方向に傾斜した構造、即ち、障壁層5b
を中心に井戸層2aおよび2bが対称な構造が特に有効
である。しかしながら、この構造に限らず、少なくとも
一方の量子井戸層のポテンシャル形状が、傾斜した構造
を有していれば、チャネル間隔を変化させることができ
る。
In order to change the channel interval d, a structure in which the band gaps of the semiconductor layers forming the channel are inclined in opposite directions as in the above-described example, that is, the barrier layer 5b
The structure in which the well layers 2a and 2b are symmetrical with respect to the center is particularly effective. However, the present invention is not limited to this structure. If at least one of the quantum well layers has a tilted potential shape, the channel spacing can be changed.

【0028】(2)光シュタルク効果を用いる方法 2つの量子準位を有する量子井戸構造の半導体層に、こ
れらの量子準位の間のエネルギーの差に近い、即ち、僅
かに小さい又は僅かに大きいエネルギーを有する光を照
射すると、2つの準位間にミキシングが生じ、基底状態
のエネルギー準位がシフトする。また、同時に励起状態
の波動関数の一部が、基底状態の波動関数に混ざる。こ
のような現象を、光シュタルク効果という。ここでは、
この光シュタルク効果を用いて、前述のチャネル間隔を
変化させる例を説明する。
(2) Method Using Optical Stark Effect In a semiconductor layer having a quantum well structure having two quantum levels, the energy difference between these quantum levels is close to, that is, slightly smaller or slightly larger than the energy difference between these quantum levels. When light having energy is applied, mixing occurs between the two levels, and the energy level of the ground state shifts. At the same time, part of the excited state wave function mixes with the ground state wave function. Such a phenomenon is called an optical Stark effect. here,
An example in which the above-described channel spacing is changed using the optical Stark effect will be described.

【0029】図3に、図1のデバイスのチャネルを量子
井戸構造の半導体層で構成する場合の半導体層のエネル
ギーバンド図を示す。図3において符号12aおよび1
2bはそれぞれ、図1のチャネル1aおよび1bを構成
する量子井戸層を示す。これらの量子井戸層の間および
両側には、量子井戸層よりもバンドギャップの広い障壁
層15a、15bおよび15cが設けられている。ま
た、これらの井戸層は、図2の例と同様に傾斜したバン
ド構造を有している。
FIG. 3 shows an energy band diagram of the semiconductor layer when the channel of the device shown in FIG. 1 is constituted by a semiconductor layer having a quantum well structure. In FIG. 3, reference numerals 12a and 1
Reference numeral 2b denotes quantum well layers constituting the channels 1a and 1b in FIG. 1, respectively. Between and on both sides of these quantum well layers, barrier layers 15a, 15b and 15c having a wider band gap than the quantum well layers are provided. These well layers have a tilted band structure as in the example of FIG.

【0030】各井戸層の膜厚およびポテンシャルはそれ
ぞれ、量子サイズ効果が生ずるのに十分薄くおよび深く
形成されている。このため、井戸層12aには2つの量
子準位Ea1およびEa2が存在する。また、同様に井戸層
12bには2つの量子準位Eb1およびEb2が存在する。
The thickness and potential of each well layer are formed thin and deep enough to produce the quantum size effect. Therefore, two quantum levels E a1 and E a2 exist in the well layer 12a. Similarly, two quantum levels E b1 and E b2 exist in the well layer 12b.

【0031】これらの井戸層に以下の条件を満足する光
子エネルギーηωpを有するポンプ光を照射する。 ηωp=Ea2−Ea1−δa (6−1) ηωp=Eb2−Eb1−δb (6−2) δa≪(Ea2−Ea1) (7−1) δb≪(Eb2−Eb1) (7−2) すると、この光電場による摂動によって、各々の量子井
戸の基底状態の波動関数Ψa1およびΨb1はそれぞれ以下
に示す関数φa1およびφb1に変化する。 φ a1=1/(1+c2 a1/2・(Ψa1−Ψa2) (8−1) φb1=1/(1+c2 b1/2・(Ψb1−Ψb2) (8−2) ここで、caおよびcbはそれぞれ以下のように表わされ
る。 ca=V21a/(Ea1−Ea2) (9−1) cb=V21b/(Eb1−Eb2) (9−2) また、V21aおよびV21bは、光電場による摂動ポテンシ
ャルのマトリックス要素で、以下のように求められる。 V21a=∫Ψa2*(e・z・ε)Ψa1dz (10−1) V21b=∫Ψb2*(e・z・ε)Ψb1dz (10−2) ここで、εは光電場である。
Light that satisfies the following conditions is applied to these well layers.
Child energy ηωpIrradiating pump light having ηωp= Ea2-Ea1−δa (6-1) ηωp= Eb2-Eb1−δb (6-2) δa≪ (Ea2-Ea1) (7-1) δb≪ (Eb2-Eb1(7-2) Then, the perturbation by the photoelectric field causes each quantum well
Door ground state wave function Ψa1And Ψb1Is below
The function φ shown ina1And φb1Changes to φ a1= 1 / (1 + cTwo a)1/2・ (Ψa1−Ψa2) (8-1) φb1= 1 / (1 + cTwo b)1/2・ (Ψb1−Ψb2(8-2) where caAnd cbAre represented as
You. ca= V21a/ (Ea1-Ea2) (9-1) cb= V21b/ (Eb1-Eb2(9-2) In addition, V21aAnd V21bIs the perturbation potential due to the photoelectric field
Is the matrix element of the call V21a= ∫Ψa2* (E · z · ε) Ψa1dz (10-1) V21b= ∫Ψb2* (E · z · ε) Ψb1dz (10-2) where ε is a photoelectric field.

【0032】上記(8−1)式および(8−2)式から
わかるように、基底状態の波動関数は、光電場によって
変形し、そのピーク位置は、井戸層12aと井戸層12
bとで互いに反対方向にシフトする。その結果、(5)
式で説明したように、チャネル間隔dが変化し、干渉電
流を制御することができる。
As can be seen from the above equations (8-1) and (8-2), the wave function in the ground state is deformed by the photoelectric field, and its peak position is determined by the well layer 12a and the well layer 12a.
b shifts in opposite directions. As a result, (5)
As described in the equation, the channel interval d changes, and the interference current can be controlled.

【0033】本例のように光シュタルク効果を用いる場
合には、図3のような傾斜したバンド構造は必ずしも必
須の要件ではない。しかしながら、傾斜したバンド構造
を採用することによって、チャネル間隔dをより効果的
に変化させることができる。
In the case where the optical Stark effect is used as in this embodiment, the inclined band structure as shown in FIG. 3 is not necessarily required. However, by adopting the inclined band structure, the channel interval d can be changed more effectively.

【0034】図4は、本発明の量子干渉デバイスの一実
施例を示す概略斜視図である。このデバイスは以下のよ
うにして作製された。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing one embodiment of the quantum interference device of the present invention. This device was manufactured as follows.

【0035】まず、半絶縁性のGaAs基板41上に、
厚さ0.5μmのGaAsバッファ層42、厚さ500
Åのn−AlAs障壁層43、厚さ100ÅのAlGa
As量子井戸層44,厚さ200Åのn−AlAs障壁
層45、厚さ100ÅのAlGaAs量子井戸層46お
よび厚さ500Åのn−AlAs障壁層47を、分子線
エピタキシー(MBE)法あるいは有機金属化学気相堆
積(MO−CVD)法を用いて順に成長させた。更に、
障壁層47の上に、表面の酸化を防止するため、厚さ5
00Åのn+−GaAsキャップ層48を成長させた。
ここで、上記障壁層43、45および47中には、Si
を1017〜1018cm-3程度の密度で選択的にドーピン
グした。このドーピングによって、量子井戸層44およ
び46中には、濃度1010〜1011cm-3の2次元電子
ガス(2DEG)が蓄えられた。
First, on a semi-insulating GaAs substrate 41,
GaAs buffer layer 42 having a thickness of 0.5 μm and a thickness of 500
N n-AlAs barrier layer 43, 100 Al thick AlGa
The As quantum well layer 44, the 200-nm thick n-AlAs barrier layer 45, the 100-mm thick AlGaAs quantum well layer 46, and the 500-nm thick n-AlAs barrier layer 47 are formed by molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic chemistry. The layers were sequentially grown using a vapor phase deposition (MO-CVD) method. Furthermore,
On the barrier layer 47, a thickness of 5
A 00 ° n + -GaAs cap layer 48 was grown.
Here, the barrier layers 43, 45 and 47 contain Si
Was selectively doped at a density of about 10 17 to 10 18 cm −3 . By this doping, a two-dimensional electron gas (2DEG) having a concentration of 10 10 to 10 11 cm −3 was stored in the quantum well layers 44 and 46.

【0036】次に、上記のように積層された半導体層の
両端部に、Au/Ge膜から成る電極51および52を
形成した。この後、電極が形成された積層体を熱処理
し、Au/Ge膜を拡散させて、電極部49および50
を形成した。ここで、電極部49および50が、それぞ
れソース部およびドレイン部となり、これらの間の部分
がゲート部となる。ゲート部の量子井戸層44および4
6は、電極部間で電子波を伝搬する第1および第2のチ
ャネルとなる。これらのチャネルの長さlは、2μmと
した。また、これらチャネルの幅を制限するため、電子
波の伝搬方向に直交する方向の一部に水素イオンを注入
し、絶縁領域53とした。このようにして、チャネルの
幅Wを0.5μmに形成した。
Next, electrodes 51 and 52 made of an Au / Ge film were formed on both ends of the semiconductor layers stacked as described above. Thereafter, the laminate on which the electrodes are formed is heat-treated, and the Au / Ge film is diffused to form electrode portions 49 and 50.
Was formed. Here, the electrode portions 49 and 50 become a source portion and a drain portion, respectively, and a portion between them becomes a gate portion. Quantum well layers 44 and 4 in the gate section
Numeral 6 serves as first and second channels for propagating an electron wave between the electrode portions. The length l of these channels was 2 μm. In addition, in order to limit the width of these channels, hydrogen ions were implanted into a part of the direction orthogonal to the propagation direction of the electron wave to form an insulating region 53. Thus, the width W of the channel was formed to 0.5 μm.

【0037】図5は、上記のデバイスのチャネル付近の
エネルギーレベルを示す図である。それぞれの層のエネ
ルギーを示す部分には、図4と共通の符号を付した。量
子井戸層44および46は、層の厚さ方向にバンドギャ
ップが徐々に変化しており、図8のように傾斜したバン
ド構造を有している。井戸層44および46のエネルギ
ーバンドは互いに反対方向に傾斜している。すなわち、
井戸層44および46のバンドギャップは、互いの近い
側から遠い側に向けて、徐々に広くなるように形成され
ている。このようなバンド構造は、井戸層44および4
6の組成を変化させることによって形成される。ここで
は、井戸層44および46をAlxGa1-xAsで形成
し、Alの組成比xを厚さ方向に連続的に変化させた。
この組成比xは、障壁層45との界面で0.13、障壁
層43および47とのそれぞれの界面で0とした。
FIG. 5 shows the energy levels near the channel of the device described above. Portions indicating the energy of each layer are denoted by the same reference numerals as in FIG. The quantum well layers 44 and 46 have a band gap that gradually changes in the thickness direction of the layers, and have a tilted band structure as shown in FIG. The energy bands of the well layers 44 and 46 are inclined in opposite directions. That is,
The band gaps of the well layers 44 and 46 are formed so as to gradually increase from the near side to the far side. Such a band structure corresponds to the well layers 44 and 4
6 is formed by changing the composition. Here, the well layers 44 and 46 were formed of Al x Ga 1 -x As, and the composition ratio x of Al was continuously changed in the thickness direction.
The composition ratio x was set to 0.13 at the interface with the barrier layer 45, and set to 0 at each interface with the barrier layers 43 and 47.

【0038】上記のような構成によって、井戸層44お
よび46は、その両端で100meVのエネルギー差を
有することになる。これは、実効的に105V/cmの
電界Fが層の厚さ方向に印加されたのと等価である。
With the above configuration, the well layers 44 and 46 have an energy difference of 100 meV at both ends. This is equivalent to an electric field F of 10 5 V / cm being effectively applied in the thickness direction of the layer.

【0039】次に、図4のデバイスの駆動に関して説明
する。図4において、電極51および52の間には、電
源54によって電圧が印加されている。そして、電極部
49から電極部50へは、井戸層44および46を通っ
てそれぞれ電子波が伝搬される。デバイスには、外部か
ら磁界Bが印加されている。このような磁界は、例えば
図6に斜視図で示すように、デバイス6を円筒状永久磁
石7の内部の空間に配置することによって得られる。こ
こで、井戸層44および46に光子エネルギーηωp
有する光を照射すると、前に説明したように、交換相互
作用または光シュタルク効果によって、これらの層を伝
搬する電子波の波動関数のピーク間の距離が変化し、電
極部49および50間を流れる電流の量が変化する。こ
のような電流量の変化は、電極に接続された電流計55
で検知される。
Next, the operation of the device shown in FIG. 4 will be described. In FIG. 4, a voltage is applied between the electrodes 51 and 52 by a power supply 54. Then, an electron wave is propagated from the electrode portion 49 to the electrode portion 50 through the well layers 44 and 46, respectively. A magnetic field B is externally applied to the device. Such a magnetic field is obtained, for example, by arranging the device 6 in a space inside the cylindrical permanent magnet 7, as shown in a perspective view in FIG. Here, when the well layers 44 and 46 are irradiated with light having the photon energy ηω p , as described above, the peaks of the wave functions of the electron waves propagating through these layers due to the exchange interaction or the optical Stark effect. And the amount of current flowing between the electrode portions 49 and 50 changes. Such a change in the amount of current is measured by an ammeter 55 connected to the electrode.
It is detected by.

【0040】例えば図5のように、井戸層44および4
6に、これらの価電子帯の量子準位EavおよびEbvと伝
導帯の量子準位Ea1およびEb1とのエネルギー差に近い
光子エネルギーηωp1を有する、波長約0.8μmの光
を照射すると、主として伝導キャリアと仮想キャリアと
の交換相互作用によって、電子波の波動関数が変形す
る。
For example, as shown in FIG.
6, light having a wavelength of about 0.8 μm having a photon energy ηω p1 close to the energy difference between the quantum levels E av and E bv of these valence bands and the quantum levels E a1 and E b1 of the conduction band. Upon irradiation, the wave function of the electron wave is deformed mainly by the exchange interaction between conduction carriers and virtual carriers.

【0041】また、井戸層44および46の伝導帯にお
ける基底準位Ea1およびEb1と、第1励起準位Ea2およ
びEb2とのエネルギー差に近い光子エネルギーηωp2
有する、波長約10μmの光を照射すると、主として光
シュタルク効果によって、電子波の波動関数が変形す
る。ここで、十分強い光を照射することによって、前述
の(5)式に示す波動関数のピーク位置の間隔の変化δ
dを15Å程度にすることができる。本実施例では、光
を照射しないときの波動関数のピーク位置の間隔di
約300Åであるから、(5)式より、光の照射によっ
て有効磁場を5%変調したのと同等の効果が得られる。
The conduction bands of the well layers 44 and 46
Ground level Ea1And Eb1And the first excited level Ea2And
And Eb2Photon energy ηω close to the energy difference betweenp2To
When irradiated with light having a wavelength of about 10 μm,
Due to the Stark effect, the wave function of the electron wave is deformed.
You. Here, by irradiating a sufficiently strong light,
Change δ in the interval between the peak positions of the wave function shown in equation (5)
d can be about 15 °. In this embodiment, the light
Of the peak position of the wave function without irradiationiIs
Since the angle is about 300 °, from equation (5),
As a result, an effect equivalent to modulating the effective magnetic field by 5% can be obtained.

【0042】図11に示したように、干渉電流は磁場の
周期関数であり、電流がゼロとなる磁場の強度B0は、
(1)式より以下のように求められる。 B0=(2n+1)・η/e・π/(l・di) (11) ここで、nは整数である。(11)式に、l=2μm、
i=300Åを代入すると、B0=(2n+1)×34
3Gaussとなる。n=10とすると、B0=720
3Gaussである。すなわち、図4のデバイスにおい
て、外部磁場Bを7203Gaussに設定すると、光
が照射されていない時に電極部49および50の間には
電流が流れない。これに対し、井戸層44および46に
光が照射されると、有効磁場が5%、すなわち360G
auss変化し、電極部間に流れる電流量は最大とな
る。照射される光を被検出光とし、電流計55で電極部
間に流れる電流量をモニターすることによって、本発明
のデバイスを光検出器として用いることができる。
As shown in FIG. 11, the interference current is a periodic function of the magnetic field, and the intensity B 0 of the magnetic field at which the current becomes zero is:
It is obtained from the equation (1) as follows. B 0 = (2n + 1) · η / e · π / (l · d i ) (11) where n is an integer. In equation (11), l = 2 μm,
By substituting d i = 300 °, B 0 = (2n + 1) × 34
3 Gauss. If n = 10, B 0 = 720
3 Gauss. That is, in the device of FIG. 4, when the external magnetic field B is set to 7203 Gauss, no current flows between the electrode units 49 and 50 when no light is irradiated. On the other hand, when the well layers 44 and 46 are irradiated with light, the effective magnetic field is 5%, that is, 360 G
Auss changes, and the amount of current flowing between the electrode portions becomes maximum. The device according to the present invention can be used as a photodetector by monitoring the amount of current flowing between the electrode portions with an ammeter 55 by using light to be irradiated as light to be detected.

【0043】また、本発明を光によって電流を制御する
装置に適用することもできる。この例を図7で説明す
る。図7において、符号8は図4のようなデバイスであ
る。このデバイス8の電極間には、電極9によって電圧
が印加されている。このデバイス8には半導体レーザな
どのレーザ光源11よりゲート光LGが照射される。こ
の光LGをレーザ駆動回路10からレーザ光源に供給す
る電流iGで変調することによって、デバイス8のドレ
イン電流ipが変調される。ゲート光LGをパルス幅1p
s以下のパルス光とすると、ドレイン電流ipをこの速
度で変調することができ、高速な電流変調器を実現する
ことができる。
The present invention can also be applied to a device for controlling a current by light. This example will be described with reference to FIG. In FIG. 7, reference numeral 8 denotes a device as shown in FIG. A voltage is applied between the electrodes of the device 8 by the electrodes 9. This device 8 gate light L G from the laser light source 11 such as a semiconductor laser is irradiated. By modulating this light L G current supplied from the laser driving circuit 10 to the laser light source i G, the drain current i p of the device 8 is modulated. Pulse width 1p a gate light L G
When s or less pulsed light, it is possible to modulate the drain current i p at this speed, it is possible to realize a high-speed current modulator.

【0044】図8は、本発明の電子波干渉デバイスを光
通信システムの光検出器として用いた例を説明するブロ
ック図である。図8において、符号16は光信号を伝送
する光ファイバーである。この光ファイバー16には、
光ノード171,172,・・・,17nをそれぞれ介し
て、複数のターミナル181,182,・・・,18n
接続されている。それぞれのターミナルには、キーボー
ド、表示素子などを有する端末191,192,・・・,
19nが接続されている。
FIG. 8 is a block diagram illustrating an example in which the electron wave interference device of the present invention is used as a photodetector in an optical communication system. In FIG. 8, reference numeral 16 denotes an optical fiber for transmitting an optical signal. This optical fiber 16 includes
Optical node 17 1, 17 2, ..., via respective 17 n, a plurality of terminals 18 1, 18 2, ..., 18 n are connected. Each terminal has a terminal 19 1 , 19 2 ,.
19 n are connected.

【0045】各ターミナルは、変調回路23およびレー
ザ光源22から成る光信号送信機を有している。また、
各ターミナルは、光検出器20および復調回路21から
成る光信号受信機を有している。これら送信機および受
信機は、端末191からの指令に基づいて制御回路24
によって制御される。前記光検出器20として、図4で
説明したような本発明の電子波干渉デバイスを好適に用
いることができる。
Each terminal has an optical signal transmitter including a modulation circuit 23 and a laser light source 22. Also,
Each terminal has an optical signal receiver including a photodetector 20 and a demodulation circuit 21. These transmitter and receiver, the control circuit 24 based on a command from the terminal 19 1
Is controlled by As the photodetector 20, the electron wave interference device of the present invention as described in FIG. 4 can be suitably used.

【0046】本発明は、以上説明した実施例に限らず種
々の応用が可能である。例えば、実施例ではデバイスA
lAsおよびAlGaAsを用いて作製しているが、I
nGaAsなどの他のIII−V族半導体を用いて作製
しても良い。また、本発明のデバイスは、ZnMnS
e、CdMnTeなどのII−VI族半導体あるいは、
CuClなどのI−VII族半導体を用いて作製するこ
ともできる。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない限
りにおいて、このような応用例をすべて包含するもので
ある。
The present invention is not limited to the embodiments described above, but can be applied to various applications. For example, in the embodiment, the device A
Although it is fabricated using lAs and AlGaAs,
It may be manufactured using another III-V semiconductor such as nGaAs. Further, the device of the present invention has a ZnMnS
e, a II-VI group semiconductor such as CdMnTe, or
It can also be manufactured using an I-VII group semiconductor such as CuCl. The invention includes all such applications without departing from the scope of the claims.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、再
成長を必要としない積層構造を用いて、2つのチャネル
の両方に光を照射するのみで干渉電流を高速変調するこ
とを可能にしている。光パルス幅として1ps以下のも
のが得られているので、電子電流をこの速度で変調する
ことが出来、将来の光システムのキーデバイスとして期
待される。
As described above, according to the present invention, it is possible to modulate the interference current at high speed only by irradiating light to both of the two channels, using a laminated structure that does not require regrowth. I have to. Since an optical pulse width of 1 ps or less has been obtained, the electron current can be modulated at this speed, and it is expected as a key device for future optical systems.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の電子干渉デバイスの動作原理を説明す
るための概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the operation principle of an electronic interference device of the present invention.

【図2】本発明のデバイスにおける、チャネルのエネル
ギーバンド構造の第1例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a first example of an energy band structure of a channel in the device of the present invention.

【図3】本発明のデバイスにおける、チャネルのエネル
ギーバンド構造の第1例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a first example of an energy band structure of a channel in the device of the present invention.

【図4】本発明の電子波干渉デバイスの一実施例を示す
概略斜視図である。
FIG. 4 is a schematic perspective view showing one embodiment of the electron wave interference device of the present invention.

【図5】図4のデバイスの井戸層周辺のエネルギーバン
ド構造を示す図である。
5 is a diagram showing an energy band structure around a well layer of the device of FIG.

【図6】本発明のデバイスに磁場を印加する手段の一例
を示す概略断面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of a means for applying a magnetic field to the device of the present invention.

【図7】本発明のデバイスを用いて電流の変調を行なう
装置を示す概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing an apparatus for modulating current using the device of the present invention.

【図8】本発明のデバイスを光検出器として用いた、光
通信システムの一例を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing an example of an optical communication system using the device of the present invention as a photodetector.

【図9】従来の電子波干渉デバイスの第1の例を示す概
略斜視図である。
FIG. 9 is a schematic perspective view showing a first example of a conventional electron wave interference device.

【図10】従来の電子波干渉デバイスの第2の例を示す
概略断面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a second example of a conventional electron wave interference device.

【図11】第2の従来例における、印加磁場の強度とコ
ンダクタンスとの関係を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between the strength of an applied magnetic field and conductance in a second conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a,1b チャネル 2a,2b 井戸層 41 基板 42 バッファ層 43,45,47 障壁層 44,46 量子井戸層 48 キャップ層 49,50 電極 1a, 1b Channel 2a, 2b Well layer 41 Substrate 42 Buffer layer 43, 45, 47 Barrier layer 44, 46 Quantum well layer 48 Cap layer 49, 50 Electrode

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電子波の伝搬する2つのチャネルを有す
る電子波干渉デバイスにおいて、該チャネル部分に光を
照射することで電子波の波動関数の形状が変化させられ
る様に構成され、これにより該2つのチャネルの間を横
切る磁束量が変化させられて2つの電子波間の位相差が
制御される如く構成されていることを特徴とする光制御
型電子波干渉デバイス。
1. An electron wave interference device having two channels through which an electron wave propagates, wherein the shape of the wave function of the electron wave is changed by irradiating light to the channel portion. An optically controlled electron wave interference device, wherein the amount of magnetic flux crossing between two channels is changed to control the phase difference between two electron waves.
【請求項2】 前記2つのチャネルの量子井戸のポテン
シャル形状が傾斜構造を持ちそしてその傾斜方向が互い
に反対方向である様に構成され、これにより該2つのチ
ャネル部分に光が照射されるときに2つの電子波の波動
関数のピーク位置が互いに逆方向にシフトする様になっ
ている請求項1記載の電子波干渉デバイス。
2. The two channel quantum wells are configured such that the potential shapes of the quantum wells have a tilted structure and the tilt directions thereof are opposite to each other, so that light is irradiated to the two channel portions. 2. The electron wave interference device according to claim 1, wherein the peak positions of the wave functions of the two electron waves are shifted in opposite directions.
【請求項3】 前記2つのチャネルの量子準位間のエネ
ルギー差に対して僅かに離調された光子エネルギーを持
つ光を照射することにより、光シュタルク効果によって
該2つのチャネルを伝搬する電子波の波動関数の形状が
変化させられる様になっている請求項1記載の電子波干
渉デバイス。
3. An electron wave propagating through the two channels by irradiating light having photon energies slightly detuned with respect to the energy difference between the quantum levels of the two channels by the optical Stark effect. The electron wave interference device according to claim 1, wherein the shape of the wave function is changed.
【請求項4】 前記2つのチャネルの量子準位間のエネ
ルギー差に対して僅かに離調された光子エネルギーを持
つ光を照射することにより仮想キャリアを発生させ、こ
の仮想キャリアと該チャネルの電子との交換相互作用に
よって量子準位のエネルギーをシフトさせて該2つのチ
ャネルを伝搬する電子波の波動関数の形状が変化させら
れる様になっている請求項1記載の電子波干渉デバイ
ス。
4. A virtual carrier is generated by irradiating light having photon energy slightly detuned with respect to the energy difference between the quantum levels of the two channels to generate virtual carriers and electrons of the channel. 2. The electron wave interference device according to claim 1, wherein the energy of the quantum level is shifted by an exchange interaction with the electron wave to change the shape of the wave function of the electron wave propagating through the two channels.
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