JP3142479B2 - 光素子 - Google Patents

光素子

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JP3142479B2 JP08059792A JP5979296A JP3142479B2 JP 3142479 B2 JP3142479 B2 JP 3142479B2 JP 08059792 A JP08059792 A JP 08059792A JP 5979296 A JP5979296 A JP 5979296A JP 3142479 B2 JP3142479 B2 JP 3142479B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体におけるＥＩ
Ｔ（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｉｎｄｕ
ｃｅｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）に立脚した光素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、吸収や発光スペクトルなど物質固
有の性質と考えられていた光学的性質に関して、非線形
光学過程を一切利用せず、量子力学的なコヒーレンスだ
けを用いてそれを変調する研究が活発化している。
【０００３】例えば、強い吸収を示すはずの波長領域に
おいても物質中を光が吸収されずに透過してしまう“Ｅ
ＩＴ”（Ｋ．−Ｊ．Ｂｏｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６６，２５９３（１９９
１））、反転分布無しでもレーザー発振が可能なため、
特に反転分布を形成することが困難な紫外線〜Ｘ線領域
にかけての短波長レーザーの実現に期待がかかる“ｌａ
ｓｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔｉｎｖｅｒｓｉｏｎ”（略し
てＬＷＩ；Ｓ．Ｅ．Ｈａｒｒｉｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ．６２．１０３３（１９８９））、物質の屈折
率を非常に大きくすることが可能な“ｅｎｈａｎｃｅｍ
ｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏ
ｎ”（Ｍ．Ｏ．Ｓｃｕｌｌｙ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅ
ｔｔ．６７，１８５５（１９９１））、励起光を照射し
ているにも拘らずある特定準位に電子を閉じ込めてしま
う“ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇ”（Ｅ．
Ａｒｉｍｏｎｄｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｌｅｔｔ．Ｎｕｏｖ
ｏ Ｃｉｍｅｎｔｏ １７，３３３（１９７６）などの
研究が活発化している。これら研究に伴い、この種の量
子コヒーレンスを応用した光変調素子やＬＷＩレーザー
など各種光素子の研究開発も積極的に進められている。
【０００４】量子コヒーレンスに基づく物質の光学的性
質の変調現象の中でも、特にＥＩＴは上述した現象の全
ての基礎であり、例えばＬＷＩレーザーなどではそれを
実現する上で必要不可欠な基本技術と考えられている。
【０００５】ＥＩＴはもともと原子ガスにレーザー光を
２本照射した際に見出だされた現象で、１９７６年の発
見以来様々な原子ガスで同様な現象が確認されている。
例えば、Ｈ．Ｒ．Ｇｒａｙ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌ
ｅｔｔ．３，２１８（１９７８）；Ｍ．Ｋａｉｖｏｌａ
ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．４９，４１８
（１９８４）；Ａ．Ａｓｐｅｃｔ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈ
ｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，８２６（１９８８）；
Ｓ．Ａｄａｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕ
ｎ．８１，３６４（１９９１）；Ａ．Ｍ．Ａｋｕｌｓｉ
ｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｏｐｔ Ｃｏｍｍｕｎ．８４，１３
９（１９９１）；Ｙ．−Ｑ．Ｌｉ ｅｔａｌ．，Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ａ５１，Ｒ１７５４（１９９５）；Ａ．Ｋ
ａｓａｐｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．７４，２４４７（１９９５）に報告されている。
【０００６】なお、発見当時はまだＥＩＴとは言わず、
ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇと呼ばれてい
た。ＥＩＴはスペクトルに着目した場合、ｐｏｐｕｌａ
ｔｉｏｎ ｔｒａｐｐｉｎｇは電子分布に着目した場合
の名称で、もともとは同じ現象をさしていた（（Ｇ．Ａ
ｌｚｅｔｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｎｕｏｖｏ Ｃｉｍｅｎ
ｔｏ Ｂ３６，５（１９７６））。
【０００７】図１は、原子ガスのエネルギー準位と入射
光を模式的に示したものである。この図１を用いてＥＩ
Ｔの基本原理を説明する。
【０００８】対象となる系は、基本的に３つの準位と２
本のコヒーレント光（第１の光、第２の光）とから構成
される。準位と光の組み合わせに関係して、図１に示す
ように、３種の励起型が存在する。
【０００９】すなわち、図１（ａ）に示すように一番上
の準位１を共通準位として第１、第２の光で励起するΛ
型励起と、図１（ｂ）に示すように基底準位３が共通準
位となるＶ型励起と、図１（ｃ）に示すように真ん中の
準位２が共通準位となるΞ型励起である。
【００１０】まず、Λ型励起の場合に着目し、第１の光
（光１）の光子エネルギーω1 が準位１・２間のエネル
ギーω12に一致する条件；Δω1 ＝ω1 −ω12＝０にお
いて、第２の光（光２）の光子エネルギーω2 を変化さ
せながらその光吸収スペクトルを調べた場合を考える。
【００１１】図２（ａ）はこの条件下における第２の光
の光吸収スペクトルを示す。なお、横軸のΔω2 は第２
の光の光子エネルギーω2 と準位１・３間のエネルギー
との差；Δω2 ＝ω2 −ω13で整理し直している。
【００１２】図２（ａ）に示すように、本来単一の吸収
ピークを示すはずのスペクトルには、Δω2 ＝０（＝Δ
ω1 ）で吸収の孔、すなわち透明領域が生ずる。この時
の孔の幅Ωは、第１の光、第２の光のラビ周波数をそれ
ぞれΩ12，Ω13とすると、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω13 2 ）1/2
となる。
【００１３】なお、ラビ周波数は光の強さを表す量であ
って、ラビ周波数Ω12，Ω13は、それぞれ、２πμ12Ｅ
12／ｈ、２πμ13Ｅ13／ｈで定義される。
【００１４】ここで、μ12は準位１・２間の電気双極子
モーメント、μ13は準位１・３間の電気双極子モーメン
ト、Ｅ12は第１の光の電場強度、Ｅ13は第２の光の電場
強度、ｈはプランク定数を表している。
【００１５】図２（ｂ）に、Δω1 ≠０の状態に第１の
光の光子エネルギーを固定した場合の第２の光の光吸収
スペクトルを示す。図２（ｂ）から、Δω1 ＝Δω2 と
なる吸収の裾の領域には、やはり第２の光が吸収されな
い透明領域が形成されることが分かる。この場合の孔の
幅Ωも、Ω〜（Ω12 2 ＋Ω13 2 ）1/2 となる。
【００１６】このように３つの準位に２本の第１の光、
第２の光が入射すると、Δω1 ＝Δω2 を満たす波長で
は、本来強い吸収を示す領域であっても光が吸収されな
くなるＥＩＴが起きる。
【００１７】この吸収が消える物理的起源は、直感的に
は準位３から準位１への光学遷移と準位２から準位１へ
の遷移が干渉効果により互いに打ち消し合うことによ
る。起源に関するより詳細な説明は、量子力学、特に密
度行列を解析することで行うことができ、実際に吸収が
無くなることが示されている。
【００１８】以上の結果は全てΛ型励起に関するもので
あるが、Ｖ型励起では第１の光（光１）、第２の光（光
２）がΔω1 ＝Δω2 を満たすとき、また、Ξ励起では
Δω1 ＝−Δω2 を満たすときに光吸収は弱まり吸収ス
ペクトルは２本のピークに分裂することが、原子ガスを
用いた実験と理論計算の両面から確認されている。
【００１９】なお、密度行列の解析結果より、光吸収が
厳密にゼロになるのはΛ型励起の場合だけであるが、Ｖ
型励起、Ξ型励起においても２本の光を用いることで光
吸収を限りなくゼロに近い値まで低減できることが示さ
れている。
【００２０】次に、このＥＩＴを基礎とするＬＷＩの原
理について説明する。
【００２１】ＬＷＩも準位と光の組み合わせに関係して
Λ型、Ｖ型、Ξ型励起の３つのスキームがあるが、ここ
ではΛ型励起の場合に注目する。
【００２２】図６３（ａ）は、原子ガスのエネルギー準
位と入射光を模式的に示したものである。
【００２３】ここで、新たに付け加えられた光３は、基
底状態から励起状態へ電子をインコヒーレントにポンピ
ングするインコヒーレント光である。
【００２４】いま、系に入射するコヒーレントな光１，
２が条件；Δω1 ＝Δω2 を満たし、準位３から準位１
への吸収スペクトルに透明領域が形成されている状況を
考える。
【００２５】ここで、準位１・３間の遷移エネルギーを
含むようなインコヒーレントな光３を照射した場合、こ
の光３は系により吸収される。これは、直感的にはイン
コヒーレント光に対してはＥＩＴによる干渉効果が働か
ず、準位３から準位１は透明にならないためである。光
３により準位３から準位１に励起された電子は、誘導放
射によりコヒーレント光として再び準位３に落ちる。
【００２６】すなわち、準位１・３間の遷移において、
インコヒーレント光は吸収されて発光するコヒーレント
光は吸収されないという吸収と発光の非対称性のため
に、インコヒーレントな光３によりコヒーレントな光２
が増幅される訳である。
【００２７】このような現象は励起状態である準位１，
２のポピュレーションの和が、基底状態である準位３の
ポピュレーションより小さい場合でも起きることから、
新しいレーザー発振の原理として注目されている。
【００２８】このように、反転分布無しで光２を増幅す
るためには、基底状態である準位３から励起状態である
準位１もしくは準位２、またはその両方に電子をインコ
ヒーレントにポンピングする手段が必須となる。
【００２９】図６３（ｂ）は、準位１と準位２との間に
存在する新たな準位４を用い、この準位４を経由して準
位２に電子をポンピングするスキームを示し、この場合
も反転分布無しで光２を増幅することができる。
【００３０】なお、ポンピング光にはコヒーレント光、
インコヒーレント光どちらを用いても良い。また、光以
外のポンピング手段として、図６３（ｃ）に示すように
電子線を用いることも可能で、この場合も反転分布無し
で光２を増幅することができる。
【００３１】ＬＷＩレーザーを構成するには、図６４に
示すようにＥＩＴ媒質１０１を二つのミラー１０２で挟
んだ構造の共発振器を形成し、コヒーレント光として光
１のみを照射し、さらに基底状態から励起状態へ電子を
光３によりインコヒーレントにポンピングすれば良い。
【００３２】ここで、準位１・２間を励起する光１の光
子エネルギーをω1 、準位２・３間の準位エネルギーを
ω23とすると、光子エネルギー（ω1 ＋ω23）を中心に
その近辺ではレーザー発振の利得が生じるため、コヒー
レント光が発生する。反転分布無しでもレーザー発振が
起きる物理的起源に関するより詳細な説明は、ＥＩＴの
場合と同様、密度行列を解析することで示すことができ
る。
【００３３】以上の結果は全てΛ型励起に関するもので
あるが、Ｖ型、Ξ型励起の場合についても、ＥＩＴによ
る吸収の孔があいた透明領域においてレーザー発振の利
得が生じ、やはりＬＷＩが可能であることが、密度行列
の計算結果から示されている。
【００３４】以上のことから、このようなＥＩＴを固体
に応用すれば、２本の光のうちの一方をゲートに用いて
他方を光の出力強度を制御することにより、原理的に強
い光を必要とする既存の非線形光学を利用した光変調素
子に代わり、微弱な光でも十分に動作可能な光変調素子
や、反転分布無しでもレーザー発振が可能なＬＷＩレー
ザの実現に道が開け、さらには光学遷移の変調現象と磁
性・電気伝導性・強誘電性など固体の持つ様々な物性と
を組み合わせることで従来の電子素子とは異なる新しい
タイプの機能素子の創作も期待できる。
【００３５】しかしながら、固体へのＥＩＴの適用には
以下のような困難があった。すなわち、ＥＩＴは特定準
位間の光学遷移の干渉を利用するため、固体でのＥＩＴ
を実現するのにバンドを形成するような準位を用いるこ
とは困難である。
【００３６】そこで、最近、固体の中でもエネルギー準
位が比較的離散的な半導体超格子、不純物、欠陥などを
利用して、ＥＩＴの実現を目指した研究が活発に行われ
始めた（例えば、Ａ．Ｉｍａｍｏｇｌｕ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１９，１７４４（１９９
４）；Ｐ．Ｊ．Ｈａｒｓｈｍａｎ ｅｔ ａｌ．，ＩＥ
ＥＥＪ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ３
０，２２９７（１９９４）；Ｄ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ１１，２２９７
（１９９４）；Ｙ．Ｚｈｕ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓ．
Ｒｅｖ．Ａ４９，４０１６（１９９４））。
【００３７】しかしながら、現在までのところ固体では
原子ガスで見られたような顕著なＥＩＴ特性は得られて
いない。その原因は、半導体超格子の場合には現状の素
子作製技術では超格子構造を均一に作ることができずエ
ネルギー準位に大きなバラつきがあること、また、不純
物や欠陥の場合にはその周囲の結晶場に分布があるため
やはりエネルギー準位には大きなバラつきが生じてしま
うことによる。
【００３８】このようなエネルギー準位のバラつきに由
来して、ＥＩＴを起こすための条件であるΔω1 ＝Δω
2 （Λ型励起とＶ型励起の場合）、またはΔω1 ＝−Δ
ω2（Ξ型励起の場合）を同時に満足する超格子や不純
物、欠陥の数は少なくなり、光学遷移のＥＩＴ特性も原
子ガスと比較して小さくなる。
【００３９】すなわち、現状の素子作製技術では固体中
のエネルギー準位の不均一さを原子ガスの準位と同程度
のレベルにまで減らして整えることは難しく、これまで
のところ、光変調素子やＬＷＩレーザーなど量子コヒー
レンスに基づく光素子に必要不可欠な、ＥＩＴに由来す
る大きな光変調特性は固体においては得られていなかっ
た。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術では、原子ガスで見られた量子コヒーレンスに基
づくＥＩＴをそのまま固体のエネルギー準位に適用した
場合、固体中の準位のランダムなバラつきに起因して十
分なＥＩＴ特性は得られていなかった。
【００４１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、固体におけるＥＩＴに
立脚した実用可能な光素子を提供することにある。
【００４２】
【課題を解決するための手段】
［概要］上記目的を達成するために、本発明に係る光素
子（請求項１）は、不純物を含む固体と、不純物のエネ
ルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位および第３の準位としたときに、第１の
準位と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長
を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
前記固体中で共存させる励起手段とを備えており、前記
固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純物の第１
の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第１の
準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび第２
の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそれぞ
れω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝１〜
Ｎ）とし、Ｎ個全ての不純物についての前記ω
12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれ
ぞれ＜ω12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全て
の不純物についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）および
ω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 とし
た場合に、σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足すること
を特徴とする。
【００４３】また、本発明に係る他の光素子（請求項
２）は、不純物を含む固体と、不純物のエネルギー準位
の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の
準位および第３の準位としたときに、第２の準位と第３
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光、ならびに第１の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記固体中
で共存させる励起手段とを備えており、前記固体中に不
純物の総数をＮ個として個々の不純物の第１の準位と第
２の準位との間の準位間エネルギー、第１の準位と第３
の準位との間の準位間エネルギーおよび第２の準位と第
３の準位との間の準位間エネルギーをそれぞれω
12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）
とし、Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全ての不純物
についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω
23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2｝1/2 とし
た場合に、σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足すること
を特徴とする。
【００４４】また、本発明に係る他の光素子（請求項
３）は、不純物を含む固体と、不純物のエネルギー準位
の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の
準位および第３の準位としたときに、第１の準位と第２
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光、ならびに第２の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記固体中
で共存させる励起手段とを備えており、前記固体中の不
純物の総数をＮ個として個々の不純物の第１の準位と第
２の準位との間の準位間エネルギー、第１の準位と第３
の準位との間の準位間エネルギーおよび第２の準位と第
３の準位との間の準位間エネルギーをそれぞれω
12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）
とし、Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全ての不純物
についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω
23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2｝1/2 とし
た場合に、σ13≦σ12、且つσ13≦σ23を満足すること
を特徴とする。
【００４５】また、本発明に係る他の光素子（請求項
４）は、上記光素子（請求項１）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝２〜６）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第２の準位および前記第３の準位がともにｔ2g軌道
にｎ個の電子が収容されてなる電子配置をとることを特
徴とする。
【００４６】また、本発明に係る他の光素子（請求項
５）は、上記光素子（請求項１）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝７，８）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第２の準位および前記第３の準位がともにｔ2g軌道
に６個の電子が収容され、ｅg 軌道にｎ−６個の電子が
収容されてなる電子配置をとることを特徴とする。
【００４７】また、本発明に係る他の光素子（請求項
６）は、上記光素子（請求項２）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝２〜６）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第１の準位および前記第２の準位がともにｔ2g軌道
にｎ−１個の電子が収容され、ｅg 軌道に１個の電子が
収容されてなる電子配置をとることを特徴とする。
【００４８】また、本発明に係る他の光素子（請求項
７）は、上記光素子（請求項２）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝７，８）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第１の準位および前記第２の準位がともにｔ2g軌道
８５個の電子が収容され、ｅg 軌道にｎ−５個の電子が
収容されてなる電子配置をとることを特徴とする。
【００４９】また、本発明に係る他の光素子（請求項
８）は、上記光素子（請求項３）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝２〜６）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第１の準位および前記第３の準位がともにｔ2g軌道
にｎ個の電子が収容されてなる電子配置をとることを特
徴とする。
【００５０】また、本発明に係る他の光素子（請求項
９）は、上記光素子（請求項３）において、前記不純物
が、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝７，８）の電子を持つ遷移
金属イオンであり、かつこの遷移金属イオンが配位子に
よって作られた立方対称な結晶場中に置かれた場合に、
前記第１の準位および前記第３の準位がともにｔ2g軌道
に６個の電子が収容され、ｅg 軌道にｎ−６個の電子が
収容されてなる電子配置をとることを特徴とする。
【００５１】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
０）は、上記光素子（請求項１）において、前記不純物
が、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜１３）の電子を持つ希
土類イオンであり、前記第１の準位がｆ電子軌道にｎ−
１個の電子が収容され、ｄ電子軌道に１個の電子が収容
されてなる電子配置をとり、前記第２の準位および前記
第３の準位がともにｆ電子軌道にｎ個の電子が収容され
てなる電子配置をとることを特徴とする。
【００５２】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
１）は、上記光素子（請求項２）において、前記不純物
が、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜１３）の電子を持つ希
土類イオンであり、前記第１の準位および前記第２の準
位がともにｆ電子軌道にｎ−１個の電子が収容され、ｄ
電子軌道に１個の電子が収容されてなる電子配置をと
り、前記第３の準位がｆ電子軌道にｎ個の電子が収容さ
れてなる電子配置をとることを特徴とする。
【００５３】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
２）は、不純物を含む固体と、不純物のエネルギー準位
の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の
準位および第３の準位としたときに、第１の準位と第２
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光を前記固体に照射する光照射手段とを備えてお
り、前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純
物の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）
（ｉ＝１〜Ｎ）とし、Ｎ個全ての不純物についての前記
ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそ
れぞれ＜ω12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全
ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およ
びω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）
Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 とし
た場合に、σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足する光素
子であって、前記固体はレーザ媒質として使用され、前
記第１の光を前記固体に照射するとともに、ポンピング
手段により、前記三つの準位のうち前記第１の光により
結ばれた二つの準位の少なくとも一方に電子を励起する
ことにより、レーザ発振を行なうことを特徴とする。
【００５４】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
３）は、不純物を含む固体と、不純物のエネルギー準位
の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、第２の
準位および第３の準位としたときに、第２の準位と第３
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光を前記固体に照射する光照射手段とを備えてお
り、前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純
物の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ＝
１〜Ｎ）とし、Ｎ個全ての不純物についての前記ω
12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれ
ぞれ＜ω12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全て
の不純物についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）および
ω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 とし
た場合に、σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足する光素
子であって、前記固体はレーザ媒質として使用され、前
記第１の光を前記固体に照射するとともに、ポンピング
手段により、前記三つの準位のうち前記第１の光により
結ばれた二つの準位の少なくとも一方から、前記第１の
準位に電子を励起することにより、レーザー発振を行な
うことを特徴とする。
【００５５】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
４）は、上記光素子（請求項１２）において、前記固体
中に含まれる不純物が、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜１
３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記第１の準位
がｆ電子軌道にｎ−１個の電子が収容され、ｄ電子軌道
に１個の電子が収容されてなる電子配置をとり、前記第
２の準位および前記第３の準位がともにｆ電子軌道にｎ
個の電子が収容されてなる電子配置をとり、前記ポンピ
ング手段は、電子線および電磁波の少なくとも一つを前
記固体に照射する手段からなることを特徴とする。
【００５６】また、本発明に係る他の光素子（請求項１
５）は、上記光素子（請求項１３）において、前記固体
中に含まれる不純物が、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝１〜１
３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記第１の準位
および前記第２の準位がともにｆ電子軌道にｎ−１個の
電子が収容され、ｄ電子軌道に１個の電子が収容されて
なる電子配置をとり、前記第３の準位がｆ電子軌道にｎ
個の電子が収容されてなる電子配置をとり、前記ポンピ
ング手段は電子線および電磁波の少なくとも一つを前記
固体に照射する手段からなることを特徴とする。
【００５７】後述する固体材料においては、準位間エネ
ルギーの分布は各エネルギー準位の対称性から予測する
ことが可能である。一般には、対称性が等しいかまたは
類似した準位間ではエネルギーの分散が小さくなり、さ
らに光学遷移も禁制となる場合が多いことが知られてい
る。これに対して、対称性が異なる準位間ではそれが等
しい準位間と比較してエネルギーの分散が大きくなり、
光学遷移も許容となる場合が多くなる。
【００５８】したがって、本発明（請求項１）に係る光
素子では、第２の準位、第３の準位の対称性が同じかま
たは類似し、第１の準位のそれが異なる材料系を選択
し、本発明（請求項２）に係る光素子では、第１の準
位、第２の準位の対称性が同じかまたは類似し、第３の
準位のそれが異なる材料系を選択し、そして本発明（請
求項３）に係る光素子では、第１の準位、第３の準位の
対称性が同じかまたは類似し、第２の準位のそれが異な
る材料系を選択することにより、先の条件式を実現する
ことが可能となる。
【００５９】ここで、上述の条件式を満たす固体材料に
は、不純物としてＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉ，Ｃｕなどの第１次遷移金属元素、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇなどの第２次遷移金
属元素、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａ
ｕなどの第３次遷移金属元素、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ
などのランタノイド系希土類元素、そしてＴｈ，Ｐａ，
Ｕなどのアクチノイド系希土類元素を少なくとも一種類
以上は含む、ＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，
ＭｇＦ2 ，ＣａＦ2 ，ＳｒＦ2 ，ＢａＦ2 ，ＭｎＦ2 ，
ＺｎＦ2 ，ＣｄＦ2 ，ＡｌＦ3 ，ＹＦ3 ，ＬａＦ3 ，Ｃ
ｅＦ3 ，ＰｒＦ3 ，ＮｄＦ3 ，ＳｍＦ3 ，ＥｕＦ3 ，Ｇ
ｄＦ3 ，ＴｂＦ3 ，ＤｙＦ3 ，ＨｏＦ3 ，ＥｒＦ3 ，Ｔ
ｍＦ3 ，ＹｂＦ3 ，ＬｕＦ3 ，ＬｉＢａＦ3 ，ＫＭｇＦ
3 ，ＫＭｎＦ3 ，ＫＺｎＦ3 ，ＫＮｉＦ3 ，ＲｂＮｉＦ
3 ，ＺｒＦ4 ，ＬｉＹＦ4 ，ＮａＹＦ4 ，ＫＹＦ4 ，Ｌ
ｉＬａＦ4 ，ＬｉＧｄＦ4 ，ＬｉＬｕＦ4 ，ＢａＡｌＦ
5 ，ＳｒＡｌＦ5 ，Ｋ3 ＹＦ6 ，Ｋ3 ＣｏＦ6 ，Ｃｓ3
ＮｄＦ7 ，Ｃｓ3 ＧｄＦ7 ，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣ
ｌ，ＲｂＣｌ，ＣｓＣｌ，ＹＣｌ3 ，ＬａＣｌ3 ，Ｃｅ
Ｃｌ3 ，ＰｒＣｌ3 ，ＮｄＣｌ3 ，ＳｍＣｌ3，ＥｕＣ
ｌ3 ，ＧｄＣｌ3 ，ＴｂＣｌ3 ，ＤｙＣｌ3 ，ＨｏＣｌ
3 ，ＥｒＣｌ3，ＴｍＣｌ3 ，ＹｂＣｌ3 ，ＬｕＣ
ｌ3 ，ＣｓＭｇＣｌ3 ，ＣｓＣｄＣｌ3 ，ＬｉＢｒ，Ｎ
ａＢｒ，ＫＢｒ，ＲｂＢｒ，ＣｓＢｒ，ＹＢｒ3 ，Ｌａ
Ｂｒ3 ，ＣｅＢｒ3 ，ＰｒＢｒ3 ，ＮｄＢｒ3 ，ＳｍＢ
ｒ3 ，ＥｕＢｒ3 ，ＧｄＢｒ3 ，ＴｂＢｒ3 ，ＤｙＢｒ
3 ，ＨｏＢｒ3 ，ＥｒＢｒ3 ，ＴｍＢｒ3 ，ＹｂＢ
ｒ3 ，ＬｕＢｒ3 ，ＣｓＭｇＢｒ3 ，ＬｉＩ，ＮａＩ，
ＫＩ，ＲｂＩ，ＣｓＩ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，
ＡｇＦ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＹＯＣｌ，Ｌａ
ＯＣｌ，ＬａＯＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，Ｉ
ｎＢｒ，ＩｎＩ，Ｌｉ2 Ｏ，ＢｅＯ，Ｎ2 Ｏ5 ，Ｎａ2
Ｏ，Ｐ2 Ｏ3 ，Ｓ2 Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ，ＣａＯ，Ｃｒ
2 Ｏ3 ，ＭｎＯ2 ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＳｒＯ，Ｚｒ
Ｏ2 ，Ｎｂ2 Ｏ5 ，ＭｏＯ3 ，ＡｇＯ，Ｓｂ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｅＯ2 ，ＢａＯ，ＷＯ3 ，Ｒｅ2 Ｏ7 ，ＰｂＯ，ＰｕＯ
2，Ｙ2 Ｏ3 ，Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 ，Ｐｒ2 Ｏ3 ，
Ｎｄ2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔ
ｂ2 Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2 Ｏ3 ，Ｔｍ
2 Ｏ3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ，ＴｈＯ2 ，ＵＯ2 ，
ＵＯ3 ，Ｂａ2 ＧｄＮｂＯ5 ，ＳｒＧｄＧａ3 Ｏ7 ，Ｓ
ｃ2 Ｇｄ3 Ｇａ3 Ｏ12，ＮａＬｕＯ12，ＬｉＩＯ3 ，Ｌ
ｉＮｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15，Ｙ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ，Ｃｅ2 Ｏ2 Ｓ，Ｐｒ2 Ｏ
2 Ｓ，Ｎｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｓｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｅｕ2 Ｏ2 Ｓ，Ｇ
ｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｔｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｄｙ2 Ｏ2 Ｓ，Ｈｏ2 Ｏ2
Ｓ，Ｅｒ2Ｏ2 Ｓ，Ｔｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｙｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｌｕ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｙ2 Ｓ3 ，Ｌａ2 Ｓ3 ，Ｃｅ2 Ｓ3 ，Ｐｒ2
Ｓ3 ，Ｎｄ2 Ｓ3 ，Ｓｍ2 Ｓ3 ，Ｅｕ2 Ｓ3 ，Ｇｄ2 Ｓ
3 ，Ｔｂ2 Ｓ3 ，Ｄｙ2 Ｓ3 ，Ｈｏ2 Ｓ3 ，Ｅｒ
2 Ｓ3 ，Ｔｍ2 Ｓ3 ，Ｙｂ2 Ｓ3 ，Ｌｕ2 Ｓ3 ，Ｂ2 Ｏ
3 ，ＧａＢＯ3 ，ＩｎＢＯ3 ，ＴｌＢＯ3 ，ＳｃＢ
Ｏ3 ，ＹＢＯ3 ，ＬａＢＯ3 ，ＣｅＢＯ3 ，ＰｒＢ
Ｏ3 ，ＮｄＢＯ3 ，ＳｍＢＯ3 ，ＥｕＢＯ3 ，ＧｄＢＯ
3 ，ＴｂＢＯ3 ，ＤｙＢＯ3 ，ＨｏＢＯ3 ，ＥｒＢ
Ｏ3 ，ＴｍＢＯ3 ，ＹｂＢＯ3 ，ＬｕＢＯ3 ，ＣａＹＢ
Ｏ4 ，ＢａＢ2 Ｏ4 ，Ｃｄ2 Ｂ2 Ｏ5 ，ＬｉＢ3 Ｏ5 ，
ＣｓＢ3 Ｏ5 ，ＳｒＢ4 Ｏ7 ，Ａｌ3 ＴｂＢ4 Ｏ12，Ｚ
ｎＯ，ＺｎＧａ2 Ｏ4 ，ＭｇＯ，ＭｇＧａ2 Ｏ4 ，Ｍｇ
2 ＴｉＯ4 ，Ｍｇ4 Ｔａ2 Ｏ9 ，ＴｉＯ2 ，ＣａＴｉＯ
3 ，ＳｒＴｉＯ3 ，ＢａＴｉＯ3 ，ＰｂＴｉＯ3 ，ＫＴ
ｉＰＯ5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬｉＡｌＯ2 ，ＹＡｌＯ3 ，Ｂ
ｅＡｌ2 Ｏ4 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＺｎＡｌ2 Ｏ4 ，Ｌｉ
Ａｌ5 Ｏ8 ，Ｙ4 Ａｌ2 Ｏ9 ，ＹＡｌ3 Ｂ4 Ｏ12，Ｙ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｃｅ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｐ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｂ3
Ａｌ5 Ｏ12，Ｄｙ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｅ
ｒ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ａｌ
5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ａｌ5 Ｏ12，ＬａＡｌ11Ｏ18，ＣｅＭｇ
Ａｌ11Ｏ19，ＴｂＭｇＡｌ11Ｏ19，ＢａＡｌ12Ｏ19，Ｂ
ａＭｇ2 Ａｌ16Ｏ27，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌ
ａ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｃｅ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｄ
ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌｕ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｃｅ
3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｇａ5 Ｏ12，
Ｓｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ
12，Ｔｂ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｄｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ｇａ
5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙｂ3
Ｇａ5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｓｃ2 Ｇａ
5 Ｏ12，ＣａＰＯ3 ，ＳｃＰＯ4 ，ＹＰＯ4 ，ＬａＰＯ
4 ，ＣｅＰＯ4 ，ＰｒＰＯ4 ，ＮｂＰＯ4 ，ＳｍＰ
Ｏ4 ，ＥｕＰＯ4 ，ＧｄＰＯ4 ，ＴｍＰＯ4 ，ＤｙＰＯ
4 ，ＨｏＰＯ4 ，ＥｒＰＯ4 ，ＴｍＰＯ4 ，ＹｂＰ
Ｏ4 ，ＬｕＰＯ4 ，Ｃａ2 ＰＯ4 Ｃｌ，Ｍｇ3 （Ｐ
Ｏ4 ）2 ，Ｃａ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＰＯ4 ）2 ，
Ｂａ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｚｎ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （Ｐ
Ｏ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3
Ｃｌ，Ｃａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃ
ｌ，Ｓｒ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｓｒ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，
Ｂａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ
2 Ｐ2 Ｏ7 ，ＮｄＰ5 Ｏ14，ＳｉＯ2 ，ＢｅＳｉＯ3，
ＭｇＳｉＯ3 ，ＣａＳｉＯ3 ，ＳｒＳｉＯ3 ，ＢａＳｉ
Ｏ3 ，ＺｎＳｉＯ3 ，ＣｄＳｉＯ3 ，Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ，
ＮａＹＳｉＯ4 ，Ｙ2 ＳｉＯ5 ，Ｌａ2 ＳｉＯ5 ，Ｌｕ
2 ＳｉＯ5 ，ＢｅＳｉ2 Ｏ5 ，ＭｇＳｉ2 Ｏ5 ，ＣａＳ
ｉ2 Ｏ5 ，ＳｒＳｉ2 Ｏ5 ，ＢａＳｉ2 Ｏ5 ，Ｓｃ2 Ｓ
ｉ2 Ｏ7 ，Ｂｅ2 ＳｒＳｉ2 Ｏ7 ，Ｃａ2 ＭｇＳｉ2 Ｏ
7 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＧｅＯ2 ，Ｚｎ2 ＧｅＯ4 ，Ｃｓ2 Ｕ
Ｏ2 Ｆ4，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｃｌ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｂｒ4 ，
Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｆ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2Ｃｌ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2
Ｂｒ5 ，ＭｇＷＯ4 ，ＣａＷＯ4 ，ＳｒＷＯ4 ，ＢａＷ
Ｏ4 ，ＡｌＷＯ4 ，ＣｄＷＯ4 ，ＰｂＷＯ4 ，Ｙ2 ＷＯ
6 ，ＭｇＭｏＯ4 ，ＣａＭｏＯ4 ，ＳｒＭｏＯ4 ，Ｂａ
ＭｏＯ4 ，Ｌｉ2 ＭｏＯ4 ，Ｙ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌａ2 Ｍ
ｏ3 Ｏ12，Ｃｅ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｐｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｎｄ
2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｓｍ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，
Ｇｄ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｄｙ2 Ｍｏ3 Ｏ
12，Ｈｏ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｅｒ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｍ2 Ｍｏ
3 Ｏ12，Ｙｂ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，ＮａＣ
ａＶＯ4 ，ＳｃＶＯ4 ，ＹＶＯ4 ，Ｍｇ3 （Ｖ
Ｏ4 ）2 ，Ｃａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｓｒ3 （ＶＯ4 ）2 ，
Ｂａ3 （ＶＯ4）2 ，Ｚｎ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｃｄ3 （Ｖ
Ｏ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3
Ｃｌ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃ
ｌ，Ｓｒ5（ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，
Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｆ，Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ
Ｓ，ＳｒＳ，ＢａＳ，ＣａＳｅ，ＳｒＳｅ，ＢａＳｅ
や、その他フッ化物・ハロゲン化物・臭化物・ヨウ化物
・ハロゲン化銅・ハロゲン化銀・酸ハロゲン化物・タリ
ウム化合物・インジウム化合物・ホウ酸塩・亜鉛酸化物
・マグネシウム酸化物・チタニウム酸化物・アルミン酸
塩・ガーネット・ケイ酸塩・ゲルマニウム酸塩・イット
リウム化合物・ランタン化合物・セリウム化合物・プラ
セオジウム化合物・ネオジウム化合物・サマリウム化合
物・ユーロピウム化合物・ガドリニウム化合物・テルビ
ウム化合物・ジスプロシウム化合物・ホルミウム化合物
・エルビウム化合物・ツリウム化合物・イッテルビウム
化合物・ルテチウム化合物・ウラン化合物・リン酸塩・
シェーレ化合物・硫化物・セレン化合物などの絶縁性無
機材料を用いることができる。
【００６０】これに加えて、上記の遷移金属元素や希土
類元素を不純物として少なくとも一種類以上含む、ダイ
アモンド，Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，
ＧａＰ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，Ａｌ
Ｎ，ＡｌＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＨｇＳ，
ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＢＡｓ，ＢＰ，ＢＮ，ＺｎＳ，Ｚ
ｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，Ｃｕ
2 Ｏ，ＳｎＯ2 ，Ｉｎ2Ｏ3 などの半導体あるいは半絶
縁性材料を用いることもできる。なお、上記材料中にお
いて遷移金属元素や希土類元素は通常イオンの状態で存
在するが、その価数は特に限定されない。
【００６１】また、本発明において光励起される電子遷
移としては、第１次遷移金属イオンを励起する場合には
このイオンの３ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、第２次遷
移金属イオンを励起する場合には４ｄ準位が関与するｄ
→ｄ遷移、第３次遷移金属イオンを励起する場合には５
ｄ準位が関与するｄ→ｄ遷移、ランタノイド系希土類イ
オンを励起する場合には４ｆ，５ｄ準位が関与するｆ→
ｆ遷移やｆ→ｄ遷移、アクチノイド系希土類イオンを励
起する場合には５ｆ準位が関与するｆ→ｆ遷移がそれぞ
れ用いられる。さらに、光源にはコヒーレント光、すな
わちレーザー光が用いられる。上述の電子遷移と周波数
が合えばレーザーの種類は特に限定されないが、小型素
子の形成に有利な半導体レーザーを用いることが望まし
い。
【００６２】なお、本発明では、上述したようなＥＩＴ
を実現し得る固体について、素子単位をアレイ化などし
て機能素子とする場合においては、各素子単位毎に本発
明（請求項１〜請求項３）の条件式が満足されれば良
い。
【００６３】また、本発明（請求項１６〜請求項２１）
の骨子は、光素子を構成する固体として、固体に外場
（電場、磁場、圧力）を与えながら、固体中の３準位の
うち２つの電子遷移をΛ型またはＶ型に光励起する際、
光で結ばれない２準位が外場の無いときには縮退してい
るものを用いることにある。
【００６４】すなわち、本発明に他の係る光素子（請求
項１６）は、不純物を含む固体と、この固体に電場、磁
場および圧力の少なくとも１つの外場を与える手段と、
前記固体に前記外場を与えた状態で、前記不純物のエネ
ルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位および第３の準位としたときに、第１の
準位と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長
を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
前記固体中で共存させる励起手段とを備えており、前記
外場がゼロの場合には、前記固体における前記第２の準
位と前記第３の準位とが縮退していることを特徴とす
る。
【００６５】すなわち、本発明に他の係る光素子（請求
項１７）は、不純物を含む固体と、この固体に電場、磁
場および圧力の少なくとも１つの外場を与える手段と、
前記固体に前記外場を与えた状態で、前記不純物のエネ
ルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
位、第２の準位および第３の準位としたときに、第２の
準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長
を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
前記固体中で共存させる励起手段とを備えており、前記
外場がゼロの場合には、前記固体中における前記第１の
準位と前記第２の準位とが縮退していることを特徴とす
る。
【００６６】また、本発明に他の係る光素子（請求項１
８）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、この固体に電場、磁場
および圧力の少なくとも１つの外場を与える手段と、前
記固体に前記外場を与えた状態で、前記固体のエネルギ
ー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、
第２の準位および第３の準位としたときに、第１の準位
と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位との間
のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記
固体中で共存させる励起手段とを備えており、前記外場
がゼロの場合には、前記固体における前記第２の準位と
前記第３の準位とが縮退していることを特徴とする。
【００６７】また、本発明に他の係る光素子（請求項１
９）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、この固体に電場、磁場
および圧力の少なくとも１つの外場を与える手段と、前
記固体に前記外場を与えた状態で、前記固体のエネルギ
ー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準位、
第２の準位および第３の準位としたときに、第２の準位
と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位との間
のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記
固体中で共存させる励起手段とを備えており、前記外場
がゼロの場合には、前記固体における前記第１の準位と
前記第２の準位とが縮退していることを特徴とする。
【００６８】また、本発明に他の係る光素子（請求項２
０）は、上記光素子（請求項１６、請求項１８）におい
て、前記第１の光のエネルギーをω1 とし、前記第２の
光のエネルギーをω2 とし、前記第２の準位と前記第３
の準位との間のエネルギー差をω23としたときに、ω23
＝ω2 −ω1 の条件式を満たすように前記外場の大きさ
が設定されることを特徴とする。
【００６９】また、本発明に他の係る光素子（請求項２
１）は、上記光素子（請求項１７、請求項１９）におい
て、前記第１の光のエネルギーをω1 とし、前記第２の
光のエネルギーをω2 とし、前記第１の準位と前記第２
の準位との間のエネルギー差をω12としたときに、ω12
＝ω2 −ω1 の条件式を満たすように前記外場の大きさ
が設定されることを特徴とする。
【００７０】ここで、上記光素子（請求項１６〜請求項
２１）において、外場としての電場を与える手段は、例
えば、固体を挟む２つの電極と、これら電極の間に電圧
を印加する電源とにより構成される。
【００７１】また、本発明（請求項１６〜請求項１７）
に用いられる光素子の材料には、ｐ．２５〜ｐ．２８に
列挙したものと同じ材料があげられる。
【００７２】上記本発明（請求項１８、請求項１９）
は、半導体素子作製技術が向上し、エネルギー準位の不
均一さが原子ガスのそれと同程度のレベルにまで低減し
た場合に、量子井戸や、量子細線や、量子箱といった量
子構造を用いるというものである。
【００７３】また、本発明に係る他の光素子（請求項２
２）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、前記量子構造の伝導帯
に形成されたエネルギー準位の中から選んだ一つの準位
を第１の準位、前記量子構造の価電子帯に形成されたエ
ネルギー準位の中から二つ準位を選び上から順に第２の
準位および第３の準位としたときに、第１の準位と第２
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光、ならびに第１の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記固体中
で共存させる励起手段とを備えており、前記固体中の量
子構造の総数をＮ個として個々の量子構造の第１の準位
と第２の準位との間の準位間エネルギー、第１の準位と
第３の準位との間の準位間エネルギーおよび第２の準位
と第３の準位との間の準位間エネルギーをそれぞれω12
（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）と
し、Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全ての量子構
造についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω
23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 とし
た場合に、σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足すること
を特徴とする。
【００７４】また、本発明に係る他の光素子（請求項２
３）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、前記量子構造の伝導帯
に形成されたエネルギー準位の中から二つ準位を選び上
から順に第１の準位および第２の準位、前記量子構造の
価電子帯に形成されたエネルギー準位の中から選んだ１
つの準位を第３の準位としたときに、第２の準位と第３
の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する第
１の光、ならびに第１の準位と第３の準位との間のエネ
ルギー差に対応する波長を有する第２の光を前記固体中
で共存させる励起手段とを備えており、前記固体中の量
子構造の総数をＮ個として個々の量子構造の第１の準位
と第２の準位との間の準位間エネルギー、第１の準位と
第３の準位との間の準位間エネルギーおよび第２の準位
と第３の準位との間の準位間エネルギーをそれぞれω12
（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）と
し、Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、Ｎ個全ての量子構
造についての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω
23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝｛（１／Ｎ）Σ
［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ13＝｛（１／
Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 およびσ23＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 とし
た場合に、σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足すること
を特徴とする。
【００７５】また、本発明に係る他の光素子（請求項２
４）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、前記量子構造の材料が
半導体の場合は、前記量子構造の伝導帯に形成されたエ
ネルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の
準位、第２の準位および第３の準位とし、前記量子構造
の材料が金属の場合は、前記量子構造のフェルミ準位よ
りも高エネルギーのエネルギー準位の中から二つ準位を
選び上から順に第１の準位および第２の準位、かつ前記
量子構造のフェルミ準位よりも低エネルギーのエネルギ
ー準位の中から選んだ１つの準位を第３の準位としたと
きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と
第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
る第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを備え
ており、前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個々
の量子構造の第１の準位と第２の準位との間の準位間エ
ネルギー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネ
ルギーおよび第２の準位と第３の準位との間の準位間エ
ネルギーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23
（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）とし、Ｎ個全ての量子構造につい
ての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）の平
均値をそれぞれ＜ω12＞、＜ω13＞および＜ω23＞と
し、Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ
13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
2 ｝1/2 とした場合に、σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を
満足することを特徴とする。
【００７６】また、本発明に係る他の光素子（請求項２
５）は、量子井戸、量子細線および量子箱の少なくとも
一つの量子構造を有する固体と、前記量子構造の材料が
半導体の場合は、前記量子構造の価電子帯に形成された
エネルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１
の準位、第２の準位および第３の準位とし、前記量子構
造の材料が金属の場合は、前記量子構造のフェルミ準位
よりも高エネルギーのエネルギー準位の中から選んだ１
つの準位を第１の準位、かつ前記量子井戸のフェルミ準
位よりも低エネルギーのエネルギー準位の中から二つ準
位を選び上から順に第２の準位および第３の準位とした
ときに、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差
に対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位
と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有
する第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを備
えており、前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個
々の量子構造の第１の準位と第２の準位との間の準位間
エネルギー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エ
ネルギーおよび第２の準位と第３の準位との間の準位間
エネルギーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω
23（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）とし、Ｎ個全ての量子構造につ
いての前記ω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）の
平均値をそれぞれ＜ω12＞、＜ω13＞および＜ω23＞と
し、Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ
13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
2 ｝1/2 とした場合に、σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を
満足することを特徴とする。
【００７７】ここで、量子構造の量子井戸、量子細線、
量子箱には半導体または金属、量子構造の量子障壁には
半導体または絶縁体を用い、量子障壁にドナー性不純物
あるいはアクセプタ性不純物を選択的にドーピングする
ことにより、量子構造に電子あるいは正孔を注入するこ
とが好ましい。なお、光照射や電流注入などの手段によ
り量子構造に電子あるいは正孔を注入しても良い。
【００７８】具体的に、本発明（請求項１８〜請求項２
５）における量子井戸、量子細線、量子箱に関しては、
Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｍｎ，Ｚ
ｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓ
ｂ，ＴｅおよびＨｇの少なくとも一種類以上の元素から
なる半導体材料、またはＡｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒ
ｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，
Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕやこれらの合金などの金属材料
を用いることができる。
【００７９】量子障壁に関しては、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｍ
ｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｍｎ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａ
ｓ，Ｓｅ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，ＴｅおよびＨｇの
少なくとも一種類以上の元素からなる半導体材料、また
はＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，ＭｇＦ2 ，
ＣａＦ2 ，ＳｒＦ2 ，ＢａＦ2 ，ＭｎＦ2 ，ＺｎＦ2，
ＣｄＦ2 ，ＡｌＦ3 ，ＹＦ3 ，ＬａＦ3 ，ＣｅＦ3 ，Ｐ
ｒＦ3 ，ＮｄＦ3 ，ＳｍＦ3 ，ＥｕＦ3 ，ＧｄＦ3 ，Ｔ
ｂＦ3 ，ＤｙＦ3 ，ＨｏＦ3 ，ＥｒＦ3 ，ＴｍＦ3 ，Ｙ
ｂＦ3 ，ＬｕＦ3 ，ＬｉＢａＦ3 ，ＫＭｇＦ3 ，ＫＭｎ
Ｆ3 ，ＫＺｎＦ3 ，ＫＮｉＦ3 ，ＲｂＮｉＦ3 ，ＺｒＦ
4 ，ＬｉＹＦ4 ，ＮａＹＦ4 ，ＫＹＦ4，ＬｉＬａ
Ｆ4 ，ＬｉＧｄＦ4 ，ＬｉＬｕＦ4 ，ＢａＡｌＦ5 ，Ｓ
ｒＡｌＦ5 ，Ｋ3 ＹＦ6 ，Ｋ3 ＣｏＦ6 ，Ｃｓ3 ＮｄＦ
7 ，Ｃｓ3 ＧｄＦ7 ，ＬｉＣｌ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，Ｒ
ｂＣｌ，ＣｓＣｌ，ＹＣｌ3 ，ＬａＣｌ3 ，ＣｅＣ
ｌ3 ，ＰｒＣｌ3 ，ＮｄＣｌ3 ，ＳｍＣｌ3 ，ＥｕＣｌ
3 ，ＧｄＣｌ3 ，ＴｂＣｌ3 ，ＤｙＣｌ3 ，ＨｏＣ
ｌ3 ，ＥｒＣｌ3 ，ＴｍＣｌ3 ，ＹｂＣｌ3 ，ＬｕＣｌ
3 ，ＣｓＭｇＣｌ3 ，ＣｓＣｄＣｌ3 ，ＬｉＢｒ，Ｎａ
Ｂｒ，ＫＢｒ，ＲｂＢｒ，ＣｓＢｒ，ＹＢｒ3 ，ＬａＢ
ｒ3 ，ＣｅＢｒ3 ，ＰｒＢｒ3 ，ＮｄＢｒ3 ，ＳｍＢｒ
3，ＥｕＢｒ3 ，ＧｄＢｒ3 ，ＴｂＢｒ3 ，ＤｙＢ
ｒ3 ，ＨｏＢｒ3 ，ＥｒＢｒ3，ＴｍＢｒ3 ，ＹｂＢｒ
3 ，ＬｕＢｒ3 ，ＣｓＭｇＢｒ3 ，ＬｉＩ，ＮａＩ，Ｋ
Ｉ，ＲｂＩ，ＣｓＩ，ＣｕＣｌ，ＣｕＢｒ，ＣｕＩ，Ａ
ｇＦ，ＡｇＣｌ，ＡｇＢｒ，ＡｇＩ，ＹＯＣｌ，ＬａＯ
Ｃｌ，ＬａＯＢｒ，ＴｌＣｌ，ＴｌＢｒ，ＴｌＩ，Ｉｎ
Ｂｒ，ＩｎＩ，Ｌｉ2 Ｏ，ＢｅＯ，Ｎ2 Ｏ5 ，Ｎａ
2 Ｏ，Ｐ2 Ｏ3 ，Ｓ2Ｏ3 ，Ｋ2 Ｏ，ＣａＯ，Ｃｒ2 Ｏ
3 ，ＭｎＯ2 ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＳｒＯ，ＺｒＯ2 ，Ｎ
ｂ2 ，Ｏ5 ，ＭｏＯ3 ，ＡｇＯ，Ｓｂ2 ，Ｏ3 ，ＴｅＯ
2 ，ＢａＯ，ＷＯ3 ，Ｒｅ2 Ｏ7 ，ＰｂＯ，ＰｕＯ2 ，
Ｙ2 Ｏ3 ，Ｌａ2 Ｏ3 ，Ｃｅ2 Ｏ3 ，Ｐｒ2 Ｏ3 ，Ｎｄ
2 Ｏ3 ，Ｓｍ2 Ｏ3 ，Ｅｕ2 Ｏ3 ，Ｇｄ2 Ｏ3 ，Ｔｂ2
Ｏ3 ，Ｄｙ2 Ｏ3 ，Ｈｏ2 Ｏ3 ，Ｅｒ2 Ｏ3 ，Ｔｍ2 Ｏ
3 ，Ｙｂ2 Ｏ3 ，Ｌｕ2 Ｏ3 ，ＴｈＯ2 ，ＵＯ2 ，ＵＯ
3 ，Ｂａ2 ＧｄＮｂＯ5 ，ＳｒＧｄＧａ3 Ｏ7 ，Ｓｃ2
Ｇｄ3 Ｇａ3 Ｏ12，ＮａＬｕＯ12，ＬｉＩＯ3 ，ＬｉＮ
ｂＯ3 ，ＬｉＴａＯ3 ，Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15，Ｙ2 Ｏ
2 Ｓ，Ｌａ2 Ｏ2 Ｓ，Ｃｅ2 Ｏ2 Ｓ，Ｐｒ2 Ｏ2 Ｓ，Ｎ
ｄ2 Ｏ2 Ｓ，Ｓｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｅｕ2 Ｏ2 Ｓ，Ｇｄ2 Ｏ2
Ｓ，Ｔｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｄｙ2 Ｏ2 Ｓ，Ｈｏ2 Ｏ2 Ｓ，Ｅｒ
2 Ｏ2 Ｓ，Ｔｍ2 Ｏ2 Ｓ，Ｙｂ2 Ｏ2 Ｓ，Ｌｕ2 Ｏ
2 Ｓ，Ｙ2 Ｓ3 ，Ｌａ2 Ｓ3 ，Ｃｅ2 Ｓ3 ，Ｐｒ
2 Ｓ3 ，Ｎｄ2 Ｓ3 ，Ｓｍ2 Ｓ3 ，Ｅｕ2 Ｓ3 ，Ｇｄ2
Ｓ3 ，Ｔｂ2 Ｓ3 ，Ｄｙ2 Ｓ3 ，Ｈｏ2 Ｓ3 ，Ｅｒ2 Ｓ
3 ，Ｔｍ2 Ｓ3 ，Ｙｂ2 Ｓ3 ，Ｌｕ2 Ｓ3 ，Ｂ2 Ｏ3 ，
ＧａＢＯ3 ，ＩｎＢＯ3 ，ＴｌＢＯ3 ，ＳｃＢＯ3 ，Ｙ
ＢＯ3 ，ＬａＢＯ3 ，ＣｅＢＯ3 ，ＰｒＢＯ3 ，ＮｄＢ
Ｏ3 ，ＳｍＢＯ3 ，ＥｕＢＯ3 ，ＧｄＢＯ3 ，ＴｂＢＯ
3 ，ＤｙＢＯ3 ，ＨｏＢＯ3 ，ＥｒＢＯ3 ，ＴｍＢ
Ｏ3 ，ＹｂＢＯ3 ，ＬｕＢＯ3 ，ＣａＹＢＯ4 ，ＢａＢ
2 Ｏ4 ，Ｃｄ2 Ｂ2 Ｏ5 ，ＬｉＢ3 Ｏ5 ，ＣｓＢ
3 Ｏ5 ，ＳｒＢ4 Ｏ7 ，Ａｌ3 ＴｂＢ4 Ｏ12，ＺｎＯ，
ＺｎＧａ2 Ｏ4 ，ＭｇＯ，ＭｇＧａ2 Ｏ4 ，Ｍｇ2 Ｔｉ
Ｏ4 ，Ｍｇ4 Ｔａ2 Ｏ9 ，ＴｉＯ2 ，ＣａＴｉＯ3 ，Ｓ
ｒＴｉＯ3 ，ＢａＴｉＯ3 ，ＰｂＴｉＯ3 ，ＫＴｉＰＯ
5 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＬｉＡｌＯ2 ，ＹＡｌＯ3 ，ＢｅＡｌ
2 Ｏ4 ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ，ＺｎＡｌ2 Ｏ4 ，ＬｉＡｌ5
Ｏ8 ，Ｙ4 Ａｌ2 Ｏ9 ，ＹＡｌ3 Ｂ4 Ｏ12，Ｙ3 Ａｌ5
Ｏ12，Ｌａ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｃｅ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ａ
ｌ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｅｕ
3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ａｌ5 Ｏ12，
Ｄｙ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｈｏ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ａｌ5 Ｏ
12，Ｔｍ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ａｌ5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ａｌ
5 Ｏ12，ＬａＡｌ11Ｏ18，ＣｅＭｇＡｌ11Ｏ19，ＴｂＭ
ｇＡｌ11Ｏ19，ＢａＡｌ12Ｏ19，ＢａＭｇ2 Ａｌ
16Ｏ27，Ｆｅ2 Ｏ3 ，Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ｆｅ5 Ｏ
12，Ｃｅ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｐｒ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｕ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｇｄ3
Ｆｅ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｄｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｈ
ｏ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｆｅ
5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｌｕ3 Ｆｅ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｇ
ａ5 Ｏ12，Ｌａ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｃｅ3Ｇａ5 Ｏ12，Ｐｒ
3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｎｄ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｓｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，
Ｅｕ3Ｇａ5 Ｏ12，Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｔｂ3 Ｇａ5 Ｏ
12，Ｄｙ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｈｏ3Ｇａ5 Ｏ12，Ｅｒ3 Ｇａ
5 Ｏ12，Ｔｍ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｙｂ3 Ｇａ5 Ｏ12，Ｌｕ3
Ｇａ5 Ｏ12，Ｙ3 Ｓｃ2 Ｇａ5 Ｏ12，ＣａＰＯ3 ，Ｓｃ
ＰＯ4 ，ＹＰＯ4 ，ＬａＰＯ4 ，ＣｅＰＯ4 ，ＰｒＰＯ
4 ，ＮｄＰＯ4 ，ＳｍＰＯ4 ，ＥｕＰＯ4 ，ＧｄＰ
Ｏ4 ，ＴｂＰＯ4 ，ＤｙＰＯ4 ，ＨｏＰＯ4 ，ＥｒＰＯ
4 ，ＴｍＰＯ4 ，ＹｂＰＯ4 ，ＬｕＰＯ4 ，Ｃａ2 ＰＯ
4 Ｃｌ，Ｍｇ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｃａ3 （ＰＯ4）2 ，Ｓ
ｒ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｂａ3 （ＰＯ4 ）2 ，Ｚｎ3 （ＰＯ
4 ）2 ，Ｃｄ3（ＰＯ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，
Ｍｇ5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｃａ
5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｓｒ
5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｂａ5 （ＰＯ4 ）3 Ｆ，Ｂａ
5 （ＰＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ2 Ｐ2 Ｏ7 ，ＮｄＰ5 Ｏ14，
ＳｉＯ2 ，ＢｅＳｉＯ3 ，ＭｇＳｉＯ3 ，ＣａＳｉ
Ｏ3 ，ＳｒＳｉＯ3 ，ＢａＳｉＯ3 ，ＺｎＳｉＯ3 ，Ｃ
ｄＳｉＯ3 ，Ｚｎ2 ＳｉＯ4 ，ＮａＹＳｉＯ4 ，Ｙ2 Ｓ
ｉＯ5 ，Ｌａ2 ＳｉＯ5 ，Ｌｕ2 ＳｉＯ5 ，ＢｅＳｉ2
Ｏ5 ，ＭｇＳｉ2 Ｏ5 ，ＣａＳｉ2 Ｏ5 ，ＳｒＳｉ2 Ｏ
5 ，ＢａＳｉ2 Ｏ5 ，Ｓｃ2 Ｓｉ2 Ｏ7 ，Ｂｅ2 ＳｒＳ
ｉ2 Ｏ7 ，Ｃａ2 ＭｇＳｉ2 Ｏ7 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＧｅＯ
2，Ｚｎ2 ＧｅＯ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｆ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2
Ｃｌ4 ，Ｃｓ2 ＵＯ2 Ｂｒ4 ，Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｆ5 ，Ｃｓ
3 ＵＯ2 Ｃｌ5 ，Ｃｓ3 ＵＯ2 Ｂｒ5 ，ＭｇＷＯ4，Ｃ
ａＷＯ4 ，ＳｒＷＯ4 ，ＢａＷＯ4 ，ＡｌＷＯ4 ，Ｃｄ
ＷＯ4 ，ＰｂＷＯ4，Ｙ2 ＷＯ6 ，ＭｇＭｏＯ4 ，Ｃａ
ＭｏＯ4 ，ＳｒＭｏＯ4 ，ＢａＭｏＯ4 ，Ｌｉ2 ＭｏＯ
4 ，Ｙ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｌａ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｃｅ2 Ｍｏ3
Ｏ12，Ｐｒ2Ｍｏ3 Ｏ12，Ｎｄ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｓｍ2 Ｍ
ｏ3 Ｏ12，Ｅｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｇｄ2Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｂ
2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｄｙ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｈｏ2 Ｍｏ3 Ｏ12，
Ｅｒ2Ｍｏ3 Ｏ12，Ｔｍ2 Ｍｏ3 Ｏ12，Ｙｂ2 Ｍｏ3 Ｏ
12，Ｌｕ2 Ｍｏ3 Ｏ12，ＮａＣａＶＯ4 ，ＳｃＶＯ4 ，
ＹＶＯ4 ，Ｍｇ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｃａ3 （ＶＯ4 ）2 ，
Ｓｒ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｂａ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｚｎ3 （Ｖ
Ｏ4 ）2 ，Ｃｄ3 （ＶＯ4 ）2 ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）
3 Ｆ，Ｍｇ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）
3Ｆ，Ｃａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）
3 Ｆ，Ｓｒ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，Ｂａ5 （ＶＯ4 ）
3 Ｆ，Ｂａ5 （ＶＯ4 ）3 Ｃｌ，ＣａＳ，ＳｒＳ，Ｂａ
Ｓ，ＣａＳｅ，ＳｒＳｅ，ＢａＳｅ、あるいはフッ化物
・ハロゲン化物・臭化物・ヨウ化物・ハロゲン化銅・ハ
ロゲン化銀・酸ハロゲン化物・タリウム化合物・インジ
ウム化合物・ホウ酸塩・亜鉛酸化物・マグネシウム酸化
物・チタニウム酸化物・アルミン酸塩・ガーネット・ケ
イ酸塩・ゲルマニウム酸塩・イットリウム化合物・ラン
タン化合物・セリウム化合物・プラセオジウム化合物・
ネオジウム化合物・サマリウム化合物・ユーロピウム化
合物・ガドリニウム化合物・テルビウム化合物・ジスプ
ロシウム化合物・ホルミウム化合物・エルビウム化合物
・ツリウム化合物・イッテルビウム化合物・ルテチウム
化合物・ウラン化合物・リン酸塩・シェーレ化合物・硫
化物・セレン化物などの絶縁性無機材料を用いることが
できる。
【００８０】また、本発明において、光照射手段による
第１、第２の光は、コヒーレント光、すなわちレーザー
光が好ましい。レーザーの種類については、用いたい電
子遷移と波長が合えば特に限定されないが、小型素子の
形成に有利な半導体レーザーを用いることが望ましい。
【００８１】［作用］本発明者等の研究によれば、固体
中のエネルギー準位に大きなバラつきが有る場合、つま
り、光励起を行う準位間のエネルギーに大きな分散（標
準偏差）が有る場合でも、請求項１〜請求項３、請求項
２２〜請求項２５の標準偏差に係る条件式を満足すれ
ば、量子コヒーレンスを背景としたＥＩＴに基づく大き
な光変調特性が得られることが明らかになった。したが
って、本発明（請求項１〜請求項１５、請求項２２〜請
求項２５）によれば、固体におけるＥＩＴに立脚した実
用可能な光素子を提供できるようになる。
【００８２】また、本発明者等の研究によれば、固体中
のエネルギー準位に大きなバラつきが有る場合でも、光
素子を構成する固体として特定のものを使用することに
より、つまり、本発明の固体を使用することにより、量
子コヒーレンスを背景としたＥＩＴに基づく大きな光変
調特性が得られることが明らかになった。したがって、
本発明（請求項１６〜請求項２１）によれば、固体にお
けるＥＩＴに立脚した実用可能な光素子を提供できるよ
うになる。
【００８３】以下、本発明の作用について詳細に説明す
る。
【００８４】従来の技術の項目で説明したように、固体
においてＥＩＴを実現するにはバンドを形成するような
準位を用いることは困難である。すなわち、固体におい
てＥＩＴを実現するには、原子ガスの場合と同様に離散
的なエネルギー準位を持つ系を選ぶ必要が有る。
【００８５】固体への適用条件としてはこの他に、準位
構成が単純で３準位系を設定することが可能であるこ
と、また光励起過程の中で電子が３準位の外に逃げ出さ
ない閉じた系であることなどが挙げられる。
【００８６】これより、本発明に係る光素子に用いる固
体の候補としては、結晶中に分散された希土類元素や遷
移金属元素などの不純物原子系や、上述した半導体超格
子などの量し井戸に加え同じく半導体の量子細線，量子
箱が考えられる。
【００８７】エネルギー準位にこの様な特徴（離散的な
エネルギー準位を持つ系の選択、単純な準位構成で３準
位系の設定が可能なこと、電子が３準位の外に逃げ出さ
ない閉じた系であること）を持つ固体は、一種の擬原子
の集まりと見なすことができる。しかし、この擬原子系
の候補である半導体超格子などの量子構造や、結晶中の
不純物、欠陥などでは、現在のところ原子ガスで見られ
たような顕著な光学遷移の変調には成功していない。
【００８８】これは、半導体超格子などの量子構造や不
純物、欠陥などのエネルギー準位が原子ガスと比較して
大きく、しかもランダムにバラついているため、ＥＩＴ
を引き起こす鍵である条件；Δω1 ＝Δω2 （Λ型励起
とＶ型励起の場合）またはΔω1 ＝−Δω2 （Ξ型励起
の場合）を満足する準位数が著しく少なくなっているこ
とに起因する。
【００８９】このことから、固体でＥＩＴを実現するに
は、先に挙げた適用条件の他に、さらにエネルギー準位
の均一さに関する条件が付け加わることが理解される。
【００９０】図３は、離散的なエネルギー準位を持つ擬
原子系の固体について、光吸収スペクトルを模式的に表
したものである。
【００９１】一般的に、離散的な準位を持つ擬原子系の
固体を選択しても、光吸収スペクトルの線幅は原子ガス
と比較してかなり広くなる。この広いスペクトル線幅
は、多くの場合不均一広がりに由来する。
【００９２】不均一広がりは、図３（ａ）に示すように
エネルギー準位が個々の擬原子で少しずつずれている
が、それが完全に分解できる程には離れていないため、
多数の擬原子のスペクトルが重なり１本の広がったスペ
クトル線として見える場合を指す。
【００９３】この広がりはおもに、固体内、特に結晶内
の歪みなどにより結晶内の個々の擬原子が受ける結晶場
の大きさがバラつくため、擬原子全体で見た場合に準位
間エネルギーが分散していることに起因する。先に挙げ
た全ての擬原子系に関しても、程度の差こそあれ準位間
エネルギーのバラつきは存在する。
【００９４】図３（ｂ）は、擬原子系の中から準位間エ
ネルギーが大きく、かつランダムに分散した３準位系を
選び出し、図２（ａ）に示した原子ガスと同様、２本の
レーザー光を照射したときの光吸収スペクトルを模式的
に表したものである。
【００９５】図３（ｂ）から、スペクトル形状は通常の
１本の光で見た場合とあまり大差なく、光学遷移はほと
んど変調されないことが分かる。これより、不均一広が
り、すなわち準位間エネルギーの分布を十分に考慮した
上で光励起を行う準位を選ばなければ、どの擬原子系に
おいてもＥＩＴを実現することはできない。
【００９６】以下に、ＥＩＴに基づく光吸収スペクトル
の変調特性が、擬原子系の準位間エネルギーの分布特
性、特に準位間エネルギーの標準偏差に依存してどの様
に変化するかを、Λ型励起、Ｖ型励起およびΞ型励起の
それぞれの場合について示す。なお、ここでは不均一広
がりを表す典型的な量として準位間エネルギーの標準偏
差を用いることにする。また、以下の説明では、準位１
（第１の準位）＞準位２（第２の準位）＞準位３（第３
の準位）の順にエネルギーが高いとする。
【００９７】（１）Λ型励起の場合（請求項１、請求項
１６、請求項１８などの場合） まず、２個の擬原子ｉ，ｊについて考える。準位１・準
位２間、準位１・準位３間に光子エネルギーω1 ，ω2
という２本のレーザー光を照射する状態を想定する。こ
こで、光子エネルギーω1 ，ω2 と準位間エネルギーω
12，ω13との差をそれぞれΔω1 ＝ω1 −ω12，Δω2
＝ω2 −ω13とすると、この２個の擬原子が同時にΔω
1 ＝Δω2 を満たす条件は、 ω1 −ω12（ｉ）＝ω2 −ω13（ｉ） (1a) ω1 −ω12（ｊ）＝ω2 −ω13（ｊ） (1b) となる。
【００９８】ここで、光で結ばれない準位２・準位３間
の準位間エネルギーω23は、ω23＝ω13−ω12と表され
るため、（１）式は次のように書き直すことができる。
【００９９】 ω23（ｉ）＝ω23（ｊ） (2) つまり、２個の擬原子で同時にΔω1 ＝Δω2 を満足さ
せて完全な光吸収ゼロの状態を引き起こすためには、一
番上の準位１のエネルギー準位には依存せず、準位２，
準位３の下２つの準位間エネルギーω23が２個の擬原子
で等しいことが条件となる。
【０１００】擬原子間の準位間エネルギーの差をΔω12
＝｜ω12（ｉ）−ω12（ｊ）｜，Δω13＝｜ω13（ｉ）
−ω13（ｊ）｜，Δω23＝｜ω23（ｉ）−ω23（ｊ）｜
とすると、（２）式を満たすΔω12，Δω13，Δω23の
条件としては、 Δω23＝０ (3) が得られる。
【０１０１】（３）式は、光吸収を完全にゼロにするた
めの厳密な条件である。しかし、上式のような完全な条
件ではないΔω23≠０の場合でも、光吸収ゼロの状態を
作り出すことができる。
【０１０２】具体的には、Δω23が２本の光のラビ周波
数Ω12，Ω13で決まる量Ω〜（Ω12 2 ＋Ω13 2 ）1/2 と
同程度であれば、吸収スペクトルにはやはり幅Ωの透明
領域が形成される。
【０１０３】このことから、２個の擬原子を含む系をΛ
型励起した場合、Δω23が次の条件式、 Δω23〜Ω (4) を満足することが、光透過特性の向上に著しく寄与す
る。
【０１０４】次に、Ｎ個の擬原子で同時に光吸収ゼロを
実現するための条件を考える。Ｎ個の擬原子が同時にΔ
ω1 ＝Δω2 を満たす条件は、厳密には、 ω23（１）＝ω23（２）＝ω23（３）＝…＝ω23（Ｎ） (5) である。
【０１０５】Ｎ個の擬原子で同時に光吸収ゼロの状態を
引き起こすためには、一番上の準位１のエネルギー準位
には依存せず、準位２，準位３の下２つの準位間エネル
ギーω23がＮ個の擬原子で等しいことが条件となる。
【０１０６】しかし、Ｎ個の擬原子の場合にも、（５）
式が厳密に成立していなくとも、以下のような条件が成
り立てば光吸収ゼロの状態を作り出すことができる。
【０１０７】ここで、Ｎ個の擬原子に関する各準位間エ
ネルギーの平均値を＜ω12＞，＜ω13＞，＜ω23＞とし
て、各準位間エネルギーの標準偏差、 σ12＝｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｋ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 (6a) σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｋ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 (6b) σ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｋ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 (6c) を導入する。
【０１０８】Ωとσ12，σ13，σ23との関係について
は、Ωがスペクトル上で光吸収がゼロになるエネルギー
幅、σ12，σ13が各々の遷移のスペクトル線幅に対応す
ることから、Ω≦σ12，Ω≦σ13がそれぞれ成立する。
【０１０９】この式と（４），（５）式とから、Ｎ個の
擬原子が同時にΔω1 ＝Δω2 を満足する条件は、次の
式で与えられる。
【０１１０】 σ23≦σ12 (7a) σ23≦σ13 (7b) 図４は、多数の擬原子で同時に光吸収ゼロを実現するた
めの条件を模式的に示したものである。なお、図の縦軸
はω1 、横軸はω2 で、図中の点は各擬原子の準位１・
準位２間、準位１・準位３間のエネルギー差ω12，ω13
を表す。
【０１１１】図４（ａ）に示すように、各擬原子でω23
の分散が小さく、準位間エネルギーω12，ω13が
（ω1 ，ω2 ）平面上で４５度ラインに沿って分布する
場合、２本のレーザー光により擬原子全体で同時に光吸
収ゼロの状態を実現することができる。
【０１１２】すなわち、ω2 −ω1 とω23とが等しけれ
ば、準位１・準位２間、準位１・準位３間にどの様に大
きなエネルギー分散が有る場合でも、光を完全に透過さ
せることができる。
【０１１３】また、上の条件；ω2 −ω1 ＝ω23は光子
エネルギーω1 ，ω2 の絶対値には依存しないため、光
吸収ゼロの状態をあらゆる光子エネルギーω1 ，ω2 で
引き起こすことができる。
【０１１４】さらに、図４（ｂ）に示すようにω23に分
布がある場合でも、（ω1 ，ω2 ）平面上で準位間エネ
ルギーω12，ω13が４５度ラインに分布している領域が
一部でも存在すれば、その領域のエネルギーω12，ω13
と等しい光子エネルギーω1，ω2 の光に対しては、や
はり光吸収ゼロの状態を作り出すことが可能となる。
【０１１５】これより、多数の擬原子を含む系において
も、（７）式のσ23≦σ12，σ23≦σ13を満足すること
が、光シグナルの変調特性向上に著しく寄与することが
理解される。
【０１１６】（２）Ｖ型励起の場合（請求項２、請求項
１７、請求項１９などの場合） Ｖ型励起は、Λ型励起とは異なりΔω1 ＝Δω2 を満足
しても光吸収は厳密にはゼロとはならず、ゼロに限りな
く近い値を示す点が特徴である。
【０１１７】まず、Λ型励起の場合と同様に、２個の擬
原子ｍ，ｎについて、準位２・準位３間、準位１・準位
３間に光子エネルギーω1 ，ω2 という２本のレーザー
光を照射する状態から考える。
【０１１８】光子エネルギーω1 ，ω2 と準位間エネル
ギーω23，ω13との差をそれぞれΔω1 ＝ω1 −ω23，
Δω2 ＝ω2 −ω13とすると、２個の擬原子が同時にΔ
ω1＝Δω2 を満たす条件は、 ω1 −ω23（ｍ）＝ω2 −ω13（ｍ） (8a) ω1 −ω23（ｎ）＝ω2 −ω13（ｎ） (8b) となる。
【０１１９】光で結ばれない準位１・準位２間の準位間
エネルギーω12は、ω12＝ω13−ω23と表されるため、
（８）式は次のように書き直すことができる。
【０１２０】このように固体においてΛ型励起でＥＩＴ
を実現するには、準位１・準位２間の準位間エネルギー
の分布が小さい系を選択することが不可欠である。
【０１２１】 ω12（ｍ）＝ω12（ｎ） (9) 上式より、２個の擬原子で同時にΔω1 ＝Δω2 を満足
させて光吸収をゼロの状態に近づけるには、準位間エネ
ルギーω23，ω13には依らず、上２つの準位間エネルギ
ーω12が２個の擬原子で等しいことが条件となる。
【０１２２】以下、Λ型励起の場合と同様な議論によ
り、Ｎ個の擬原子が同時に吸収ゼロとなる条件として、 σ12≦σ13 (10a) σ12≦σ23 (10b) が得られる。
【０１２３】図５は、Ｖ型励起の場合において、多数の
擬原子が同時に光吸収ゼロに近づくための、擬原子のエ
ネルギー分布を模式的に示したものである。なお、図の
縦軸はω1 、横軸はω2 で、図中の点は各擬原子の準位
２・３間、準位１・３間のエネルギー差ω23，ω13を表
す。
【０１２４】図５（ａ）に示すように、各擬原子でω12
の分散が小さく、準位間エネルギーω23，ω13が
（ω1 ，ω2 ）平面上で４５度ラインに沿って分布する
場合、２本のレーザー光により擬原子全体で同時にほぼ
光吸収ゼロの状態を実現することができる。
【０１２５】また、図５（ｂ）に示すように、ω12に分
散がある場合でも、（ω1 ，ω2 ）平面上で準位間エネ
ルギーω23，ω13が４５度ラインに分布している領域が
一部でも存在すれば、その領域のエネルギーω23，ω13
と等しいω1 ，ω2 の光に対しては、やはり光がほぼ完
全に透過する状態を作り出すことができる。このように
固体においてＶ型励起でＥＩＴを実現するには、準位１
・準位２間の準位間エネルギーの分布が小さい系を選択
することが不可欠となる。
【０１２６】（３）Ξ型励起の場合（請求項３の場合） Ξ型励起の特徴は、Λ型励起やＶ型励起とは異なりΔω
1 ＝−Δω2 を満足するときに光吸収がゼロに限りなく
近い値を示す点である。
【０１２７】まず、先の二つの励起の場合と同様に、２
個の擬原子ｐ，ｑについて、準位１・準位２間、準位２
・準位３間に光子エネルギーω1 ，ω2 という２本のレ
ーザー光を照射する状態から考える。
【０１２８】光子エネルギーω1 ，ω2 と準位間エネル
ギーω12，ω23との差をそれぞれΔω1 ＝ω1 −ω12，
Δω2 ＝ω2 −ω23とすると、２個の擬原子が同時にΔ
ω1＝−Δω2 を満たす条件は、 ω1 −ω12（ｐ）＝−ω2 ＋ω23（ｐ） (11a) ω1 −ω12（ｑ）＝−ω2 ＋ω23（ｑ） (11b) となる。
【０１２９】光で結ばれない準位１・準位３間の準位間
エネルギーω13は、ω13＝ω12＋ω23と表されるため、
（１４）式は次のように書き直すことができる。
【０１３０】 ω13（ｐ）＝ω13（ｑ） (12) 上式より、２個の擬原子で同時にΔω1 ＝−Δω2 を満
足させて光吸収をゼロの状態に近づけるには、準位間エ
ネルギーω12，ω23には依らず、一番上と一番下の準位
間エネルギーω13が２個の擬原子で等しいことが条件と
なる。
【０１３１】以下、やはりΛ型と同様な議論により、Ｎ
個の擬原子が同時に光吸収ゼロとなる条件として、 σ13≦σ12 (13a) σ13≦σ23 (13b) が得られる。
【０１３２】図６は、Ξ型励起の場合において、多数の
擬原子が同時に光吸収ゼロに近づくための、擬原子のエ
ネルギー分布を模式的に示したものである。なお、図の
縦軸はω1 、横軸はω2 で、図中の点は各擬原子の準位
１・２間、準位２・３間のエネルギー差ω12，ω23を表
す。
【０１３３】図６（ａ）に示すように、各擬原子でω13
の分散が小さく、準位間エネルギーω12，ω23が
（ω1 ，ω2 ）平面上で４５度ラインの垂直方向に分布
する場合、２本のレーザー光により擬原子全体で同時に
ほぼ光吸収ゼロの状態を実現することができる。
【０１３４】また、図６（ｂ）に示すように、ω13に分
散がある場合でも、（ω1 ，ω2 ）平面上で準位間エネ
ルギーω12，ω23が４５度ラインと垂直に分布する領域
が一部でも存在すれば、その領域のエネルギーω12，ω
23と等しいω1 ，ω2 の光に対しては、やはり光がほぼ
完全に透過する状態を作り出すことが可能となる。この
ように固体においてΞ型励起でＥＩＴを実現するには、
準位１・準位３間の準位間エネルギーの分布が小さくな
る系を選択することが不可欠である。
【０１３５】以上、Λ型、Ｖ型、Ξ型励起のそれぞれの
場合について、擬原子系のＥＩＴ特性が準位間エネルギ
ーの標準偏差に依存してどの様に変化するか、特にある
特定のエネルギー分布を持つ場合には不均一広がりの有
無によらず完全ＥＩＴが発現することを述べた。
【０１３６】そこで、今度は（ω1 ，ω2 ）平面上でこ
のような特定のエネルギー分布を持った材料系を選び出
す方法、あるいはこのような分布を持った材料系を作り
出す方法が重要となる。
【０１３７】以下に、先に挙げた擬原子系の中で、不純
物原子系を用いて特定のエネルギー分布を持った系を選
び出す方法（請求項１〜１５）、量子構造を用いて特定
の分布を持った系を選び出す方法（請求項２２〜２
５）、そして電場や磁場や圧力などの外場を用いて特定
の分布を持った系を作り出す方法（請求項１６〜２１）
について説明する。
【０１３８】（Ａ）不純物原子系でのＥＩＴ 先にも述べたように、固体においてＥＩＴを実現するに
は、Λ型励起では準位２・３間の準位間エネルギー分布
が小さい系、Ｖ型では準位１・２間の分布が小さい系、
Ξ型では準位１・３間の分布が小さい系を選択すること
が不可欠である。
【０１３９】ここで、田辺・菅野によるエネルギー準位
の計算で知られる遷移金属イオンのｄ→ｄ遷移に注目す
る。
【０１４０】この遷移では、各準位はその対称性により
結晶場の大きさを変えた時にエネルギー準位がほとんど
変化しないものと、それが大きく変化するものとに大別
される。
【０１４１】さらに、結晶場に強く依存する準位ではス
ペクトルにおける不均一広がりが大きく、逆に変化が小
さい準位では不均一広がりも小さくなることが知られて
いる。これは、ｄ→ｄ遷移では不均一広がりが結晶場の
揺らぎに由来することを表している。
【０１４２】擬原子系の一つに挙げた希土類イオンのｆ
→ｆ，ｆ→ｄ遷移についても、結晶場に対する準位エネ
ルギーの変化に関して同様な解析が行われている。
【０１４３】これより、準位の対称性を考慮することで
準位間エネルギーの分布に関する情報を得ることができ
る遷移金属イオンや希土類イオンを含む固体材料を用い
ることにより、初めてΛ型、Ｖ型、Ξ型それぞれの励起
タイプに最も相応しい３つの準位を設定することが可能
となる。
【０１４４】また、本発明（請求項４〜９）では、不純
物として特にｄ電子の数が２〜８の遷移金属イオンに注
目し、Λ型励起の場合（請求項４，５）には第２の準位
と第３の準位の電子位置、Ｖ型励起の場合（請求項６，
７）には第１の準位と第２の準位の電子配置、そしてΞ
型励起の場合（請求項８，９）には第１の準位と第３の
準位の電子配置が等しいことを規定している。電子配置
の選び方に依存して準位間エネルギーの分布は大きく異
なる。この理由は以下に述べる通りである。
【０１４５】図１５に、６個の配位子によって立方対称
的に囲まれたｄ電子を１個持つ遷移金属イオン、つま
り、立方対称の結晶場中におかれた遷移金属イオンを模
式的に示す。
【０１４６】結晶場が無く、原子核によるクーロン力場
だけが働く場合において、電子スピンまで考慮するとｄ
電子のエネルギー準位は１０重に縮退している。一方、
結晶場がある場合には、図１６に示すように、１０重に
縮退したエネルギー準位は、６重に縮退したＴ2g準位と
４重に縮退したＥg 準位とに分裂する。すなわち、ｄ電
子を１個持つ遷移金属イオンは、立方対称の結晶場にお
かれると、縮退が部分的に解けて、基底状態のＴ2g準位
と励起状態のＥg 準位とに分裂する。
【０１４７】なお、結晶場による準位分裂の大きさは１
０Ｄｑで表される。ここで、Ｄは３５ｅ／（４ａ）5 、
ｑはｑ＝（２ｅ／１０５）＜ｒ＞4 で定義される結晶場
特有の量を意味しており、また、ｅは素電荷、ａは遷移
金属イオンと配位子の距離、＜ｒ＞4 は下式で表される
ｄ動径関数、Ｒd （ｒ）でのｒ4 の平均値を意味してい
る。また、図１６中の記号Ｔ2g，Ｅg は準位対称性を表
す既約表現である。
【０１４８】
【数１】
【０１４９】ここで、分裂した各準位の波動関数に注目
すると、Ｔ2g準位は６重縮退であるため波動関数は６
個、またＥg 準位は４重縮退であるため波動関数は４個
存在する。一般に、Ｔ2g準位の固有状態である６個の波
動関数を合わせてｔ2g軌道、またＥg 準位の固有状態で
ある４個の波動関数を合わせてｅg 軌道と呼ぶ。
【０１５０】ｎ個（ｎ≧２）のｄ電子を持つ遷移金属イ
オンのエネルギー準位の大きさは、先の１電子の場合の
ｔ2g軌道、ｅg 軌道を用いると、これら軌道にｎ個の電
子をどう振り分けて配置するかに大きく依存する。
【０１５１】今ｎ＝２として、ｔ2g軌道に電子を２個と
も収容する電子配置（ｔ2g）2 と、ｔ2g軌道、ｅg 軌道
にそれぞれ１個ずつ電子を収容する電子配置（ｔ2g）
（ｅg）を考える。
【０１５２】まず、電子配置（ｔ2g）2 の場合、６個の
ｔ2g軌道の中から２個の電子が占める軌道を２つ選ぶや
り方の数 6Ｃ2 ＝１５だけ状態がある。ここで、二つの
電子間に働くクーロン相互作用を考えると、電子配置
（ｔ2g）2 は図１７に示すように四つの準位に分裂す
る。なお、図１７において、Ａ1g、Ｔ2g、Ｅg 、Ｔ1gは
準位対称性を表す既約表現である。
【０１５３】この準位分裂で重要な点は、準位分裂の大
きさが結晶場分裂に特有な量１０Ｄｑには依存せず、電
子間のクーロン相互作用だけで決まることにある。した
がって、四つの準位間の準位間エネルギーは、基本的に
は結晶場の大きさ１０Ｄｑが変化しても変わらない。
【０１５４】また、電子配置（ｔ2g）（ｅg ）の場合、
図１８に示すように、四つの準位に分裂する。なお、図
１８において、Ｔ1g、Ｔ2gは準位対称性を表す既約表現
である。この分裂の大きさもやはり１０Ｄｑには依存せ
ず、電子間のクーロン相互だけで決まる。したがって、
電子配置（ｔ2g）2 の場合と同様に、四つの準位間の準
位間エネルギーは、基本的には結晶場の大きさ１０Ｄｑ
が変化しても変わらない。
【０１５５】ここで、電子配置（ｔ2g）2 から電子配置
（ｔ2g）（ｅg ）への遷移を考えると、この遷移は１個
の電子をｔ2g軌道からｅg 軌道に持ち上げる１電子遷移
であるため、同じスピン多重度を持つ準位間では光によ
り（ｔ2g）2 →（ｔ2g）（ｅg ）遷移を引き起こすこと
ができる（スピン許容遷移）。
【０１５６】したがって、基底状態である電子配置（ｔ
2g）2 の3 Ｔ1g準位（スピン多重度＝３）から、電子配
置（ｔ2g）（ｅg ）の3 Ｔ1g準位、3 Ｔ2g準位（ともに
スピン多重度＝３）への光吸収は起こる。
【０１５７】この遷移は基本的には結晶場で分裂したｔ
2g・ｅg 軌道間の遷移であり、準位間エネルギーは結晶
場の大きさ１０Ｄｑに強く依存する。このため、結晶内
に歪みなどがある場合には場所（サイト）ごとに１０Ｄ
ｑが揺らぎ、準位間エネルギーは遷移金属イオンごとに
大きく異なることが予測される。
【０１５８】現在の材料系において（ｔ2g）2 →
（ｔ2g）（ｅg ）遷移の光吸収を見ると、線幅の広いス
ペクトルが得られることが多い。このことから、一般に
（ｔ2g）2→（ｔ2g）（ｅg ）遷移は光学的に許容で、
しかも準位間エネルギー分布は大きいことが知られてい
る。
【０１５９】これに対して、基底状態である電子配置
（ｔ2g）2 の3 Ｔ1g準位から同じ電子配置（ｔ2g）2 に
属する1 Ａ1g準位、1 Ｅg 準位、1 Ｅ2g準位（ともにス
ピン多重度＝１）への遷移を考えると、この遷移ではス
ピン反転だけが起こることが分かる。このような遷移は
光学的に禁止される（スピン禁制遷移）。また、上述し
たように、同じ電子配置の準位間では準位間エネルギー
の大きさ１０Ｄｑには依存せず、電子間のクーロン相互
作用だけで決まる。これらの点から、一般に同じ電子配
置を持つ準位間の遷移は光学的に禁制で、しかも準位間
エネルギー分布は小さいことが知られている。
【０１６０】これにより、ｎ＝２の場合、本発明（請求
項４，６，８）で規定されている通り、Λ型励起におい
ては第２の準位の電子配置と第３の準位の電子配置とが
等しく（ｔ2g）2 で、第１の準位の電子配置が第２およ
び第３の電子配置と異なり、（ｔ2g）（ｅg ）である材
料系、Ｖ型励起においては第１の準位の電子配置と第２
の電子配置とが等しく（ｔ2g）（ｅg ）で、第３の準位
の電子配置が第１および第２の電子配置と異なり、（ｔ
2g）2 である材料系、そしてΞ型励起では第１の準位の
電子配置と第３の電子配置とが等しく（ｔ2g）2 で、第
２の準位の電子配置が第１および第３の電子配置と異な
り、（ｔ2g）（ｅg ）である材料系を選択することによ
り、基底状態にある材料系についてはそのまま本発明
（請求項１〜請求項３）の条件式を実現することができ
る。
【０１６１】ｎ＝３〜８の場合についても、ｎ＝２の場
合と同様に、本発明（請求項４〜９）で規定されている
通り、Λ型励起においては第２の準位の電子配置と第３
の準位の電子配置とが等しく第１の準位の電子配置が第
２および第３の電子配置と異なる材料系、Ｖ型励起にお
いては第１の準位の電子配置と第２の電子配置とが等し
く第３の準位の電子配置が第１および第２の電子配置と
異なる材料系、そしてΞ型励起では第１の準位の電子配
置と第３の電子配置とが等しく第２の準位の電子配置が
第１および第３の電子配置と異なる材料系を選択するこ
とにより、本発明（請求項１〜請求項３）の条件式を実
現することができる。
【０１６２】また、本発明（請求項１０〜請求項１５）
では、不純物として特にｆ電子の数ｎがｎ＝１〜１３の
希土類イオンに注目し、Λ型励起の場合には準位２と準
位３は等しい電子配置 (f)n をとり、準位1 はそれと異
なる電子配置 (f)n-1 (d) をとること、Ｖ型励起の場合
には準位１と準位２が等しい電子配置 (f)n (d) をと
り、準位３がそれと異なる電子配置 (f)n をとることを
それぞれを規定した。
【０１６３】電子配置 (f)n と電子配置 (f)n-1 (d) と
を織り交ぜて３準位を選ぶ場合、その選び方に依存して
準位間エネルギーの分布は大きく変化するが、これは以
下に述べるような理由による。
【０１６４】現実の材料系において、 (f)n → (f)n 遷
移、 (f)n-1 (d) → (f)n-1 (d) 、先 (d)n → (d)n
遷移は結晶場に対する対称性が異なる準位間では一般に
許容遷移となり、しかも準位間エネルギー分布は大きい
が、対称性が等しいかまたは類似した準位間では禁制遷
移となり、準位間エネルギー分布は小さいことが知られ
ている。
【０１６５】これに対して (f)n → (f)n-1 (d) 遷移は
一般に許容遷移であり、さらに遷移金属イオンと同様に
ｄ電子軌道が関与するため、結晶場の揺らぎを反映して
準位間エネルギー分布は大きいことが知られている。
【０１６６】ところで、 (f)n → (f)n-1 (d) 遷移の光
励起に関する振動子強度と、 (f)n→ (f)n 遷移の中で
も、特に光学許容となる準位対称性の異なった２準位間
での振動子強度とを比較すると、一般には、 (f)n →
(f)n-1 (d) 遷移のほうが何桁も大きくなる。
【０１６７】このため、電子配置 (f)n と電子配置 (f)
n-1 (d) を織る交ぜて３準位を選ぶ場合には、特に電子
配置 (f)n の準位対称性を考慮しなくても、 (f)n →
(f)n遷移は (f)n → (f)n-1 (d) 遷移と比較して、十分
に光学禁制で準位間エネルギー分布も小さい。
【０１６８】このことから、Λ型励起では、準位２，３
に電子配置 (f)n の中から２準位、準位1 に電子配 (f)
n-1 (d) から一つ準位を選び、Ｖ型励起では準位１，２
に電子配置 (f)n-1 (d) の中から２準位、準位３に電子
配置 (f)n から一つ準位を選ぶことにより、やはり本発
明（請求項１，２）の条件式を実現することが可能にな
る。
【０１６９】（Ｂ）量子構造系でのＥＩＴ 一方、量子井戸，量子細線，量子箱などの量子構造中に
形成されるエネルギー準位は、一般には、そのサイズ，
形状，ポテンシャルの深さ等に依存して大きく変化す
る。
【０１７０】ここでは、まず、単一量子井戸において電
子が取り得るエネルギー準位の大きさを示し、これを基
にＮ個の量子井戸における各エネルギー準位の分布、準
位間エネルギーの不均一広がりの大きさを示していく。
【０１７１】なお、簡単のために量子井戸としては図２
０に示すような無限大のポテンシャル障壁に挟まれた１
次元量子井戸を対象としたが、これ以外の量子構造、例
えば有限のポテンシャルに挟まれた１次元量子井戸や量
子細線，量子箱等についても議論の本質は変わらない。
【０１７２】図２０に示した幅Ｌの量子井戸中での電子
状態は、シュレディンガー方程式を用いて求めることが
できる。量子井戸中に現れるエネルギー準位は、Ｅn を
エネルギー固有値、ｎを量子数（ｎ＝１，２，３，
…）、ｍ* を電子の有効質量とすると、 Ｅn ＝（ｈ2 ／８ｍ* ）（ｎ／Ｌ）2 （１４） となる。ｎ番目の準位に注目すると、そのエネルギーは
Ｌの値、すなわち量子井戸のサイズに極めて強く依存す
ることがわかる。
【０１７３】いま、図２０のような量子井戸がＮ個有る
状況を考える。この場合、各量子井戸の構造が完全に同
じであれば、どの準位についてもエネルギーのバラつき
は生じ得ない。
【０１７４】しかし、現状の半導体プロセスにおける素
子作製技術では、まだ原子オーダーでの精密な微細加工
は難しい。
【０１７５】このため、エネルギー準位は実際にはある
程度バラつきを持つ。ここで、量子井戸のサイズＬが
（Ｌ＋ΔＬ）から（Ｌ−ΔＬ）までバラつくとした場合
に、ｎ番目の準位エネルギーＥn にどの程度の幅が生じ
るかを見積もる。
【０１７６】なお、（Ｌ−ΔＬ）におけるＥn の最大値
Ｅn （ｍａｘ）と（Ｌ＋ΔＬ）における最小値Ｅn （ｍ
ｉｎ）との差ΔＥn が、Ｅn の分布の幅を表すものとす
る。式（１４）より、ΔＥn は、 ΔＥn ＝Ｅn ［４Ｌ3 ・ΔＬ／（Ｌ2 −ΔＬ2 ）2 ］ （１５） となる。
【０１７７】式（１５）は、量子数ｎが大きいエネルギ
ーの高い準位ほど、準位のバラつきが大きくなることを
示している。
【０１７８】次に準位間エネルギーの不均一広がりにつ
いて考える。量子数ｍの準位と量子数ｎの準位との差を
Ｅnm（ｎ＞ｍ）とし、その分布の幅を考える。上と同様
に量子井戸のサイズＬが（Ｌ＋ΔＬ）から（Ｌ−ΔＬ）
までバラつくとした場合に、Ｅnmの最大値Ｅnm（ｍａ
ｘ）と最小値Ｅnm（ｍｉｎ）との差ΔＥnmが分布幅を表
すものとすると、ΔＥnmは、 ΔＥnm＝Ｅnm［４Ｌ3 ・ΔＬ／（Ｌ2 −ΔＬ2 ）2 ］ （１６） となる。
【０１７９】式（１６）からわかるように、Ｎ個の量子
井戸における準位間エネルギーの不均一広がりは、準位
間エネルギーの大きさが増すほど増加する。
【０１８０】これらの点から、図２１（ａ）、図２２
（ａ）、図２３（ａ）に示すように、準位２、準位３に
最もエネルギーの低い２準位（量子数の小さい２準
位）、準位１にエネルギーの高い準位（量子数の大きな
準位）を選択し、また、図２１（ｂ）、図２２（ｂ）、
図２３（ｂ）に示すように、準位１，準位２に最もエネ
ルギーの低い２準位（量子数の小さい２準位）、準位３
にエネルギーの高い準位（量子数の大きな準位）を選択
することによって、初めて請求項１，２の条件式、すな
わち、光で結ばれない２準位間の不均一広がりが極めて
小さいΛ型またはＶ型３準位系を設定することが可能に
なる訳である。
【０１８１】なお、図２１（ａ）は半導体からなる量子
井戸（半導体量子井戸）において、伝導帯から１つ価電
子帯から２つ選んだ３準位をΛ型に、同図（ｂ）は半導
体量子井戸において、伝導帯から２つ価電子帯から１つ
選んだ３準位をＶ型に励起する場合を示している。
【０１８２】また、図２２（ａ）は半導体量子井戸にお
いて、伝導帯から選んだ３準位をΛ型に、同図（ｂ）は
半導体量子井戸において、価電子帯から選んだ３準位を
Ｖ型に励起する場合を示している。
【０１８３】また、図２３（ａ）は金属からなる量子井
戸（金属量子井戸）において、フェルミ準位よりも高エ
ネルギー領域に形成された準位の中から２つフェルミ準
位よりも低エネルギー領域に形成された準位の中から１
つ選んだ３準位をΛ型に、同図（ｂ）は金属量子井戸に
おいて、フェルミ準位よりも低エネルギー領域に形成さ
れた準位の中から２つフェルミ準位よりも高エネルギー
領域に形成された準位の中から１つ選んだ３準位をＶ型
に光励起する場合を占めている。
【０１８４】なお、図２２（ａ）、図２３（ａ）では、
量子障壁の構成材料にドナー性不純物をドーピングする
ことで量子井戸に電子を注入し、また、図２２（ｂ）、
図２３（ｂ）では、量子障壁の構成材料にアクセプター
性不純物をドーピングすることで量子井戸に正孔を注入
している。
【０１８５】（Ｃ）外場誘起によるＥＩＴ 次に（ω1 、ω2 ）平面上でこの様な特定のエネルギー
分布を持った材料系をを作り出す方法について説明す
る。
【０１８６】この様な手法の一つとして、次に述べるよ
うな固体中の擬原子に電場、磁場、圧力などの外場を加
えて、３準位のうち光で結ばれない準位間の不均一広が
りが小さくなるような材料系を作り出す方法がある。
【０１８７】上述したように、本発明の光素子に用いら
れる擬原子系としては、結晶中に分散された遷移金属原
子や希土類原子などの不純物原子系や、半導体の超格子
や量子細線、量子箱などの量子構造が候補になること、
また、これらの不純物原子系や量子構造が原子ガスと同
様離散的なエネルギー準位を持つことを述べた。
【０１８８】原子ガスのエネルギー準位については、す
でに計算と実験の両面から詳しく調べられており、その
中には複数の準位が同じエネルギーを持つ縮退した準位
が多数存在することが知られている。
【０１８９】一方、結晶中に分散された遷移金属原子や
希土類原子の不純物準位についても、田辺・菅野らの計
算で知られ遷移金属不純物の準位図やＧ．Ｈ．Ｄｉｅｋ
ｅによってまとめられた希土類不純物の準位図から、や
はり縮退した準位が多数存在することが知られている。
【０１９０】図１９に示すように、この縮退した不純物
準位を電場、磁場、圧力などの外場で解き、その中の２
準位を光で結ばれない２準位として利用すると、この準
位間に関して小さな不均一広がりを持ち、良好なＥＩＴ
特性を示すΛ型またはＶ型３準位系を設定することが可
能になる。
【０１９１】外場により縮退が解けて準位が分裂する現
象としては、電場によって分裂が引き起こされるシュタ
ルク効果、磁場によるゼーマン効果、圧力によるヤーン
・テーラー効果などがそれぞれ知られている。
【０１９２】シュタルク効果やゼーマン効果による準位
分裂の大きさは、勿論用いる外場の大きさも依存する
が、一般的には〜１ｃｍ-1以下の微小なものであること
が知られている。
【０１９３】したがって、分裂した２準位間の不均一広
がりはそれよりもさらに小さい値を持つと考えられる。
実際、これまでに報告されたシュタルク効果やゼーマン
効果の文献から不均一広がりの大きさを見積もると、シ
ュタルク効果では０．０１ｃｍ-1以下、ゼーマン効果で
は０．０００１〜０．１ｃｍ-1と、極めて小さな不均一
広がりを示す材料系が数多く存在することが分かった。
【０１９４】これらの点から、結晶中の縮退した不純物
準位に外場を加えることによって、光で結ばれない２準
位間の不均一広がりが極めて小さいΛ型またはＶ型３準
位系を作り出すことが期待できる訳である。
【０１９５】以上、不純物原子や量子構造を対称に、
（ω1 ，ω2 ）平面上でＥＩＴが発現し易い特定のエネ
ルギー分布を持った材料系を選び出す方法、ならびにこ
の様な分布を持った材料系を作り出す方法について述べ
た。
【０１９６】この様な材料探索方法により、初めて固体
でのＥＩＴが可能になるが、それだけに止まらず、例え
ば光変調素子やＬＷＩレーザーなどＥＩＴを基本原理と
する様々な光素子を実現することが可能になる。
【０１９７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（実施形態）を説明する。
【０１９８】（第１の実施形態）図７は、本発明の第１
の実施形態に係わる光変調素子を模式的に示した図であ
る。
【０１９９】この光変調素子は、大きく分けて、シグナ
ル光の透過強度を変調する不純物を含む固体であるＥＩ
Ｔ層１１と、このＥＩＴ層１１に接して設けられ、ゲー
ト光ＧをＥＩＴ層１１に入力する半導体レーザー１２
と、入力シグナル光ＳinをＥＩＴ層１１に入力する光フ
ァイバ１３と、ＥＩＴ層１１から出力された出力シグナ
ル光ＳOUT の強度を測定するフォトダイオード１４とか
ら構成されている。ゲート光Ｇにより出力シグナル光Ｓ
OUT の強度が制御される。
【０２００】なお、半導体レーザー１２から出されるゲ
ート光Ｇは，ＥＩＴ層１１の全体を照射している。ま
た、入力シグナル光Ｓinにも半導体レーザーを用いてい
る。
【０２０１】図８は、ＥＩＴ層１１中のエネルギー準位
とゲート光Ｇ（光子エネルギーω1）、入力シグナル光
Ｓin（光子エネルギーω2 ）とを模式的に示したもので
ある。 図８（ａ）に示すΛ型励起の場合、ＥＩＴ層１
１に用いる材料としては、準位２・準位３間の準位間エ
ネルギーの標準偏差σ23が、準位１・準位２間の準位間
エネルギーの標準偏差σ12、準位１・準位３間の準位間
エネルギーの標準偏差13に対して、σ23≦σ12ならびに
σ23≦σ13を満足する系を選択する。
【０２０２】また、ゲート光Ｇは準位１・準位２間を励
起し、入力シグナル光Ｓinは準位１・準位３間を励起す
る。さらに、準位２・準位３間のエネルギー差の中心値
をω23としたとき、ω2 −ω1 ＝ω23の関係が満たされ
るようにω1 ，ω2 をそれぞれ選択する。
【０２０３】このように構成された光変調素子によれ
ば、ＥＩＴ層１１にゲート光Ｇと入力シグナル光Ｓinを
ともに照射しているときには、ＥＩＴ層１１中の大部分
の擬原子でΔω1 ＝Δω2 を満足する。
【０２０４】したがって、ゲート光Ｇが無いときには、
入力シグナル光ＳinはＥＩＴ層１１で吸収されてほとん
ど透過しないが、ゲート光Ｇが有るときにはＥＩＴ層１
１での入力シグナル光Ｓinの吸収が抑制されるため、大
きな出力シグナル光ＳOUT が得られる。
【０２０５】なお、ゲート光Ｇは、もともと基底状態で
ある準位３と結ばれず、準位１・準位２間を仮想励起し
ているため、ＥＩＴ層１１では吸収されずに透過する。
この効果により、ＥＩＴ層１１中では場所によらず、つ
まり、ＥＩＴ層１１中のほとんどすべての不純物で同時
に入力シグナル光Ｓin（以下、単にシグナル光という）
を変調することが可能になる。
【０２０６】次に図８（ｂ）に示すＶ型励起の場合、Ｅ
ＩＴ層１１に用いる材料としては、準位１・準位２間の
準位間エネルギーの標準偏差σ12が、準位１・準位３
間、準位２・準位３間の準位間エネルギーの標準偏差σ
13，σ23に対して、σ12≦σ13、σ12≦σ23を満足する
系を選択する。
【０２０７】また、Ｖ型励起では、先のΛ型励起とは異
なり、いずれの遷移も基底状態である準位３と結ばれて
いる。このため、Ｖ型励起では、ゲート光Ｇと入力シグ
ナル光Ｓinは準位１・準位３間、準位２・準位３間どち
らかを励起しても良い。
【０２０８】いま、ゲート光Ｇは準位２・準位３間を励
起し、シグナル光は準位１・準位３間を励起すると仮定
する。さらに、ゲート光Ｇとシグナル光の光子エネルギ
ーをそれぞれω1 ，ω2 とし、準位１・準位２間のエネ
ルギー差の中心値をω12としたとき、ω2 −ω1 ＝ω12
を満たすようなω1 ，ω2 を選択する。
【０２０９】このように構成された光変調素子によれ
ば、ＥＩＴ層１１にゲート光Ｇとシグナル光をともに照
射しているときには、ＥＩＴ層１１中の大部分の擬原子
でΔω1 ＝Δω2 を満足する。
【０２１０】したがって、ゲート光Ｇが無いときには、
シグナル光はＥＩＴ層１１で吸収されてほとんど透過し
ないが、それが有るときにはＥＩＴ層１１でのシグナル
光の吸収が抑制されるため、大きな出力シグナル光が得
られる。
【０２１１】Ｖ型励起ではゲート光Ｇも基底状態である
準位３と結ばれている。このため、シグナル光が無けれ
ばＥＩＴ層１１で吸収され、ＥＩＴ層中１１で場所によ
ってゲート光Ｇの強度が変化してしまう。しかし、シグ
ナル光が有る場合にはゲート光Ｇは吸収されずに透過す
るため、Ｖ型励起でもＥＩＴ層１１中では場所によらず
シグナル光を変調することが可能になる。
【０２１２】さらに、図８（ｃ）に示すΞ型励起の場
合、ＥＩＴ層１１に用いる材料としては、準位１・準位
３間の準位間エネルギーの標準偏差σ13が、準位１・準
位２間、準位２・準位３間の準位間エネルギーの標準偏
差σ12，σ23に対して、σ13≦σ12，σ13≦σ23を満足
する系を選択する。
【０２１３】ゲート光Ｇは準位１・準位２間を励起し、
シグナル光は準位２・準位３間を励起する。さらに、ゲ
ート光Ｇとシグナル光の光子エネルギーをそれぞれ
ω1 ，ω2 とし、準位１・準位３間のエネルギー差の中
心値をω13としたしき、ω1 ＋ω2 ＝ω13を満たすよう
なω1 ，ω2 を選択する。
【０２１４】このように構成された光変調素子によれ
ば、ＥＩＴ層１１にゲート光Ｇとシグナル光をともに照
射しているときには、ＥＩＴ層１１中の大部分の擬原子
でΔω1 ＝−Δω2 を満足する。
【０２１５】したがって、ゲート光Ｇが無いときには、
シグナル光はＥＩＴ層１１で吸収されてほとんど透過し
ないが、それが有るときにはＥＩＴ層１１でのシグナル
光の吸収が抑制されるため、大きな出力シグナル光が得
られる。
【０２１６】ゲート光Ｇはもともとも基底状態である準
位３と結ばれず準位１・準位２間を仮想励起しているた
め、ＥＩＴ層１１では吸収されずに透過する。この効果
により、ＥＩＴ層１１中で場所によらずシグナル光を変
調することが可能になる。
【０２１７】なお、実際の準位間エネルギーの標準偏差
の見積もりに関して、まず３準位のうち光励起を行う２
つの電子遷移については、この２つの遷移がともに許容
遷移であることから光吸収や蛍光測定等で観測されるス
ペクトルピークの半値幅が準位間エネルギーの標準偏差
と等しいとすることで見積もることができる。
【０２１８】また、光励起を行わない遷移については、
本来禁制遷移であるため通常の光吸収や蛍光測定では観
測することが難しいが、２光子吸収等を利用すればこの
遷移についてもやはり実験的に準位間エネルギーの標準
偏差を決定することが可能である。
【０２１９】（第２の実施形態）本実施形態は、図７に
示した光変調素子をより具体化した例である。すなわ
ち、本実施形態では、ＥＩＴ層１１の材料としてＣｒ3+
が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＡｌ2 Ｏ3 を用
いている。また、光ファイバ１３の光源としては色素レ
ーザーを用い、フォトダイオード１４としてはＳｉフォ
トダイオードを用いている。
【０２２０】３つのエネルギー準位としては、Ａｌ2 Ｏ
3 中のＣｒ3+不純物のエネルギー準位を用い、具体的に
は、図９に示すように、一番上の準位１は、ｔ2g軌道に
２個、ｅg 軌道に１個の電子が収容されてなる場合の 4
Ｔ1 準位、真ん中の準位２と、一番下の準位３はｔ2g軌
道に３個の電子が収容された場合の 2Ｅ準位および基底
準位である 4Ａ2 準位をそれぞれ選択した。
【０２２１】なお、 4Ｔ1 ， 2Ｅ， 4Ａ2 は各準位の対
称性を表す既約表現である。結晶場理論より、 4Ａ2 →
4Ｔ1 遷移と 2Ｅ→ 4Ｔ1 遷移はともに許容遷移で、さ
らに結晶場の揺らぎを敏感に反映するため光吸収等のス
ペクトル線幅は不均一に広がり、準位間エネルギーのバ
ラつきは大きいことが知られている。
【０２２２】これに対し、 4Ａ2 → 2Ｅ遷移は禁制遷移
で、しかも結晶場の揺らぎに鈍感なためスペクトル線幅
は弱くシャープで、準位間エネルギーのバラつきも小さ
いことが知られている。
【０２２３】図１０は、Ａｌ2 Ｏ3 中のＣｒ3+の光吸収
スペクトルを示す図である。図１０において、２５００
０ｃｍ-1付近にピークを持つブロードな吸収は準位３か
ら準位１への 4Ａ2 → 4Ｔ1 遷移に対応する。光吸収ピ
ークの半値幅から見積もられた準位１・準位３間の準位
間エネルギーの標準偏差σ13は２０００〜３０００ｃｍ
-1である。
【０２２４】また、１５０００ｃｍ-1付近にピークを持
つ非常にシャープでしかも弱い吸収は、準位３から準位
２への 4Ａ2 → 2Ｅ遷移に対応する。準位２・準位３間
の標準偏差σ23は０．１〜１ｃｍ-1であり、準位１・準
位３間のσ13と比較して４桁程度小さい。
【０２２５】2Ｅ→ 4Ｔ1 遷移に関しては、電子分布が
ゼロであるため、光吸収スペクトルから準位１・準位２
間の標準偏差σ12を求めることはできないが、田辺，菅
野によるエネルギー準位の計算からは準位１・準位３間
のσ13と同程度の値を持つことが分かっている。
【０２２６】これらの点から、本実施形態の光変調素子
では、上記３つの準位に関して、 4Ａ2 ・ 4Ｔ1 準位間
と 2Ｅ・ 4Ｔ1 準位間をΛ型に光励起した。ゲート光Ｇ
の光子エネルギーω1 には準位１・準位２間の 2Ｅ→ 4
Ｔ1 遷移に対応するものを選び、シグナル光の光子エネ
ルギーω2 には準位１・準位３間の 4Ａ2 → 4Ｔ1 遷移
に対応するものを選択した。
【０２２７】この時の光子エネルギーω1 ，ω2 は、ω
2 −ω1 が準位２・準位３間の準位間エネルギーの中心
値（１４４１９ｃｍ-1）と一致するように調整した。な
お、ゲート光Ｇの強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力
するシグナル光の強度は１ｍＷとした。
【０２２８】以上の素子構造に基づいて、ゲート光Ｇの
有無によるシグナル光の透過光強度を調べた。
【０２２９】まず、ゲート光Ｇが無い場合には、シグナ
ル光はＥＩＴ層１１で吸収されるため、シグナル光の出
力強度は入力に対して約９％にまで減少した。
【０２３０】次にゲート光Ｇを照射した場合には、入力
に対して約７５％の出力強度が得られ、ゲート光Ｇが無
い場合と比較してシグナル光は透過しやすくなることが
確かめられた。
【０２３１】図１１に、ゲート光Ｇの光子エネルギーω
1 を固定した状態で、シグナル光の光子エネルギーω2
を変えながら、準位３から準位１への吸収スペクトルを
調べた結果を示す。なお、ゲート光Ｇの光子エネルギー
ω1 は９０３０ｃｍ-1である。
【０２３２】図１１より、ω2 −ω1 （〜１４４１９ｃ
ｍ-1）が、準位２・準位３間の準位間エネルギーの中心
値と一致する光子エネルギー２３４４９ｃｍ-1付近で、
ω2の光吸収は大きく減少することが分かる。このこと
から、本現象がＥＩＴに由来することが理解される。
【０２３３】ところで、このＡｌ2 Ｏ3 中のＣｒ3+不純
物を利用して、固体におけるＬＷＩを実現させようとい
う提案がなされている（Ｙ．Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ．，Ｐ
ｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ４９，４０１６（１９９４））。
【０２３４】Ｙ．Ｚｈｕらでは、３準位のうち、準位１
には2 Ｅ準位、準位２には4 Ａ2 準位中の4 Ａ2 （｜±
１／２＞）準位、準位３には4 Ａ2 準位中の4 Ａ2 （｜
±３／２＞）準位が用いられている。そして、上記３準
位をΞ型に励起し、さらに準位３から準位１は電子をイ
ンコヒーレントに励起することにより、準位１・準位２
間にレーザ発振が起こり、固体においてもＬＷＩが実現
できるとのべられている。
【０２３５】作用の項でも述べたように、準位１・準位
２間、準位１・準位３間、準位２・準位３間それぞれの
準位間エネルギーの標準偏差をσ12、σ13、σ23とする
と、Ξ型励起でＥＩＴを引き起こすには、準位１・準位
３の標準偏差σ13が、σ13≦σ12、かつσ13≦σ23の条
件を満たすことが必要である。
【０２３６】Ｙ．Ｚｈｕらの選んだ３準位のうち、準位
１・準位３間の4 Ａ2 （｜±３／２＞）→2 Ｅ遷移のσ
13は０．１〜１ｃｍ-1である。一方、準位２・準位３間
の4Ａ2 （｜±３／２＞）→4 Ａ2 （｜±１／２＞）遷
移に関しては、電子スピン共鳴の実験等からσ23は０．
１ｃｍ-1よりも小さくなることが知られている。したが
って、Ｙ．Ｚｈｕらの選んだ３準位ではΞ型励起の場合
にσ13＞σ23となり、ＥＩＴを引き起こすことは極めて
難しい。このことから、固体でＥＩＴを実現するには、
まず第１に各遷移間の準位間エネルギーの揺らぎの大き
さ（標準偏差）を把握した上で、三つの準位を選択しな
ければならないことが分かる。
【０２３７】（比較例１）準位２として 2Ｅ準位の代わ
り 4Ｔ2 準位を用い、これに伴いゲート光Ｇの光子エネ
ルギーω1 を準位１・準位２間の 4Ｔ2 → 4Ｔ1 遷移に
対応するものに変えた以外は、第２の実施形態と全く同
様の構成の光変調素子を用いて、ゲート光Ｇの有無によ
るシグナル光の透過光強度を調べた。なお、ω2 −ω1
は１８０００ｃｍ-1に調整してある。
【０２３８】まず、ゲート光Ｇが無い場合については、
第２の実施形態と同様にシグナル光の出力強度は入力に
対して約９％にまで減少した。
【０２３９】次にゲート光Ｇを入れた場合、今度は第２
の実施形態の場合とは異なり、入力に対してやはり９％
程度の出力強度しか得られなかった。これより、本比較
例ではゲート光Ｇの有無によらずシグナル光はほとんど
透過しないことが分かった。図１０に示した光吸収スペ
クトル１８０００ｃｍ-1付近に見られるブロードな吸収
は、準位２・準位３間の 4Ａ2 → 4Ｔ2 遷移に対応す
る。このスペクトルの広がりもやはり不均一広がりに起
因し、光吸収の半値幅から見積もられる準位２・準位３
間のσ23は２０００〜３０００ｃｍ-1となる。
【０２４０】準位１・準位２間の 4Ｔ2 → 4Ｔ1 遷移は
電子分布がゼロであるため、図１０の吸収スペクトルに
は現れないが、田辺・菅野によるエネルギー準位の計算
からは弱いしかもシャープなスペクトル線となることが
予測される。
【０２４１】これは、準位１・準位２間のσ12が、準位
１・準位３間、準位２・準位３間のσ13，σ23よりも桁
違いに小さくなることを意味している。Λ型励起では、
σ23≦σ12、σ23≦σ13を満足するような系を選択する
必要が有る。これより、本比較例では準位２・準位３間
のσ23が準位１・準位２間のσ12に比べて非常に大きい
ため、ゲート光Ｇを照射してもシグナル光はほとんど変
調されなかったことが分かる。
【０２４２】以上のことから、固体においてＥＩＴを発
現させるには、各遷移の準位間エネルギー揺らぎに関す
る大小関係を十分に考慮した上で光励起を行う準位を選
ぶ必要が有ることが理解される。
【０２４３】（第３の実施形態）本実施形態の光変調素
子が第２の実施形態のそれと異なる点は、図７に示した
光変調素子において、ＥＩＴ層１１の材料として、Ｅｒ
3+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＬｉＹＦ4 を
用いたことにある。
【０２４４】３つのエネルギー準位としてはＬｉＹＦ4
中のＥｒ3+の不純物準位を用い、図１２に示すように、
一番上の準位１には 4Ｓ3/2 準位のうち結晶場で分裂し
たＥ１準位、真ん中の準位２には 4Ｉ13/2準位のうち同
じく結晶場で分裂したＹ１準位、一番下の準位３には基
底準位である 4Ｉ15/2準位のうちやはり結晶場で分裂し
たＺ２準位をそれぞれ選択した。
【０２４５】結晶場理論より、 4Ｓ3/2 （Ｅ１）準位の
対称性はΓ5 である。また、 4Ｉ13 /2（Ｙ１）準位と 4
Ｉ15/2（Ｚ２）準位の対称性はいずれもΓ8 である。こ
れにより、準位１・準位３間の 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｓ
3/2 （Ｅ１）遷移はΓ8 →Γ5 、準位１・準位２間の 4
Ｉ13/2（Ｙ１）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移もΓ8 →Γ
5で、準位２・準位３間の 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｉ13/2
（Ｙ１）遷移だけがΓ8 →Γ8 となる。
【０２４６】下記の表１に、準位の対称性に関する光学
遷移の選択則を示す。なお、表１中に示した光学遷移の
許容ならびに禁制は、全て電気双極子遷移に関するもの
である。
【０２４７】
【表１】
【０２４８】この表１より、準位１・準位３間の 4Ｉ
15/2（Ｚ２）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移および準位１・準
位２間の 4Ｉ13/2（Ｙ１）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移は許
容遷移であることが分かる。これに対し、準位２・準位
３間の 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｉ13/2（Ｙ１）遷移は禁制
遷移となる。
【０２４９】この結果から、 4Ｉ13/2（Ｙ１）→ 4Ｓ
3/2 （Ｅ１）遷移と 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ
１）遷移では吸収強度が強く、しかも、結晶場の揺らぎ
を反映してスペクトル線幅は不均一に広がり、準位間エ
ネルギーの標準偏差σ12，σ13はともに大きいことが予
測されるのに対して、 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｉ13/2（Ｙ
１）遷移は吸収強度が弱く、結晶場による準位間エネル
ギーのバラつきも小さいため、σ23は小さな値を持つ。
【０２５０】これより、本実施形態の光変調素子では、
上記３つの準位について、 4Ｉ15/2（Ｚ２）・ 4Ｓ3/2
（Ｅ１）準位間と 4Ｉ13/2（Ｙ１）・ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）
準位間をΛ型に光励起した。
【０２５１】ゲート光Ｇの光子エネルギーω1 は準位１
・準位２間の 4Ｉ13/2（Ｙ１）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移
に対応するものを選び、シグナル光の光子エネルギーω
2 は準位１・準位３間の 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｓ
3/2 （Ｅ１）遷移に対応するものを選択した。このとき
の光子エネルギーω1 ，ω2 は、ω2 −ω1 が準位２・
準位３間の準位間エネルギーの中心値（６５１７ｃ
ｍ-1）と一致するように調整した。なお、ゲート光Ｇの
強度は１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するシグナル光の強度
は１ｍＷとした。
【０２５２】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光Ｇの有無によるシグナル光の透過光強度を
調べた。
【０２５３】まず、ゲート光Ｇが無い場合には、シグナ
ル光はＥＩＴ層１１で吸収されるため、シグナル光の出
力強度は入力に対して約１１％にまで減少した。
【０２５４】次にゲート光Ｇを照射した場合には、入力
に対して約８１％の出力強度が得られ、ゲート光Ｇが無
い場合と比較して、シグナル光は透過しやすくなること
が確かめられた。
【０２５５】図１３に、ゲート光Ｇの光子エネルギーω
1 を固定した状態で、シグナル光の光子エネルギーω2
を変えながら、準位３から準位１への吸収スペクトルを
調べた結果を示す。なお、ゲート光Ｇの光子エネルギー
ω1 は１１８９８ｃｍ-1である。
【０２５６】図１３より、ω2 −ω1 （〜６５１７ｃｍ
-1）が準位２・準位３間の準位間エネルギーの中心値と
一致する１８４１５ｃｍ-1付近で、ω2 の光吸収は大き
く減少することが分かった。このことから、本現象がＥ
ＩＴに由来することが理解される。
【０２５７】（比較例２）準位２として 4Ｉ13/2（Ｙ
１）準位に代わり 4Ｉ13/2（Ｙ２）準位を用い、これに
伴いゲート光Ｇの光子エネルギーω1 を準位１・準位２
間の 4Ｉ13/2（Ｙ２）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移に対応す
るものに変えた以外は、第３の実施形態と全く同様の構
成の光変調素子を用いてゲート光Ｇの有無によるシグナ
ル光の透過光強度を調べた。なお、ω2 −ω1 は６５２
１ｃｍ-1に調整してある。
【０２５８】まず、ゲート光Ｇが無い場合については、
第３の実施形態と同様シグナル光の出力強度は入力に対
して約１１％にまで減少した。
【０２５９】次にゲート光Ｇを入れた場合、今度は第３
の実施形態とは異なり入力に対してやはり１５％程度の
出力強度しか得られなかった。これより、本比較例では
ゲート光Ｇの有無によらずシグナル光はほとんど透過し
ないことがわかった。
【０２６０】4Ｉ13/2（Ｙ２）準位の対称性はΓ5 であ
る。これより、準位１・準位２間の4Ｉ13/2（Ｙ２）→
4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移はΓ5 →Γ5 となり、準位２・準
位３間の 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｉ13/2（Ｙ２）遷移はΓ
8 →Γ5 となる。この結果と先の表１を用いると、 4Ｉ
13/2（Ｙ２）→ 4Ｓ3/2 （Ｅ１）遷移は禁制遷移とな
り、吸収強度は小さくシャープな遷移であることが予測
される。
【０２６１】これに対し、 4Ｉ15/2（Ｚ２）→ 4Ｉ13/2
（Ｙ２）遷移は許容遷移で、吸収強度は大きくブロード
な遷移となる。これは、準位１・準位２間のσ12が準位
２・準位３間のσ23よりも小さくなることを意味してい
る。
【０２６２】以上の結果より、本比較例ではσ23がσ12
に比べて大きいめに、ゲート光Ｇを照射してもシグナル
光はほとんど変調されなかったことが理解される。
【０２６３】（第４の実施形態）本実施形態の光変調素
子が第２の実施形態のそれと異なる点は、図７に示した
光変調素子において、ＥＩＴ層１１の材料としてＰｒ3+
が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＬｉＹＦ4 を用
いたことにある。
【０２６４】３つのエネルギー準位としてはＬｉＹＦ4
中のＰｒ3+の不純物準位を用い、図１４に示すように、
一番上の準位１には 1Ｄ2 準位のうち結晶場で分裂した
Ｃ２準位、真ん中の準位２には 3Ｈ5 準位のうち同じく
結晶場で分裂したＢ４準位、一番下の準位３には基底準
位である 3Ｈ4 準位のうちやはり結晶場で分裂したＡ１
準位をそれぞれ選択した。
【０２６５】各準位の対称性は、 1Ｄ2 （Ｃ２）準位が
Γ1 、 3Ｈ5 （Ｂ４）準位はΓ2 、3Ｈ4 （Ａ１）準位
もΓ2 である。これにより、準位１・準位２間の 3Ｈ5
（Ｂ４）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷移はΓ2 →Γ1 、準位１・
準位３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→1Ｄ2 （Ｃ２）遷移もΓ2
→Γ1 の遷移から構成され、準位２・準位３間の 3Ｈ4
（Ａ１）→ 3Ｈ5 （Ｂ４）遷移がΓ1 →Γ1 の遷移から
構成されている。
【０２６６】下記の表２は、準位の対称性に関する光学
遷移の選択則を示す。なお、表２中に示した光学遷移の
許容ならびに禁制は、全て電気双極子遷移に関するもの
である。
【０２６７】
【表２】
【０２６８】この表２より、準位１・準位２間の 3Ｈ5
（Ｂ４）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷移と準位１・準位３間の 3
Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷移は許容遷移であり、
準位２・準位３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 3Ｈ5 （Ｂ４）遷
移は禁制遷移になることが分かる。
【０２６９】これより、本光変調素子では、この３つの
準位について、 3Ｈ4 （Ａ１）・ 1Ｄ2 （Ｃ２）準位間
と 3Ｈ5 （Ｂ４）・ 1Ｄ2 （Ｃ２）準位間をΛ型に光励
起した。
【０２７０】ゲート光Ｇの光子エネルギーω1 は準位１
・準位２間の 3Ｈ5 （Ｂ４）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷移に対
応するものを選び、シグナル光の光子エネルギーω2 は
準位１・準位３間の 3Ｈ4 （Ａ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷
移に対応するものを選択した。
【０２７１】このときのω1 ，ω2 は、ω2 −ω1 が準
位２・準位３間の準位間エネルギーの中心値（２２８０
ｃｍ-1）と一致するように調整した。なお、ゲート光Ｇ
の強度は１Ｗ、またＥＩＴ層１１に入力するシグナル光
の強度は１ｍＷとした。
【０２７２】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光Ｇの有無によるシグナル光の透過光強度を
調べた。
【０２７３】まず、ゲート光Ｇが無い場合には、シグナ
ル光はＥＩＴ層１１で吸収されるため、シグナル光の出
力強度は入力に対して約７％にまで減少した。
【０２７４】次にゲート光Ｇを照射した場合には、入力
に対して約６９％の出力強度が得られ、ゲート光Ｇが無
い場合と比較してシグナル光は透過しやすくなることが
確かめられた。
【０２７５】（比較例３）準位２として 3Ｈ5 （Ｂ４）
準位の代わり、対称性がΓ1 である 3Ｈ5 （Ｂ１）準位
を用い、これに伴いゲート光Ｇの光子エネルギーω1 を
準位１・準位２間の 3Ｈ5 （Ｂ１）→ 1Ｄ2 （Ｃ２）遷
移に対応するものに変えた以外は、第４の実施形態と全
く同様の構成の光変調素子を用いてゲート光Ｇの有無に
よるシグナル光の透過光強度を調べた。なお、ω2 −ω
1 は２２５３ｃｍ-1に調整してある。
【０２７６】まず、ゲート光Ｇが無い場合については、
第４の実施形態の場合と同様に、シグナル光の出力強度
は入力に対して約７％にまで減少した。
【０２７７】次にゲート光Ｇを入れた場合、今度は第４
の実施形態の場合とは異なり、入力に対して８％程度の
出力強度しか得られなかった。これより、本比較例では
ゲート光Ｇの有無によらずシグナル光はほとんど透過し
ないことが分かった。
【０２７８】（変形例）本変形例は、図７に示した光変
調素子において、第２〜第４の実施形態とＥＩＴ層１１
の材料の種類が異なる点を除けば、あとは全て同一の構
成を持つ。
【０２７９】下記の表３〜表１２に、本変形例の光変調
素子に用いたＥＩＴ層１１の材料毎の、固体材料の種
類、不純物の種類、３つの不純物準位それぞれの準位対
称性の既約表現、３つの不純物準位それぞれのエネルギ
ー位置、光励起の型、ゲート光Ｇを照射しないときのシ
グナル光の透過率、そしてゲート光Ｇを照射したときの
シグナル光の透過率を示す。
【０２８０】表中に示される通り、ゲート光Ｇの有無
で、シグナル光の透過率を著しく変調できることが理解
される。
【０２８１】
【表３】
【０２８２】
【表４】
【０２８３】
【表５】
【０２８４】
【表６】
【０２８５】
【表７】
【０２８６】
【表８】
【０２８７】
【表９】
【０２８８】
【表１０】
【０２８９】
【表１１】
【０２９０】
【表１２】
【０２９１】（第６の実施形態）図２４は、本発明の第
６の実施形態に係わる光変調素子を模式的に示した図で
ある。
【０２９２】この光変調素子は、大きく分けて、２本の
光２１，２２の透過強度を変調するＥＩＴ層２３と、こ
のＥＩＴ層２３を挟む２枚の電極２４，２５と、これら
電極２４，２５の間に電圧を印加してＥＩＴ層２３に与
えられる外場としての電場の大きさを制御するための電
源２６と、ＥＩＴ層２３に光２１，２２をそれぞれ入力
する光ファイバー２７，２８と、ＥＩＴ層２３から出力
された２本の光の透過強度をそれぞれ測定するフォトダ
イオード２９，３０とから構成されている。
【０２９３】なお、光ファイバー２７，２８から出され
た２本の光２１，２２のうち、Λ型励起では準位１・２
間を励起する光２１、Ｖ型励起では準位２・３間を励起
する光２１がＥＩＴ層２３の全体を照射する。また、Ｅ
ＩＴ層２３に照射する２本の光２１，２２はともにレー
ザー光である。
【０２９４】図２５は、ＥＩＴ層２３中のエネルギー準
位とそこに入射する２本の光２１，２２とを模式的に示
したものである。
【０２９５】図２５（ａ）はΛ型励起の場合を示してお
り、ＥＩＴ層２３に用いる材料としては外場を印加しな
いときに準位２と準位３が縮退するような準位を選択す
る。この様な準位を選ぶことにより、外場（電場）印加
時の準位２・３間の準位間エネルギーの標準偏差σ
23は、準位１・２間、準位１・３間の準位間エネルギー
の標準偏差σ12、σ13に対してσ23≦σ12、ならびにσ
23≦σ13を満足する。
【０２９６】２本の光２１，２２の光子エネルギーにつ
いては、準位１・２間を励起する光２１の光子エネルギ
ーをω1 、準位１・３間を励起する光２２の光子エネル
ギーをω2 とし、準位２・３間のエネルギー差の中心値
をω23としたとき、ω2 −ω1 ＝ω23を満たすようなω
1 、ω2 をそれぞれ選択する。
【０２９７】以上の様に構成することで、ＥＩＴ層２３
に２本の光２１，２２が照射しているときには、ＥＩＴ
層２３中の大部分の擬原子でΔω1 ＝Δω2 となる。外
場がゼロの場合には２本の光２１，２２はともにＥＩＴ
層２３で吸収されてほとんど透過しないが、ω2 −ω1
＝ω23を満たす特定の大きさの外場を印加した場合に
は、ＥＩＴ層２３での光吸収が抑制されるため、光２
１，２２ともに大きな光出力が得られるようになる。
【０２９８】これより、外場の大きさを操作することで
光の透過強度を変調させることが可能になる。
【０２９９】次に、図２５（ｂ）に示すＶ型励起の場
合、ＥＩＴ層２３に用いる材料としては、外場を印加し
ないときに、準位１および準位２が縮退するような準位
を選択する。
【０３００】この様な準位を選ぶことにより、外場印加
時の準位１・２間の準位間エネルギーの標準偏差σ
12は、準位１・３間、準位２・３間の準位間エネルギー
の標準偏差σ13、σ23に対してσ12≦σ13、ならびにσ
12≦σ23を満足する。
【０３０１】光２１，２２の光子エネルギーについて
は、準位２・３間を励起する光２１の光子エネルギーを
ω1 、準位１・３間を励起する光２２の光子エネルギー
をω2とし、準位１、２間のエネルギー差の中心値をω
12としたとき、ω2 −ω1 ＝ω12を満たすようなω1 、
ω2 をそれぞれ選択する。
【０３０２】以上の様に構成することで、Ｖ型励起の場
合についてもΛ型励起の場合と同様、ＥＩＴ層２３に２
本の光２１，２２を照射しているときには、ＥＩＴ層２
３中の大部分の擬原子でΔω1 ＝Δω2 となる。
【０３０３】外場がゼロの場合には２本の光２１，２２
はともにＥＩＴ層２３で吸収されてほとんど透過しない
が、ω2 −ω1 ＝ω12を満たす特定の大きさの外場を印
加した場合にはＥＩＴ層２３での光吸収が抑制されるた
め、光２１，２２ともに大きな光出力が得られるように
なる。これより、外場の大きさを操作することで光の透
過強度を変調させることが可能になる。
【０３０４】なお、実際の系では３準位の中で光で結ば
れない２準位に関して、まず準位間エネルギーを求め、
この値を基に２本の光２１，２２の光子エネルギー
ω1 、ω2 を決定しなければならない。
【０３０５】この光で結ばれない準位間の遷移は本来禁
制であるため通常の光吸収や蛍光測定では観測が難しい
が、２光子吸収等を利用すれば正確な準位間エネルギー
や不均一広がりの大きさなども実験的に決定することが
可能である。
【０３０６】（第６の実施形態）本実施形態の光変調素
子は、図２４に示した光変調素子をより具体化した例で
ある。すなわち、本実施形態では、ＥＩＴ層２３の材料
としてＧｄ3+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＬ
ｉＹＦ4 を用いている。また、光２１，２２としては光
子エネルギーω1 、ω2 がともに〜３２１００ｃｍ-1の
色素レーザー光を用い、フォトダイオード２９，３０と
してはＳｉフォトダイオードを用いている。また、電源
２６としては直流電源装置を用いている。
【０３０７】エネルギー準位としては、ＬｉＹＦ4 に電
場を印加した際のＧｄ3+不純物のエネルギー準位を用
い、具体的には、図２６に示すように、一番上の準位１
には 6Ｐ7/2 準位を用い、そして、真ん中の準位２と一
番下の準位３には 8Ｓ準位を用いた。
【０３０８】電圧がゼロの場合には 8Ｓ準位は８重に縮
退しているが、電圧印加時にはシュタルク効果によって
内磁気量子数ＭJ の絶対値が異なる４つの準位に分裂す
る。
【０３０９】準位２と準位３にはこの４準位の中からエ
ネルギーの小さい 8Ｓ（ａ）準位と8Ｓ（ｂ）準位の２
つの準位を選択した。
【０３１０】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位に関して、 6Ｐ7/2 ・ 8Ｓ（ａ）準位間と 6Ｐ7/2 ・
8Ｓ（ｂ）準位間をΛ型に光励起した。
【０３１１】光２１の光子エネルギーω1 には準位１、
２間の 8Ｓ（ａ）→ 6Ｐ7/2 遷移に対応するものを選
び、光２２の光子エネルギーω2 には準位１、３間の 8
Ｓ（ｂ）→ 6Ｐ7/2 遷移に対応するものを選択した。
【０３１２】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 ーω1 が準位２、３間の準位間エネルギーの中心値ω
23と一致するように調整した。なお、ＥＩＴ層２３に入
力する光２１，２２の強度はともに１Ｗとした。
【０３１３】図２７は、一定の波長を持つマイクロ波を
照射した状態で、印加電圧を変化させながら分裂した 8
Ｓ（ａ）・ 8Ｓ（ｂ）準位間のマイクロ波吸収を測定
し、電圧に依存してω23の値がどの様に変化するかを調
べた結果を示す。
【０３１４】なお、横軸は電界強度Ｅの２乗で整理し直
してある。また、図２７には、 8Ｓ（ａ）・ 8Ｓ（ｂ）
準位間のマイクロ波吸収に関する典型的な吸収スペクト
ルも示してある。
【０３１５】本実施形態の光素子では、ω23＝０．１ｃ
ｍ-1を選択している。これより、ＬｉＹＦ4 には〜１０
5 Ｖ／ｃｍの電界強度がかかるように印加電圧の値を設
定した。
【０３１６】スペクトル線幅は 8Ｓ（ａ）・ 8Ｓ（ｂ）
準位間の不均一広がりに対応し、その値はおよそ０．０
０１ｃｍ-1であった。このことから、電圧印加によって
分裂した準位を利用することにより、光で結ばれない準
位間に小さな不均一広がりを持つΛ型３準位系を設定で
きることが分かる。
【０３１７】このように構成された光素子について、光
２１の有無による光２２の透過強度を調べた。まず、光
２１が無い場合には、光２２はＥＩＴ層２３で吸収され
るため、光２２の出力強度は入力に対して約５％にまで
減少した。
【０３１８】次に、光２１を入れた場合には、入力に対
して約７２％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と
比較して光２２は透過しやすくなることが確かめられ
た。
【０３１９】図２８に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１への 8Ｓ（ｂ）→ 6Ｓ遷移の吸収
スペクトルを調べた結果を示す。なお、光２１の光子エ
ネルギーω1 はおよそ３２１００ｃｍ-1である。
【０３２０】図２８より、ω2 −ω1 が準位２、３間の
準位間エネルギーの中心値ω23と一致する光子エネルギ
ー〜０．１ｃｍ-1で、光２２の吸収は大きく減少するこ
とが分かる。このことから、本現象がＥＩＴに由来する
ことが理解される。
【０３２１】（比較例４）ＬｉＹＦ4 に印加する電圧の
値をゼロに変えた以外は、第６の実施形態と全く同様の
構成の光変調素子を用いて光２１の有無による光２２の
透過強度を調べた。なお、ω2 −ω1 は第６の実施形態
と同様、０．１ｃｍ-1に調整してある。
【０３２２】まず、光２１が無い場合については、第６
の実施形態の場合と同様、光２２の出力強度は入力に対
して約５％にまで減少した。一方、光２１を入れた場
合、今度は第６の実施形態の場合とは異なり、入力に対
してやはり５％程度の出力強度しか得られなかった。以
上の結果から、本比較例では、光２１の有無によらず、
光２２はほとんど透過しないことが分かった。
【０３２３】図２６に示したエネルギー準位図からも分
かるように、電圧がゼロの場合には大多数のＧｄ3+不純
物でΔω1 ＝Δω2 が成立していない。このため、２本
の光を入力してもＥＩＴ層で吸収されてしまうため、出
力強度が増加しなかったことが分かる。
【０３２４】以上のことから、固体においてＥＩＴを発
現させるには、３準位の中でも特に光で結ばれない準位
間の不均一広がりを十分考慮した上で光励起を行う準位
を選択する必要が有ることが分かる。
【０３２５】また、電圧印加により準位間エネルギー分
布の制御を行うと、光で結ばれない準位間に関して極め
て小さな不均一広がりを設定することができ、したがっ
て、良好なＥＩＴ特性を得られることが理解される。
【０３２６】（第７の実施形態）本実施形態の光変調素
子は、図２４に示した光変調素子をより具体化した例で
ある。すなわち、ＥＩＴ層２３としてＰｒ3+が不純物と
して１ｍｏｌ％分散しているＬａＣｌ3 を用いている。
また、光２１，２２として光子エネルギーω1 、ω2 が
ともに〜１６６３０ｃｍ-1の色素レーザー光を用い、フ
ォトダイオード２９，３０としてはＳｉフォトダイオー
ドを用いている。また、電源２６としては直流電源装置
を用いている。
【０３２７】エネルギー準位としては、ＬａＣｌ3 に電
場を印加した際のＰｒ3+不純物のエネルギー準位を用
い、具体的には、図２９に示すように、一番上の準位１
には 1Ｄ2 準位を用い、真ん中の準位２と一番下の準位
３には 3Ｈ4 準位のうち既に結晶場で分裂した６つの準
位の中で最もエネルギーの低い 3Ｈ4 （μ＝２）準位を
選択した。
【０３２８】電圧がゼロの場合には 3Ｈ4 （μ＝２）準
位は２重に縮退しているが、この準位は非クラマース２
重項であるため電圧印加時には分裂する。準位２と準位
３には、この 3Ｈ4 （μ＝２）準位から分裂した 3Ｈ4
（ａ）準位と 3Ｈ4 （ｂ）準位の２つの準位を用いた。
【０３２９】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位に関して、 1Ｄ2 ・ 3Ｈ4 （ａ）準位間と 1Ｄ2 ・ 3
Ｈ4 （ｂ）準位間をΛ型に光励起した。
【０３３０】光２１の光子エネルギーω1 には準位１、
２間の 3Ｈ4 （ａ）→ 1Ｄ2 遷移に対応するものを選
び、光２２の光子エネルギーω2 には準位１、３間の 3
Ｈ4 （ｂ）→ 1Ｄ2 遷移に対応するものを選択した。
【０３３１】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 ーω1 が準位２、３間の準位間エネルギーの中心値ω
23と一致するように調整した。なお、ＥＩＴ層２３に入
力する光２１，２２の強度はともに１Ｗとした。
【０３３２】図３０は、一定の波長を持つマイクロ波を
照射した状態で、印加電圧を変化させながら分裂した 3
Ｈ4 （ａ）・ 3Ｈ4 （ｂ）準位間のマイクロ波吸収を測
定し、電圧に依存してω23の値がどの様に変化するかを
調べた結果を示す。
【０３３３】なお、横軸は電界強度Ｅで整理し直してあ
る。また、図３０には、 3Ｈ4 （ａ）・ 3Ｈ4 （ｂ）準
位間のマイクロ波吸収に関する典型的な吸収スペクトル
も示してある。
【０３３４】本実施形態の素子では、ω23＝０．０７ｃ
ｍ-1を選択している。これより、ＬａＦ3 には〜５×１
０4 Ｖ／ｃｍの電界強度がかかるように印加電圧の値を
設定した。
【０３３５】スペクトル線幅は 3Ｈ4 （ａ）・ 3Ｈ
4 （ｂ）準位間の不均一広がりに対応し、その値はおよ
そ０．０００８ｃｍ-1であった。このことから、電圧印
加によって分裂した準位を利用することにより、光で結
ばれない準位間に小さな不均一広がりを持つΛ型３準位
系を設定できることが分かる。
【０３３６】このように構成された光素子について、光
２１の有無による光２２の透過強度を調べた。まず、光
２１が無い場合には、光２２はＥＩＴ層２３で吸収され
るため、光２２の出力強度は入力に対して約１２％にま
で減少した。
【０３３７】次に、光２１を入れた場合は入力に対して
約６９％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と比較
して光２２は透過しやすくなることが確かめられた。
【０３３８】図３１に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１への 3Ｈ4 （ｂ）→ 1Ｄ2 遷移の
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、光２１の光
子エネルギーω1 はおよそ１６６３０ｃｍ-1である。
【０３３９】図３１より、ω2 −ω1 が準位２、３間の
準位間エネルギーの中心値ω23と一致する光子エネルギ
ー〜０．０７ｃｍ-1で、光２２の吸収は大きく減少する
ことが分かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来
することが理解される。
【０３４０】（比較例５）ＬａＣｌ3 に印加する電圧の
値をゼロに変えた以外は、第７の実施形態と全く同様の
構成の光変調素子を用いて光２１の有無による光２２の
透過強度を調べた。なお、ω2 −ω1 は第７の実施形態
と同様、０．０７ｃｍ-1に調整してある。まず、光２１
が無い場合については、第７の実施形態の場合と同様、
光２２の出力強度は入力に対して約１２％にまで減少し
た。次に、光２１を入れた場合、今度は第７の実施形態
とは異なり、入力に対してやはり１２％程度の出力強度
しか得られなかった。以上の結果から、本比較例では光
２１の有無によらず、光２２はほとんど透過しないこと
が分かった。
【０３４１】図２９に示したエネルギー準位図からも分
かるように、電圧がゼロの場合には大多数のＰｒ3+不純
物でΔω1 ＝Δω2 が成立していない。このため、２本
の光を入力してもＥＩＴ層で吸収されてしまうため、出
力強度が増加しなかったことが分かる。
【０３４２】以上のことから、電圧印加により準位間エ
ネルギー分布の制御を行うと、光で結ばれない準位間に
関して極めて小さな不均一広がりを設定することがで
き、したがって良好なＥＩＴ特性を得られることが理解
される。
【０３４３】（第８の実施形態）本実施形態の光変調素
子は、図２４に示した光変調素子をより具体化した例で
ある。すなわち、本実施形態では、ＥＩＴ層２３の材料
としてＥｕ3+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＹ
2 Ｏ3 を用いている。また、光２１，２２としては光子
エネルギーω1 、ω2 がともに〜１９０２５ｃｍ-1の色
素レーザー光を用い、フォトダイオード２９，３０とし
てはＳｉフォトダイオードを用いている。また、電源２
６としては直流電源装置を用いている。
【０３４４】エネルギー準位としては、Ｙ2 Ｏ3 に電場
を印加した際のＥｕ3+不純物のエネルギー準位を用い、
具体的には、図３２に示すように、一番上の準位１と真
ん中の準位２には 5Ｄ1 準位を用い、一番下の準位３に
は 7Ｆ0 準位を選択した。
【０３４５】電圧がゼロの場合には 5Ｄ1 準位は３重に
縮退しているが、電圧印加時には２つの準位に分裂す
る。準位１と準位２には、この 5Ｄ1 準位から分裂した
5Ｄ1（ａ）準位と 5Ｄ1 （ｂ）準位の２つの準位を用
いた。なお、 7Ｆ0 準位は１重項である。
【０３４６】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位に関して、 5Ｄ1 （ａ）・ 7Ｆ0準位間と 5Ｄ
1 （ｂ）・ 7Ｆ0 準位間をＶ型に光励起した。
【０３４７】光２１の光子エネルギーω1 には準位２、
３間の 7Ｆ0 → 5Ｄ1 （ｂ）遷移に対応するものを選
び、光２２の光子エネルギーω2 には準位１、３間の 7
Ｆ0 →5Ｄ1 （ａ）遷移に対応するものを選択した。
【０３４８】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 ーω1 が準位１、２間の準位間エネルギーの中心値ω
12と一致するように調整した。なお、ＥＩＴ層２３に入
力する光２１，２２の強度はともに１Ｗとした。
【０３４９】図３３は、 7Ｆ0 準位から 5Ｄ1 準位にレ
ーザー光で光励起を行い、さらに一定の波長を持つマイ
クロ波を照射した状態で、印加電圧を変化させながら分
裂した 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ1 （ｂ）準位間のマイクロ波
吸収を測定し、電圧に依存してω12の値がどの様に変化
するかを調べた結果を示す。
【０３５０】なお、横軸は電界強度Ｅで整理し直してあ
る。また、図３３には、 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ1 （ｂ）準
位間のマイクロ波吸収に関する典型的な吸収スペクトル
を示してある。
【０３５１】本実施形態の光素子では、ω12＝０．１２
ｃｍ-1を選択している。これより、Ｙ2 Ｏ3 には〜７×
１０4 Ｖ／ｃｍの電界強度がかかるように印加電圧の値
を設定した。
【０３５２】スペクトル線幅は 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ
1 （ｂ）準位間の不均一広がりに対応し、その値はおよ
そ０．００３ｃｍ-1であった。このことから、電圧印加
によって分裂した準位を利用することにより、光で結ば
れない準位間に小さな不均一広がりを持つＶ型３準位系
を設定できることが分かる。
【０３５３】このように構成された光素子について、光
２１の有無による光２２の透過強度を調べた。まず、光
２１が無い場合は光２２はＥＩＴ層２３で吸収されるた
め、光２２の出力強度は入力に対して約１５％にまで減
少した。
【０３５４】次に、光２１を入れた場合は入力に対して
約８１％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と比較
して光２２は透過しやすくなることが確かめられた。
【０３５５】図３４に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１への 7Ｆ0 → 5Ｄ1 （ａ）遷移の
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、光２１の光
子エネルギーω1 はおよそ１９０２５ｃｍ-1である。
【０３５６】図３４より、ω2 −ω1 が準位１、２間の
準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネルギ
ー〜０．１２ｃｍ-1で、光２の吸収は大きく減少するこ
とが分かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来す
ることが理解される。
【０３５７】（比較例６）Ｙ2 Ｏ3 に印加する電圧の値
をゼロに変えた以外は、本実施形態と全く同様の構成の
光変調素子を用いて光２１の有無による光２２の透過強
度を調べた。なお、ω2 −ω1 は本実施形態と同様、
０．１２ｃｍ-1に調整してある。
【０３５８】まず、光２１が無い場合については、第７
の実施形態と同様、光２２の出力強度は入力に対して約
１５％にまで減少した。一方、光２１を入れた場合、今
度は第７の実施形態とは異なり入力に対してやはり１５
％程度の出力強度しか得られなかった。以上の結果か
ら、本比較例では光２１の有無によらず、光２２はほと
んど透過しないことが分かった。
【０３５９】図３２に示したエネルギー準位図からも分
かるように、電圧がゼロの場合には大多数のＥｕ3+不純
物でΔω1 ＝Δω2 が成立していない。このため、２本
の光を入力してもＥＩＴ層で吸収されてしまうため、出
力強度が増加しなかったことが分かる。
【０３６０】以上のことから、電圧印加により準位間エ
ネルギー分布の制御を行うと、光で結ばれない準位間に
関して極めて小さな不均一広がりを設定することがで
き、したがって良好なＥＩＴ特性を得られることが理解
される。
【０３６１】（第９の実施形態）本実施形態の光変調素
子は、図２４に示した光変調素子をより具体化した例で
ある。すなわち、本実施形態では、ＥＩＴ層２３の材料
としてＳｍ2+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＢ
ａＣｌＦを用いている。また、光２１，２２としては光
子エネルギーω1 、ω2 がともに〜１５８７０ｃｍ-1の
色素レーザー光を用い、フォトダイオード２９，３０と
してはＳｉフォトダイオードを用いている。また、電源
６としては直流電源装置を用いている。
【０３６２】エネルギー準位としては、ＢａＣｌＦに電
場を印加した際のＳｍ2+不純物のエネルギー準位を用
い、具体的には、図３５に示すように、一番上の準位１
と真ん中の準位２には 5Ｄ1 準位を用い、一番下の準位
３には 7Ｆ0 準位を選択した。電圧がゼロの場合には 5
Ｄ1 準位は３重に縮退しているが、電圧印加時には２つ
の準位に分裂する。準位１と準位２には、この 5Ｄ1 準
位から分裂した 5Ｄ1（ａ）準位と 5Ｄ1 （ｂ）準位の
２つの準位を用いた。なお、 7Ｆ0 準位は１重項であ
る。
【０３６３】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位に関して、 5Ｄ1 （ａ）・ 7Ｆ0準位間と 5Ｄ
1 （ｂ）・ 7Ｆ0 準位間をＶ型に光励起した。
【０３６４】光２１の光子エネルギーω1 には準位２、
３間の 7Ｆ0 → 5Ｄ1 （ｂ）遷移に対応するものを選
び、光２２の光子エネルギーω2 には準位１、３間の 7
Ｆ0 →5Ｄ1 （ａ）遷移に対応するものを選択した。
【０３６５】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 ーω1 が準位１、２間の準位間エネルギーの中心値ω
12と一致するように調整した。なお、ＥＩＴ層３に入力
する光２１，２２の強度はともに１Ｗとした。
【０３６６】図３６は、 7Ｆ0 準位から 5Ｄ1 準位にレ
ーザー光で光励起を行い、さらに一定の波長を持つマイ
クロ波を照射した状態で、印加電圧を変化させながら分
裂した 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ1 （ｂ）準位間のマイクロ波
吸収を測定し、電圧に依存してω12の値がどの様に変化
するかを調べた結果を示す。
【０３６７】なお、横軸は電界強度Ｅの２乗で整理し直
してある。また、図３７には、 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ
1 （ｂ）準位間のマイクロ波吸収に関する典型的な吸収
スペクトルも示してある。
【０３６８】本実施形態の素子では、ω12としては０．
０６ｃｍ-1を選択している。これより、ＢａＣｌＦには
〜３×１０4 Ｖ／ｃｍの電界強度がかかるように印加電
圧の値を設定した。
【０３６９】スペクトル線幅は 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ
1 （ｂ）準位間の不均一広がりに対応し、その値はおよ
そ０．００９ｃｍ-1であった。このことから、電圧印加
によって分裂した準位を利用することにより、光で結ば
れない準位間に小さな不均一広がりを持つＶ型３準位系
を設定できることが分かる。
【０３７０】このように構成された光素子について、光
２１の有無による光２２の透過強度を調べた。まず、光
２１が無い場合は光２２はＥＩＴ層２３で吸収されるた
め、光２２の出力強度は入力に対して約１０％にまで減
少した。
【０３７１】次に、光２１を入れた場合は入力に対して
約７７％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と比較
して光２２は透過しやすくなることが確かめられた。
【０３７２】図３７に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１への 7Ｆ0 → 5Ｄ1 （ａ）遷移の
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、光２１の光
子エネルギーω1 はおよそ１５８７０ｃｍ-1である。
【０３７３】図３７より、ω2 −ω1 が準位１、２間の
準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネルギ
ー〜０．０６ｃｍ-1で、光２２の吸収は大きく減少する
ことが分かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来
することが理解される。
【０３７４】（比較例７）ＢａＣｌＦに印加する電圧の
値をゼロに変えた以外は、第９の実施形態と全く同様の
構成の光変調素子を用いて光２１の有無による光２２の
透過強度を調べた。なお、ω2 −ω1 は第８の実施形態
と同様、０．０６ｃｍ-1に調整してある。まず、光２１
が無い場合については、第９の実施形態の場合と同様、
光２２の出力強度は入力に対して約１０％にまで減少し
た。一方、光２１を入れた場合、今度は第９の実施形態
とは異なり、入力に対してやはり１０％程度の出力強度
しか得られなかった。以上の結果から、本比較例では光
２１の有無によらず、光２２はほとんど透過しないこと
が分かった。
【０３７５】図３５に示したエネルギー準位図からも分
かるように、電圧がゼロの場合には大多数のＳｍ2+不純
物でΔω1 ＝Δω2 が成立していない。このため、２本
の光を入力してもＥＩＴ層で吸収されてしまうため、出
力強度が増加しなかったことが分かる。
【０３７６】以上のことから、電圧印加により準位間エ
ネルギー分布の制御を行うと、光で結ばれない準位間に
関して極めて小さな不均一広がりを設定することがで
き、したがって良好なＥＩＴ特性を得られることが理解
される。
【０３７７】（第１０の実施形態）図３８は、本発明の
第１０の実施形態に係わる光変調素子を模式的に示した
図である。
【０３７８】この光変調素子は、大きく分けて、２本の
光２１，２２の透過強度を変調するＥＩＴ層２３と、こ
のＥＩＴ層２３を挟む２枚の電磁石１１，１２と、これ
ら電磁石１１，１２の間に電圧を印加してＥＩＴ層２３
に与えられる外場としての磁場の大きさを制御するため
の図示しない電源と、ＥＩＴ層２３に光２１，２２をそ
れぞれ入力する光ファイバー２７，２８と、ＥＩＴ層２
３から出力された２本の光の透過強度をそれぞれ測定す
るフォトダイオード２９，３０とから構成されている。
【０３７９】なお、光ファイバー２７，２８からそれぞ
れ出された光２１，２２のうち、Λ型励起では準位１、
２間を励起する光２１、Ｖ型励起では準位２、３間を励
起する光２１がＥＩＴ層２３の全体を照射する。また、
ＥＩＴ層２３に照射する２本の光２１，２２はともにレ
ーザー光である。
【０３８０】本実施形態では、ＥＩＴ層２３の材料とし
てＥｒ3+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＹ3 Ａ
ｌ5 Ｏ12を用いている。また、光２１，２２としては光
子エネルギーω1 、ω2 がともに〜１８０３０ｃｍ-1の
色素レーザー光を用い、フォトダイオード２９，３０と
してはＳｉフォトダイオードを用いている。
【０３８１】エネルギー準位としては、Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12
に磁場を印加した際のＥｒ3+不純物のエネルギー準位を
用い、具体的には、図３９に示すように、一番上の準位
１には 4Ｓ3/2 準位を用い、真ん中の準位２と一番下の
準位３には 4Ｉ15/2準位の中でも結晶場により分裂した
4Ｉ15/2（Ｚ１）準位を選択した。
【０３８２】磁場がゼロの場合には 4Ｉ15/2（Ｚ１）準
位は２重に縮退しているが、磁場印加時にはこの縮退は
解けて分裂する。準位２と準位３には、この 4Ｉ
15/2（Ｚ１）準位から分裂した 4Ｉ15/2（ａ）準位と 4
Ｉ15/2（ｂ）準位の２つの準位を用いた。なお、 4Ｓ
3/2 準位には４つのエネルギー準位が存在するが、この
中でも最もエネルギーの低い準位を用いた。
【０３８３】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位に関して、 4Ｓ3/2 ・ 4Ｉ15/2（ａ）準位間と 4Ｓ
3/2 ・ 4Ｉ15/2（ｂ）準位間をΛ型に光励起した。
【０３８４】光２１の光子エネルギーω1 には準位１、
２間の 4Ｉ15/2（ａ）→ 4Ｓ3/2 遷移に対応するものを
選び、光２２の光子エネルギーω2 には準位１、３間の
4Ｉ15/2（ｂ）→ 4Ｓ3/2 遷移に対応するものを選択し
た。
【０３８５】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 ーω1 が準位２、３間の準位間エネルギーの中心値ω
23と一致するように調整した。なお、ＥＩＴ層２３に入
力する光２１，２２の強度はともに１Ｗとした。
【０３８６】図４０は、一定の波長を持つマイクロ波を
照射した状態で、外部磁場の大きさを変化させながら分
裂した 4Ｉ15/2（ａ）・ 4Ｉ15/2（ｂ）準位間のマイク
ロ波吸収を測定し、磁場電圧に依存してω23の値がどの
様に変化するかを調べた結果を示す。
【０３８７】なお、図４０には、 4Ｉ15/2（ａ）・ 4Ｉ
15/2（ｂ）準位間のマイクロ波吸収に関する典型的な吸
収スペクトルも示してある。
【０３８８】本実施形態の素子では、ω23＝０．３ｃｍ
-1を選択している。これより、Ｙ3Ａｌ5 Ｏ12に〜３０
０ｍＴの磁場がかかるように電磁石１１，１２を操作し
た。スペクトル線幅は 4Ｉ15/2（ａ）・ 4Ｉ15/2（ｂ）
準位間の不均一広がりに対応し、その値はおよそ０．０
３ｃｍ-1であった。このことから、磁場印加によって分
裂した準位を利用することにより、光で結ばれない準位
間に小さな不均一広がりを持つΛ型３準位系を設定でき
ることが分かる。
【０３８９】このように構成された光素子について、光
２１の有無による光２２の透過強度を調べた。まず、光
２１が無い場合には、光２２はＥＩＴ層２３で吸収され
るため、光２２の出力強度は入力に対して約６％にまで
減少した。
【０３９０】次に、光２１を入れた場合には、入力に対
して約８４％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と
比較して光２２は透過しやすくなることが確かめられ
た。
【０３９１】図４１に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１への 4Ｉ15/2（ｂ）→ 4Ｓ3/2 遷
移の吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、光２１
の光子エネルギーω1 はおよそ１８０３０ｃｍ-1であ
る。
【０３９２】図４１より、ω2 −ω1 が準位２、３間の
準位間エネルギーの中心値ω23と一致する光子エネルギ
ー〜０．３ｃｍ-1で、光２２の吸収は大きく減少するこ
とが分かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来す
ることが理解される。
【０３９３】（比較例８）Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12に印加する外
部磁場の値をゼロに変えた以外は、第１０の実施形態と
全く同様の構成の光変調素子を用いて光２１の有無によ
る光２２の透過強度を調べた。なお、ω2 −ω1 は第６
の実施形態と同様、０．３ｃｍ-1に調整してある。
【０３９４】まず、光２１が無い場合については、第１
０の実施形態と同様、光２２の出力強度は入力に対して
約６％にまで減少した。一方、光２１を入れた場合、今
度は第１０の実施形態とは異なり、入力に対してやはり
６％程度の出力強度しか得られなかった。以上の結果か
ら、本比較例では、光２１の有無によらず、光２２はほ
とんど透過しないことが分かった。
【０３９５】図３９に示したエネルギー準位図からも分
かるように、磁場の大きさがゼロの場合には大多数のＥ
ｒ3+不純物でΔω1 ＝Δω2 が成立していない。このた
め、２本の光を入力してもＥＩＴ層で吸収されてしまう
ため、出力強度が増加しなかったことがわかる。
【０３９６】以上のことから、外部磁場を印加すること
によって準位間エネルギー分布の制御を行うと、光で結
ばれない準位間に関して極めて小さな不均一広がりを設
定することができ、したがって良好なＥＩＴ特性を得ら
れることが理解される。
【０３９７】（第１１の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図３８に示した光変調素子をより具体化した例
である。すなわち、ＥＩＴ層２３として、ＩｎＡｓ層、
ＧａＳｂ層の層厚ともに１０ｎｍで、超格子全体の厚み
が２μｍであるＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を用いてい
る。図４２にここで用いたＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子３
０の断面図を示す。また、光２１，２２としては光子エ
ネルギーω1 、ω2 がともに１００ｃｍ-1程度の水蒸気
レーザ光を用い、さらにＥＩＴ層２３から出力された２
本の光の強度を、フォトダイオードに変えて２個のカー
ボンボロメータでそれぞれ測定する構成とした。
【０３９８】なお、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子３０への
磁場印加は電磁石３１，３２を操作することにより行な
った。また、磁場は超格子に対して垂直方向に印加し
た。また、超格子３０はＧａＳｂ基板３３上に形成し
た。
【０３９９】エネルギー準位としては、ＩｎＡｓ／Ｇａ
Ｓｂ超格子３０に磁場を印加した際の量子準位を用い、
具体的には、図４３に示すように、一番上の準位１と真
ん中の準位２にはＩｎＡｓ層中のＥ1 準位を用い、一番
下の準位３にはＧａＳｂ層中のＨ1 準位を選択した。磁
場がゼロの場合にはＥ1 準位、Ｈ1 準位はそれぞれ縮退
しているが、磁場を超格子に対して垂直方向に印加した
場合は各準位は完全に離散的なランダウ準位に分裂す
る。準位１と準位２には、このＥ1 準位から分裂したＥ
1 （Ｎ＝１６）準位とＥ1 （Ｎ＝１５）準位の二つの準
位を用い、準位３にはＨ1 準位から分裂したＨ1 （Ｎ＝
１６）準位を用いた。
【０４００】これより、本光変調素子ではこの三つの準
位に関して、Ｅ1 （Ｎ＝１６）・Ｈ1 （Ｎ＝１６）準位
間とＥ1 （Ｎ＝１５）・Ｈ1 （Ｎ＝１５）準位間をＶ型
に光励起した。
【０４０１】光２１の光子エネルギーω1 には準位２・
３間のＨ1 （Ｎ＝１６）→Ｅ1 （Ｎ＝１５）遷移に対応
するものを選び、光２２の光子エネルギーω2 には準位
１・３間のＨ1 （Ｎ＝１６）→Ｅ1 （Ｎ＝１６）遷移に
対応するものを選択した。
【０４０２】この時の光子エネルギーω1 、ω2 は、ω
2 −ω1 が準位間エネルギーの中心値ω12と一致するよ
うに調整した。なお、ＥＩＴ層２３に入力する光１１，
１２の強度はともに１Ｗとした。ここで、Ｅ1 準位（Ｈ
1 準位）から分裂したランダウ準位（Ｎ＝０，１，２，
３，．．．，１５，１６，．．．）では、隣り合う準位
間の準位間エネルギーはＮによらず一定で、また、その
大きさは磁場の強さに比例して増加する。
【０４０３】図４４は、遠赤外光を用いた電子に対する
サイクロトロン共鳴の実験からＥ1に関するランダウ準
位間の準位間エネルギーの磁場依存性を求め、磁場電圧
に依存してω12の値がどの様に変化するかを調べた結果
を示す。なお、図４４には、〜１Ｔの磁場を印加した際
のＥ1 （Ｎ＝１１）・Ｅ1 （Ｎ＝１２）準位間のサイク
ロトロン共鳴に関するスペクトルも示してある。
【０４０４】本実施形態の光変調素子では、ω12＝１０
ｃｍ-1を選択している。これより、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ
超格子３０に〜１Ｔの磁場がかかるように電磁石３１，
３２を操作した。
【０４０５】スペクトル線幅はＥ1 （Ｎ＝１１）・Ｅ1
（Ｎ＝１２）準位間の不均一広がりに対応し、その値は
およそ０．５ｃｍ-1であった。先にも述べたように、ラ
ンダウ準位間の準位間エネルギーはＮによらず一定であ
るため、〜１Ｔの磁場印加時におけるＥ1 （Ｎ＝１５）
・Ｅ1 （Ｎ＝１６）準位間の不均一広がりもまた０．５
ｃｍ-1程度である。
【０４０６】このことから、磁場印加によって分裂した
準位を利用することにより、光で結ばれない準位間に小
さな不均一広がりを持つＶ型３準位系を設定できること
が分かる。
【０４０７】このように構成された光変調素子につい
て、光２１の有無による光２２の透過強度を調べた。ま
ず、光２１が無い場合は光２２はＥＩＴ層２３で吸収さ
れるため、光２２の出力強度は入力に対して約３６％に
まで減少した。
【０４０８】次に、光２１を入れた場合は入力に対して
約９１％の出力強度が得られ、光２１が無い場合と比較
して光２２は透過しやすくなることが確かめられた。
【０４０９】図４５に、光２１の光子エネルギーω1 は
固定した状態で、光２２の光子エネルギーω2 を変えな
がら準位３から準位１へのＨ1 （Ｎ＝１６）→Ｅ1 （Ｎ
＝１６）遷移の吸収スペクトルを調べた結果を示す。な
お、光２１の光子エネルギーω1 はおよそ１００ｃｍ-1
である。
【０４１０】図４５より、ω2 −ω1 が準位１、２間の
準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネルギ
ー〜１０ｃｍ-1で、光２２の吸収は大きく減少すること
が分かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来する
ことが理解される。
【０４１１】ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子３０に印加する
外部磁場の値をゼロに変えた以外は、第９の実施形態と
全く同様の構成の光変調素子を用いて光２１の有無によ
る光２２の強度透過を調べた。なおω2 −ω1 は第１１
の実施形態と同様、１０ｃｍ-1に調整してある。
【０４１２】まず、光２１が無い場合については、第１
１の実施形態と同様、光２２の出力強度は入力に対して
約３６％にまで減少した。一方、光２１を入れた場合、
今度は第１１の実施形態とは異なり入力に対してやはり
３６％程度の出力強度しか得られなかった。以上の結果
から、本比較例では光２１の有無によらず、光２２はほ
とんど透過しないことが分かった。
【０４１３】図４３に示したエネルギー準位図からも分
かるように、磁場の大きさがゼロの場合にはランダウ準
位が形成されず、Δω1 ＝Δω2 が成立していない。こ
のため、２本の光を入力しても出力強度が増加しなかっ
たことが分かる。
【０４１４】以上のことより、外部磁場を印加すること
によって準位間エネルギー分布の制御を行うと、光で結
ばれない準位間に関して極めて小さな不均一広がりを設
定することができ、したがって良好なＥＩＴ特性を得ら
れることが理解される。
【０４１５】（第１２の実施形態）図４６は、本発明の
第１２の実施形態に係わる光変調素子を模式的に示す図
である。
【０４１６】この光変調素子は、量子井戸、量子細線、
量子箱等の量子構造を有し、シグナル光５１の透過強度
を変調するＥＩＴ層５２と、このＥＩＴ層５２に接して
設けられ、ＥＩＴ層５２にゲート光５３を入力する半導
体レーザー（不図示）と、ＥＩＴ層５２にシグナル光５
１を導いて入力する光ファイバー５４と、ＥＩＴ層５２
から出力されたシグナル光５１の強度を測定するフォト
ダイオード５５と、ＥＩＴ層５２から出力されたゲート
光５３の強度を測定するフォトダイオード５６とから構
成されている。
【０４１７】なお、ＥＩＴ層５２には支持体５０が設け
られている。また、上記半導体レーザーから出されるゲ
ート光５３は光ファイバー５７によりＥＩＴ層５２に導
かれ、ＥＩＴ層５２の全体を照射するようになってい
る。また、シグナル光５１はレーザー光である。
【０４１８】図４７は、ＥＩＴ層５２中のエネルギー準
位とゲート光５３，シグナル光５１との関係を模式的に
示したものである。
【０４１９】図４７（ａ）に示すΛ型励起の場合、ＥＩ
Ｔ層５２に用いる材料としては、準位２・準位３間の準
位間エネルギーの標準偏差σ23が、準位１・準位２間の
準位間エネルギーの標準偏差σ12、準位１・準位３間の
準位間エネルギーの標準偏差σ13に対して、σ23≦σ12
およびσ23≦σ13を満足する系を選択する。
【０４２０】ここで、σ12、σ13、σ23は次のように定
義されている。
【０４２１】 σ12＝｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2 σ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］2 ｝1/2 ただし、ＮはＥＩＴ層５２中の量子構造の総数、ω
12（ｉ）はｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の量子構造の量子井戸
の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、
ω13（ｉ）はｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の量子構造の量子井
戸の第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
ー、ω23（ｉ）はｉ番目（ｉ＝１〜Ｎ）の量子構造の量
子井戸の第２の準位と第３の準位との間の準位間エネル
ギー、＜ω12＞はＮ個全ての量子構造の量子井戸につい
てのω12（ｉ）の平均値、＜ω13＞はＮ個全ての量子構
造の量子井戸についてのω13（ｉ）の平均値、＜ω23＞
はＮ個全ての量子構造の量子井戸についてのω23（ｉ）
の平均値である。
【０４２２】さらに、ゲート光５３が準位１・準位２間
を励起し、シグナル光５１が準位１・準位３間を励起
し、かつゲート光５３、シグナル光５１の光子エネルギ
ーをそれぞれω1 、ω2 とし、準位２・準位３間のエネ
ルギー差の中心値をω23としたときに、ゲート光５３、
シグナル光５１がω2 −ω1 ＝ω23を満足するようにす
る。
【０４２３】この様な条件を満足させることにより、Ｅ
ＩＴ層５２にゲート光５３およびシグナル光５１が照射
されているときには、ＥＩＴ層５２中の大部分の擬原子
はΔω1 ＝Δω2 を満足する。
【０４２４】したがって、ゲート光５３が無いときには
シグナル光５１はＥＩＴ層５２で吸収されてほとんど透
過しないが、ゲート光５３が有るときにはＥＩＴ層５２
でのシグナル光５１の吸収が抑制されるため、大きな光
出力が得られる。
【０４２５】一方、図４７（ｂ）に示すＶ型励起の場
合、ＥＩＴ層５２に用いる材料としては、準位１・準位
２間の準位間エネルギーの標準偏差σ12が、準位１・準
位３間の準位間エネルギーの標準偏差σ13，準位２・３
間の準位間エネルギーの標準偏差σ23に対して、σ12≦
σ13およびσ12≦σ23を満足する系を選択する。
【０４２６】さらに、ゲート光５３が準位２・準位３間
を励起し、シグナル光５１が準位１・準位３間を励起
し、かつゲート光５３、シグナル光５１の光子エネルギ
ーをそれぞれω1 、ω2 とし、準位１・準位２間のエネ
ルギー差の中心値をω12としたときに、ゲート光５３、
シグナル光５１がω2 −ω1 ＝ω12を満足するようにす
る。
【０４２７】このような条件を満足させることにより、
ＥＩＴ層５２にゲート光５３およびシグナル光５１が照
射されているときには、ＥＩＴ層５２中の大部分の擬原
子がΔω1 ＝Δω2 を満足する。
【０４２８】したがって、ゲート光５３が無いときには
シグナル光５１はＥＩＴ層５２で吸収されてほとんど透
過しないが、ゲート光５３が有るときにはＥＩＴ層５２
でのシグナル光５１の吸収が抑制されるため、大きな光
出力が得られる。
【０４２９】なお、実際の系では３準位の中で光で結ば
れない２準位に関して、まず、準位間エネルギーを求
め、この値を基にゲート光５３、シグナル光５１のそれ
ぞれの光子エネルギーω1 ，ω2 を決定しなければなら
ない。
【０４３０】この光で結ばれない準位間の遷移は本来禁
制であるため通常の光吸収や蛍光測定では観測が難しい
が、２光子吸収等を利用すれば正確な準位間エネルギー
や不均一広がりの大きさなども実験的に決定することが
可能である。
【０４３１】（第１３の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図４６に示した光変調素子をより具体化した例
である。すなわち、本実施形態の光変調素子は、ＥＩＴ
層５２としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を用い、ゲ
ート光５３の光源およびシグナル光５１の光源として色
素レーザーを用い、フォトダイオード５５，５６として
Ｓｉフォトダイオードを用いた構成となっている。
【０４３２】図４８に、本実施形態で用いたＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ超格子の断面構造を示す。
【０４３３】ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子はＧａＡｓ
基板上に形成されており、量子井戸層であるＧａＡｓ層
の厚みは３０ｎｍ、量子障壁層であるＡｌＧａＡｓ層の
厚みは３０ｎｍである。また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
超格子の全体の厚さは６μｍである。
【０４３４】本実施形態では、このように量子障壁層を
厚くすることで、量子井戸間の電子的な結合を抑え、エ
ネルギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制し
ている。また、ＧａＡｓ基板による光吸収を抑制するた
めに、一部基板をエッチングして、超格子にのみ光が照
射するようにしてある。なお、不純物のドーピングは行
なっていない。
【０４３５】３つのエネルギー準位としては、ＧａＡｓ
層中の準位を用い、図４９に示すように、一番上の準位
１には伝導帯中のＥe2準位、真ん中の準位２と一番下の
準位３には価電子帯中のＥhh1 準位とＥ1h1 準位をそれ
ぞれ選択した。
【０４３６】これより、本実施形態では、上記３つの準
位に関して、Ｅe2・Ｅhh1 準位間とＥe2・Ｅ1h1 準位間
をΛ型に光励起した。ゲート光の光子エネルギーω1 に
は準位１・２間のＥhh1 →Ｅe2遷移に対応するものを選
び、シグナル光の光子エネルギーω2 には準位１・３間
のＥ1h1 →Ｅe2遷移に対応するものを選択した。
【０４３７】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位２・準位３間の準位間エネルギーの中
心値ω23と一致するように調整した。なお、ゲート光の
強度は１Ｗ、また、ＥＩＴ層に入力するシグナル光の強
度は１ｍＷとした。
【０４３８】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０４３９】その結果、ゲート光が無い場合は、シグナ
ル光はＥＩＴ層で吸収され、シグナル光の出力強度は、
シグナル光の入力強度の約３％となり、低い値にまで減
少した。
【０４４０】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約４５％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過
しやすくなることを確認した。
【０４４１】図５０に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）を固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 （周波数）を変えながら、準位３から準位１へ
の吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、光子エネ
ルギーω1 は１４０８５．４９８９ｃｍ-1である。
【０４４２】図５０より、ω2 −ω1 が準位２・準位３
間の準位間エネルギーの中心値ω23と一致する光子エネ
ルギー付近で、シグナル光の光吸収は大きく減少するこ
とがわかる。このことから、本現象がＥＩＴに由来する
ことが理解される。
【０４４３】（第１４の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図４６に示した光変調素子をより具体化した例
である。すなわち、本実施形態の光変調素子は、ＥＩＴ
層５２としてＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子を用い、ゲ
ート光５３の光源およびシグナル光５１の光源として色
素レーザーを用い、フォトダイオード５５，５６として
Ｓｉフォトダイオードを用いた構成となっている。
【０４４４】図５１に、本実施形態で用いたＩｎＧａＮ
／ＡｌＧａＮ超格子の断面構造を示す。
【０４４５】ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子はサファイ
ア基板上に形成されており、量子井戸層であるＩｎＧａ
Ｎ層の厚みは３０ｎｍ、量子障壁層であるＡｌＧａＮ層
の厚みは３０ｎｍである。また、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａ
Ｎ超格子の全体の厚さは６μｍである。また、基板によ
る光吸収を抑制するために、一部基板をエッチングし
て、超格子にのみ光が照射するようにしてある。
【０４４６】本実施形態では、このように量子障壁層を
厚くすることで量子井戸間の電子的な結合を抑え、エネ
ルギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制して
いる。なお、不純物のドーピングは行なっていない。
【０４４７】３つのエネルギー準位としてはＩｎＧａＮ
層中の準位を用い、図５２に示すように、一番上の準位
１と真ん中の準位２には伝導帯中のＥe2準位とＥe1準
位、一番下の準位３には価電子帯中のＥhh3 準位をそれ
ぞれ選択した。
【０４４８】これより、本実施形態では、上記３つの準
位に関して、Ｅe1・Ｅhh3 準位間とＥe2・Ｅhh3 準位間
をＶ型に光励起した。ゲート光の光子エネルギーω1 に
は準位２・３間のＥhh3 →Ｅe1遷移に対応するものを選
び、シグナル光の光子エネルギーω2 には準位１・３間
のＥhh3 →Ｅe2遷移に対応するものを選択した。
【０４４９】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位１・準位２間の準位間エネルギーの中
心値ω12と一致するように調整した。なお、ゲート光の
強度は１Ｗ、また、ＥＩＴ層に入力するシグナル光の強
度は１ｍＷとした。
【０４５０】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０４５１】その結果、ゲート光が無い場合はシグナル
光はＥＩＴ層で吸収されるため、シグナル光の出力強度
は、シグナル光の入力強度の約３％となり、低い値にま
で減少した。
【０４５２】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約４５％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過
しやすくなることを確認した。
【０４５３】図５３に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）を固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 （周波数）を変えながら、準位３から準位１へ
の吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、ゲート光
の周波数ω1 は２８１２２．５４８７ｃｍ-1である。
【０４５４】図５３より、ω2 −ω1 が準位１・準位２
間の準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネ
ルギー付近で、シグナル光の光吸収は大きく減少するこ
とがわかった。このことから、本現象がＥＩＴに由来す
ることが理解される。
【０４５５】（第１５の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図４６に示した光変調素子をより具体化した例
である。すなわち、本実施形態の光変調素子は、ＥＩＴ
層５２としてＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子を用い、
ゲート光５３の光源およびシグナル光５１の光源として
色素レーザーを用い、フォトダイオード５５，５６とし
てＳｉフォトダイオードを用いた構成となっている。
【０４５６】図５４に、本実施形態で用いたＺｎＳｅ／
ＭｇＺｎＳｅＳ超格子の断面構造を示す。
【０４５７】ＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子はＺｎＳ
ｅ基板上に形成されており、量子井戸層であるＺｎＳｅ
層の厚みは３０ｎｍ、量子障壁層であるＭｇＺｎＳｅＳ
層の厚みは３０ｎｍである。また、ＺｎＳｅ／ＭｇＺｎ
ＳｅＳ超格子の全体の厚さは６μｍである。
【０４５８】本実施形態では、このように量子障壁層を
厚くすることで、量子井戸間の電子的な結合を抑え、エ
ネルギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制し
ている。なお、不純物のドーピングは行なっていない。
【０４５９】３つのエネルギー準位としてはＺｎＳｅ層
中の準位を用い、図５５に示すように、一番上の準位１
と真ん中の準位２には伝導帯中のＥe2準位とＥe1準位、
一番下の準位３には価電子帯中のＥhh3 準位をそれぞれ
選択した。
【０４６０】これより、本実施形態では、上記３つの準
位に関して、Ｅe1・Ｅhh3 準位間とＥe2・Ｅhh3 準位間
をＶ型に光励起した。ゲート光の光子エネルギーω1 に
は準位２・３間のＥhh3 →Ｅe1遷移に対応するものを選
び、シグナル光の光子エネルギーω2 には準位１・３間
のＥhh3 →Ｅe2遷移に対応するものを選択した。
【０４６１】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位１・準位２間の準位間エネルギーの中
心値ω12と一致するように調整した。なお、ゲート光の
強度は１Ｗ、また、ＥＩＴ層に入力するシグナル光の強
度は１ｍＷとした。
【０４６２】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０４６３】その結果、ゲート光が無い場合はシグナル
光はＥＩＴ層で吸収されるため、シグナル光の出力強度
は、シグナル光の入力強度の約３％となり、低い値にま
で減少した。
【０４６４】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約４５％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過
しやすくなることが確かめられた。
【０４６５】図５６に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）は固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 （周波数）を変えながら準位３から準位１への
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、ゲート光の
周波数ω1 は２５０６９．８２４７ｃｍ-1である。
【０４６６】図５６より、ω2 −ω1 が準位１・準位２
間の準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネ
ルギー付近で、ω2 の光吸収は大きく減少することがわ
かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来すること
が理解される。
【０４６７】（第１６の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図４６に示した光変調素子において、ＥＩＴ層
５２としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を用い、ゲー
ト光５３の光源およびシグナル光５１の光源として赤外
半導体レーザーを用い、そして、ＥＩＴ層５２の出力光
を測定するために、フォトダイオード５５，５６の代わ
りに、ＭＣＴ検出器を用いた構成となっている。
【０４６８】図５７に、本実施形態で用いたＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ超格子の断面構造を示す。
【０４６９】ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子はＧａＡｓ
基板上に形成されており、量子井戸層であるＧａＡｓ層
の厚みは３０ｎｍ、量子障壁層であるＡｌＧａＡｓ層の
厚みは３０ｎｍである。また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
超格子の全体の厚さは６μｍである。
【０４７０】本実施形態では、このように量子障壁層を
厚くすることで、量子井戸間の電子的な結合を抑え、エ
ネルギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制し
ている。なお、ドナー不純物であるＳｉをＡｌＧａＡｓ
層にドーピングすることでＧａＡｓ層の伝導帯に電子を
注入した。
【０４７１】３つのエネルギー準位としてはＧａＡｓ層
の伝導帯中の準位を用い、図５８に示すように、一番上
の準位１にはＥe3準位、真ん中の準位２にはＥe2準位、
一番下の準位３にはＥe1準位を選択した。
【０４７２】これより、本実施形態では、上記３つの準
位に関して、上記３つの準位に関して、Ｅe3・Ｅe2準位
間とＥe3・Ｅe1準位間をΛ型に光励起した。ゲート光の
光子エネルギーω1 には準位１・２間のＥe2→Ｅe3遷移
に対応するものを選び、シグナル光の光子エネルギーω
2 には準位１・３間のＥe1→Ｅe3遷移に対応するものを
選択した。
【０４７３】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位２・３間の準位間エネルギーの中心値
ω23と一致するように調整した。なお、ゲート光の強度
は１Ｗ、また、ＥＩＴ層に入力するシグナル光の強度は
１ｍＷとした。
【０４７４】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０４７５】その結果、ゲート光が無い場合はシグナル
光はＥＩＴ層で吸収されるため、シグナル光の出力強度
は入力に対して約１５％にまで減少した。
【０４７６】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度約５６％となり、
ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過しや
すくなることが確かめられた。
【０４７７】図５９に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）は固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 （周波数）を変えながら準位３から準位１への
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、ゲート光の
周波数ω1 は１０２４．５５８３ｃｍ-1である。
【０４７８】図５９より、ω2 −ω1 が準位２・準位３
間の準位間エネルギーの中心値ω23と一致する光子エネ
ルギー付近で、ω2 の光吸収は大きく減少することがわ
かった。このことから、本現象がＥＩＴに由来すること
が理解される。
【０４７９】（第１７の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図４６に示した光変調素子において、ＥＩＴ層
５２としてＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子を用いて、
ゲート光５３の光源およびシグナル光５１の光源として
赤外半導体レーザーを用い、そして、ＥＩＴ層５２の出
力光を測定するために、フォトダイオード５５，５６の
代わりに、ＭＣＴ検出器を用いた構成となっている。
【０４８０】図６０に、本実施形態で用いたＺｎＳｅ／
ＭｇＺｎＳｅＳ超格子の断面構造を示す。
【０４８１】ＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子はＺｎＳ
ｅ基板上に形成されており、量子井戸層であるＺｎＳｅ
層の厚みは３０ｎｍ、量子障壁層であるＭｇＺｎＳｅＳ
層の厚みは３０ｎｍである。また、ＺｎＳｅ／ＭｇＺｎ
ＳｅＳ超格子の全体の厚さは６μｍである。
【０４８２】本実施形態では、このように量子障壁層を
厚くすることで、量子井戸間の電子的な結合を抑え、エ
ネルギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制し
ている。なお、アクセプター性不純物であるＮをＺｎＳ
ｅ層にドーピングすることで価電子帯に正孔を注入し
た。
【０４８３】３つのエネルギー準位としてはＺｎＳｅ層
の価電子帯中の準位を用い、図６１に示すように、一番
上の準位１にはＥhh1 準位、真ん中の準位２にはＥlh1
準位、一番下の準位３にはＥhh2 準位を選択した。
【０４８４】これより、本光変調素子では、上記３つの
準位に関して、Ｅlh1 ・Ｅhh2 準位間をＶ型に光励起し
た。ゲート光の光子エネルギーω1 には準位２・３間の
Ｅhh 2 →Ｅlh1 遷移に対応するものを選び、シグナル光
の光子エネルギーω2 には準位１・３間のＥhh2 →Ｅ
hh1 遷移に対応するものを選択した。
【０４８５】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位１・２間の準位間エネルギーの中心値
ω12と一致するように調整した。なお、ゲート光の強度
は１Ｗ、また、ＥＩＴ層に入力するシグナル光の強度は
１ｍＷとした。
【０４８６】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過強度を調べ
た。
【０４８７】その結果、ゲート光が無い場合はシグナル
光はＥＩＴ層で吸収されるため、シグナル光の出力強度
は入力に対して約１１％にまで減少した。
【０４８８】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度約５１となり、ゲ
ート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過しやす
くなることが確かめられた。
【０４８９】図６２に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）は固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 （周波数）を変えながら準位３から準位１への
吸収スペクトルを調べた結果を示す。なお、ゲート光の
周波数ω1 は１１１５．６９０２ｃｍ-1である。
【０４９０】図６２より、ω2 −ω1 が準位１・準位２
間の準位間エネルギーの中心値ω12と一致する周波数付
近で、ω2 の光吸収は大きく減少することがわかった。
このことから、本現象がＥＩＴに由来することが理解さ
れる。
【０４９１】（第１８の実施形態）図４６に示した光変
調素子をより具体化した例である。すなわち、ＥＩＴ層
５２にはＳｉ／ＮｉＳｉ2 量子井戸、ゲート光５３の光
源およびシグナル光５１の光源として半導体レーザーを
用いている。また、ＥＩＴ層５２から出力されるシグナ
ル光５１の強度はＭＣＰにより測定されるようになって
いる。
【０４９２】図７０に、本実施形態で用いたＳｉ／Ｎｉ
Ｓｉ2 量子井戸の断面構造を示す。Ｓｉ／ＮｉＳｉ2 量
子井戸はＳｉ基板上に形成されており、量子井戸層であ
るＮｉＳｉ2 層の厚みは５ｎｍ、障壁層であるＳｉ層の
厚みは９５ｎｍである。
【０４９３】本実施形態では、このように障壁層を厚く
することで、量子井戸間の電子的な結合を抑え、エネル
ギー準位のボケにつながるサブバンド形成を抑制してい
る。なお、不純物としてＳｉ層にＢをドーピングし、Ｎ
ｉＳｉ2 層への正孔注入を行なった。
【０４９４】３つのエネルギー準位としては、ＮｉＳｉ
2 層中の準位を用い、図７１に示すように、一番上の準
位１にはＥh1準位、真ん中の準位２にはＥh2準位、一番
下の準位３にはＥh3準位をそれぞれ選択した。
【０４９５】なお、図７１に示されるとおり、ここでの
Ｅh1準位はＮｉＳｉ2 層のフェルミ準位よりも高エネル
ギー、Ｅh2準位およびＥh3準位はＮｉＳｉ2 層のフェル
ミ準位よりも低エネルギーの準位である。
【０４９６】これより、本光変調素子では、上記３つの
準位に関して、Ｅh1・Ｅh3準位間とＥh2・Ｅh3準位とを
Ｖ型に光励起した。ゲート光の光子エネルギーω1 には
準位２・３間のＥh3→Ｅh2遷移に対応するものを選び、
シグナル光の光子エネルギーω2 には準位１・３間のＥ
h3→Ｅh1に対応するものを選択した。
【０４９７】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位１・２間の準位間エネルギーの中心値
ω12と一致するように調整した。なお、ゲート光の強度
は１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するシグナル光の強度は１
ｍＷとした。
【０４９８】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０４９９】その結果、ゲート光が無い場合は、シグナ
ル光はＥＩＴ層で吸収され、シグナル光の出力強度は、
シグナル光の入力強度の約１２％となり、低い値にまで
減少した。
【０５００】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約５４％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光はは透
過しやすくなることを確かめられた。
【０５０１】図７２に、ゲート光の光子エネルギーω1
（周波数）を固定した状態で、シグナル光の光子エネル
ギーω2 を変えながら、準位３から準位１への吸収スペ
クトルを調べた結果を示す。なお、ゲート光の光子エネ
ルギーω1 は２８２３．７０１１ｃｍ-1である。
【０５０２】図７２より、ω2 −ω1 が準位１・２間の
準位間エネルギーの中心値ω12と一致する光子エネルギ
ー付近で、シグナル光の光吸収は大きく減少することが
わかった。このことから、本現象がＥＩＴに由来するこ
とが理解される。
【０５０３】（第１９の実施形態）本実施形態では、図
７に示した光変調素子において、ＥＩＴ層１１にはＣｅ
3+が不純物として１ｍｏｌ％分散しているＹＶＯ4 、ゲ
ート光源として半導体レーザーの第二高調波、入力シグ
ナル光Ｓinには色素レーザーの第二高調波をそれぞれ用
い、さらにＥＩＴ層１１から出力されるシグナル光の強
度を測定するフォトダイオード１４としてＳｉフォトダ
イオードを用いた構成とした。
【０５０４】まず、３つのエネルギー準位としてはＹＶ
Ｏ4 中のＣｅ3+の不純物準位を用い、図６７に示すよう
に一番上の準位１には電子配置(d) の 2Ｅ準位の中で結
晶場で分裂したＣ１位、真ん中の準位２には電子配置
(f) の2 Ｆ7/2 準位の中で同じく結晶場で分裂したＢ１
準位、一番下の準位３には基底状態である電子配置(f)
の 2Ｆ5/2 準位のうちやはり結晶場で分裂したＡ１準位
をそれぞれ選択した。
【０５０５】各準位の対称性は、 2Ｅ(c1)準位がΓ6 、
2Ｆ7/2 (b1)準位はΓ7 、 2Ｆ5/2(A1)準位もΓ7 であ
る。これより、準位１・２間の 2Ｆ7/2 (B1)→ 2Ｅ(C1)
遷移はΓ7 →Γ6 、準位１・３間の 2Ｆ5/2 （A1）→ 2
Ｅ(C1)遷移もΓ7 →Γ6 の遷移から構成され、準位２・
３間の 2Ｆ5/2 (A1)→ 2Ｆ7/2 (B1)遷移がΓ7 →Γ7の
遷移から構成されている。電気双極子遷移に関する光学
遷移の選択性からは、準位１・２間と準位１・３間の遷
移が許容で、準位２・３間の遷移が禁制となる。
【０５０６】これより、本光変調素子ではこの３つの準
位について、 2Ｆ5/2 (A1)・ 2Ｅ(C1)準位間と 2Ｆ7/2
(B1)・ 2Ｅ(C1)準位間をΛ型に光励起した。ゲート光の
光子エネルギーω1 は準位１・２間の 2Ｆ7/2 (B1)→ 2
Ｅ(C1)遷移に対応するものを選び、シグナル光の光子エ
ネルギーω2 は準位１・３間の 2Ｆ5/2 (A1)→ 2Ｅ(C1)
遷移に対応するものを選択した。
【０５０７】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位２・３間の準位間エネルギーの中心値
（２１９５ｃｍ-1）と一致するように調整した。なお、
ゲート光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するシ
グナル光の強度は１ｍＷとした。
【０５０８】以上の素子構成に基づいて、ゲート光の有
無によるシグナル光の透過光強度を調べた。まず、ゲー
ト光が無い場合はシグナル光はＥＩＴ層１１で吸収され
るため、シグナル光の出力強度は入力に対して約２％に
まで減少した。次に、ゲート光を入れた場合は入力に対
して約８１％の出力強度が得られ、ゲート光が無い場合
と比較してシグナル光は著しく透過しやすくなることが
確かめられた。
【０５０９】また、準位２として電子配置（ｆ）の 2Ｆ
7/2 (B1)準位に代わり、同じ電子配置（ｆ）であるが対
称性がΓ6 である 2Ｆ7/2 (B4)準位を用い、これに伴い
ゲート光の光子エネルギーω1 を準位１・２間の 2Ｆ
7/2 (B4)→ 2Ｅ(C1)遷移に対応するものに変えた以外
は、全く同様の構成の光変調素子を用いてゲート光の有
無によるシグナル光の透過光強度を調べた。なお、ω2
−ω1 は２４２８ｃｍ-1に調整してある。
【０５１０】まず、ゲート光が無い場合については、同
様にシグナル光の出力強度は入力に対して約２％にまで
減少した。次に、ゲート光を入れた場合には、入力に対
して約２４％の出力強度が得られ、ゲート光が無い場合
と比較してシグナル光は透過し易くなることが確かめら
れた。
【０５１１】なお以上より、準位１として電子配置
（ｄ）で特徴づけられる準位を用い、準位２および準位
３として電子配置（ｆ）で特徴づけられる準位を用い
て、Λ型励起によりＥＩＴを引き起こす場合、準位２と
準位３の準位対称性が同じものを選んだときの方が、よ
り大きなＥＩＴシグナルが得られることがわかる。
【０５１２】（比較例９）準位１として電子配置（ｄ）
の 2Ｅ準位の中で結晶場で分裂したＣ２準位（準位対称
性；Γ7 ）を用い、準位２として同じく電子配置（ｄ）
の 2Ｅ（１）準位を用い、これに伴いゲート光の光子エ
ネルギーω1 を準位１・２間の 2Ｅ（Ｃ１）→ 2Ｅ（Ｃ
２）遷移に対応するものに変え、さらにシグナル光の光
子エネルギーω2 を準位１・３間の 2Ｆ5/2 （Ａ１）→
2Ｅ（Ｃ２）遷移に対応するものに変えて、ゲート光の
有無によるシグナル光の透過光強度を調べた。
【０５１３】その結果、ゲート光が無い場合は、シグナ
ル光の出力強度は入力に対して約１％にまで減少した。
【０５１４】一方、ゲート光が有る場合も、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度約１％となり、ゲ
ート光が無い場合と同様に、低い値であった。
【０５１５】これより、本比較例ではゲート光の有無に
よらずシグナル光はほとんど透過しないことがわかっ
た。したがって、電子配置（ｄ）と電子配置（ｆ）で特
徴づけられる準位をそれぞれ混ぜて用い、Λ型励起でＥ
ＩＴを引き起こす場合には、準位１だけに電子配置
（ｄ）の準位を用い、準位２と準位３に電子配置（ｆ）
の準位を用いることが極めて重要であることがわかる。
【０５１６】（第２０の実施形態）本実施形態の光変調
素子は、図７に示した光変調素子において、ＥＩＴ層１
１としてＣｅ3+が不純物として１ｍｏｌ％分散している
ＹＰＯ4 、ゲート光の光源として半導体レーザーの第２
高調波、シグナル光の光源として色素レーザーの第２高
調波を用い、フォトダイオード１４としてＳｉフォトダ
イオードを用いた構成となっている。
【０５１７】まず、３つのエネルギー準位としてはＹＰ
Ｏ4 中のＣｅ3+の不純物準位を用い、図７３に示すよう
に、一番上の準位１には電子配置（ｄ）の 2Ｔ2 準位の
中で結晶場で分裂したＤ1 準位、真ん中の準位２には電
子配置（ｄ）の 2Ｅ準位の中で同じく結晶場で分裂した
Ｃ1 準位、一番下の準位３には基底準位である電子配置
（ｆ）の 2Ｆ5/2 準位のうちやはり結晶場で分裂したＡ
1 準位をそれぞれ選択した。また、各準位の対称性は、
2Ｔ2 （Ｄ1 ）準位がΓ6 、 2Ｅ（Ｃ1 ）準位もΓ6 、
2Ｆ5/2 （Ａ1 ）準位がΓ7 である。
【０５１８】これより、準位１・２間の 2Ｅ（Ｃ1 ）→
2Ｔ2 （Ｄ1 ）遷移はΓ6 →Γ6 の遷移から構成され、
準位１・３間の 2Ｆ5/2 （Ａ1 ）→ 2Ｔ2 （Ｄ1 ）遷移
と準位２・３間の 2Ｆ5/2 （Ａ1 ）→ 2Ｅ（Ｃ1 ）遷移
がΓ7 →Γ6 の遷移から構成されている。電気双極子遷
移に関する光学遷移の選択則からは、準位１・２間の遷
移が禁制で、準位１・３間と準位２・３間の遷移が許容
となる。
【０５１９】これより、本変調素子ではこの３つの準位
について、 2Ｆ5/2 （Ａ1 ）・ 2Ｔ2 （Ｄ1 ）準位間と
2Ｆ5/2 （Ａ1 ）・ 2Ｅ（Ｃ1 ）準位間をＶ型に光励起
した。ゲート光の光子エネルギーω1 は準位２・３間の
2Ｆ5/2 （Ａ1 ）→ 2Ｅ（Ｃ1 ）遷移に対応する物を選
び、シグナル光の光子エネルギーω2 は準位１・３間の
2Ｆ5/2 （Ａ1 ）→ 2Ｔ2 （Ｄ1 ）遷移に対応するもの
を選択した。
【０５２０】このときの光子エネルギーω1 ，ω2 は、
ω2 −ω1 が準位１・２間の準位間エネルギーの中心値
（９５９０ｃｍ-1）と一致するように調整した。なお、
ゲート光の強度は０．１Ｗ、またＥＩＴ層に入力するシ
グナル光の強度は１ｍＷとした。
【０５２１】このように構成された光変調素子につい
て、ゲート光の有無によるシグナル光の透過光強度を調
べた。
【０５２２】その結果、ゲート光が無い場合は、シグナ
ル光はＥＩＴ層で吸収され、シグナル光の出力強度は、
シグナル光の入力強度の約３％となり、低い値にまで減
少した。
【０５２３】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約６４％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は著し
く透過しやすくなることを確認した。
【０５２４】また、準位２として電子配置（ｄ）の 2Ｅ
（Ｃ１）準位の代わりに、同じ電子配置（ｄ）であるが
対称性がΓ7 である 2Ｅ（Ｃ２）準位を用い、これに伴
いゲート光の光子エネルギーω1 を準位２・３間の 2Ｆ
5/2 （Ａ１）→ 2Ｅ（Ｃ２）遷移に対応するものに変え
た以外は全く同様の構成の光変調素子を用いてゲート光
の有無によるシグナル光の透過光強度を調べた。なお、
ω2 −ω1 は７８３６ｃｍ-1に調整してある。
【０５２５】その結果、ゲート光が無い場合は、シグナ
ル光の出力強度は、シグナル光の入力強度の約３％とな
り、低い値にまで減少した。
【０５２６】一方、ゲート光が有る場合は、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約１８％とな
り、ゲート光が無い場合と比較して、シグナル光は透過
しやすくなることを確認した。
【０５２７】なお、以上より、準位１および準位２とし
て電子配置（ｄ）で特徴づけられる準位を用い、準位３
として電子配置（ｆ）で特徴づけられる準位を用いてＶ
型励起によりＥＩＴを引き起こす場合、準位１と準位２
の準位対称性が同じものを選んだときの方が、より大き
なＥＩＴシグナルが得られることが分かる。
【０５２８】（比較例１０）準位２として電子配置
（ｆ）の 2Ｆ7/2 準位の中で結晶場で分裂したＢ1 準位
を用い、これに伴いゲート光の光子エネルギーω1 を準
位２・３間の2 Ｆ5/2 （Ａ1 ）→ 2Ｆ7/2 （Ｂ1 ）遷移
に対応するものに変えて、ゲート光の有無によるシグナ
ル光の透過強度を調べた。
【０５２９】その結果、ゲ１ート光が無い場合は、シグ
ナル光の出力強度は、シグナル光の入力強度の約３％と
なり、低い値にまで減少した。
【０５３０】一方、ゲート光が有る場合も、シグナル光
の出力強度は、シグナル光の入力強度の約３％となり、
低い値にまで減少した。
【０５３１】これより本比較例ではゲート光の有無によ
らずシグナル光はほとんど透過しないことがわかった。
したがって、電子配置（ｄ）と電子配置（ｆ）で特徴づ
けられる準位をそれぞれ混ぜて用い、Ｖ型励起でＥＩＴ
を引き起こす場合には、準位１と準位２に電子配置
（ｄ）の準位を用い、準位３だけに電子配置（ｆ）の準
位を用いることが極めて重要であることがわかる。
【０５３２】（第２１の実施形態）図６５は、本実施形
態の光素子の中から、Λ型３準位の中で準位１・２間を
仮想的に励起する制御光と、準位４を経由して準位３か
ら準位２へ電子をポンピングするポンプ光を用いること
で、反転分布無しでレーザー発振が可能になるＬＷＩレ
ーザーを模式的に示したものである。
【０５３３】このＬＷＩレーザーは、向かい合う２枚の
ミラー６１で挟まれたＥＩＴ層６２と、制御光をＥＩＴ
層６２に入射する制御用の半導体レーザー６３と、ポン
プ光をＥＩＴ層６２に入射するポンプ用の半導体レーザ
ー６４と、ミラー６１から外に向けて出射されるＬＷＩ
レーザー光を検出するためのＳｉフォトダイオード６５
と、このフォトダイオード６５とミラー６１との間に設
けられ、半導体レーザー６３のレーザ光と同じ波長の光
をカットするフィルタ６６とから構成されている。
【０５３４】図６６は、ＥＩＴ層６２中のエネルギー準
位と入射する２本の光、ならびに発生するＬＷＩレーザ
ー光を模式的に示したものである。
【０５３５】ＥＩＴ層６２に用いる材料としては、準位
２・３間の準位間エネルギーの標準偏差σ23が準位１・
２間、準位１・３間の準位間エネルギーの標準偏差
σ12、σ13に対してσ23≦σ12、並びにσ23≦σ13を満
足する系を選択する。
【０５３６】また、制御光は準位１・２間を仮想的に励
起し、ポンプ光は準位４を経由して準位２に電子をポン
ピングする。この様に構成したとき、ＬＷＩレーザー光
は制御光に沿って発生する。その光子エネルギーω
2 は、制御光の光子エネルギーをω1 、準位２・３間の
エネルギー差の中心値をω23とすると、ω2 ＝ω1 ＋ω
23である。
【０５３７】次に本実施形態のＬＷＩレーザーについて
より具体的に説明する。
【０５３８】ＥＩＴ層６２としてはＰｒ3+が不純物して
１ｍｏｌ％分散しているＬｉＹＦ4、制御光としては半
導体レーザーの第二高調波、ポンプ光には半導体レーザ
ーの基本波を用いる。
【０５３９】３つのエネルギー準位としてはＬｉＹＦ4
中のＰｒ3+の不純物準位を用い、図６８に示すように一
番上の準位１には電子配置(f)(d)の 3Ｔ1 準位のうち結
晶場で分裂したX1準位、真ん中の準位２には電子配置
(f)2 の 1Ｄ2 準位のうち同じく結晶場で分裂したC1準
位、一番下の準位３には基底準位である電子配置 (f)2
の 3Ｈ4 準位のうちやはり結晶場で分裂したA1準位をそ
れぞれ選択した。
【０５４０】各準位の対称性は、 3Ｔ(x1)準位がΓ3 、
1Ｄ2 (C1)準位はΓ2 、 3Ｈ4 (A1)準位もΓ2 である。
【０５４１】これより、準位１・２間の 1Ｄ2 (C1)→ 3
Ｔ1 遷移はΓ2 →Γ3 、準位１・３間の 3Ｈ4 (A1)→ 3
Ｔ 1(X1)遷移もΓ2 →Γ3 の遷移から構成され、準位２
・３間の 3Ｈ4 (A1)→ 1Ｄ 2(C1)遷移がΓ2 →Γ2 の遷
移から構成されている。電気双極子遷移に関する光学遷
移の選択則からは、準位１・２間と準位１・３間の遷移
が許容で、準位２・３間の遷移が禁制となる。
【０５４２】また、準位３から準位２へ電子をポンピン
グするための準位４としては、 1Ｄ2 (C2)準位（対称
性；Γ1 ）を選んだ。 1Ｄ2 (C2)準位の対称性はΓ1 で
あるため、選択則から 3Ｈ4 (A1)→ 1Ｄ2 (C1)遷移は許
容となる。 1Ｄ2 (C2)準位に励起された電子は光子振動
によって 1Ｄ2 (C1)準位へ素早く緩和する。したがっ
て、 1Ｄ2 (C2)準位に電子励起を行えば 1Ｄ2 (C1)準位
にポピュレーションを形成することが可能になる。
【０５４３】これより、本ＬＷＩレーザーでは、 1Ｄ2
(C1)・ 3Ｔ1 (X1)準位間を光励起しながら、 3Ｈ4 (A1)
準位から 1Ｄ2 (C1)準位へ電子を光ポンピングした。制
御光の光子エネルギーω1 は準位１・２間の 1Ｄ2 (C1)
準位へ電子を光ポンピングした。
【０５４４】制御光の光子エネルギーω1 は準位１・２
間の 1Ｄ2 (C1)→ 3Ｔ1 (X1)遷移に対応するものを選
び、ポンプ光の光子エネルギーは準位４・３間の 3Ｈ4
(A1)→1Ｄ2 (C2)遷移に対応するものを選択した。な
お、制御光の強度は０．１Ｗ、ポンプ光の強度は１Ｗと
した。
【０５４５】以上の素子構成に基づいて、 3Ｔ1 (X1)準
位から 3Ｈ4 (A1)準位へのレーザー発振の有無を調べ
た。その結果、図６９に示すように、 3Ｔ1 (X1)→ 3Ｈ
4 (A1)遷移に対応する４４８４０ｃｍ-1付近においてレ
ーザー光の連続発振を観測した。そのときの強度はおよ
そ０．０５ｍＷであった。
【０５４６】さらに、本実施形態の光素子の中から、準
位１・準位２間エネルギの標準偏差σ12が準位１・準位
３間、準位２・準位３間の準位間エネルギーの標準偏差
σ13，σ23に対してσ12≦σ13ならびにσ12≦σ23を満
足する、例えば、第２０の実施形態の材料系をＥＩＴ層
に用いた場合について、Ｖ型３準位の中で準位２・準位
３間を励起する制御光と、準位２または準位３から準位
１へ電子をポンピングするポンプ光を用いることで、同
様にレーザ光の発振を観測することができた。なお、本
発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例
えば、上記実施形態では、光素子として光変調素子や短
波長ＬＷＩレーザーにつてい説明したが、その他の量子
コヒーレンスに基づく様々な光素子にも適用できる。
【０５４７】さらに、本発明と磁性・電気伝導性・強誘
電性など固体の持つ様々な物性とを組み合わせること
で、従来の電子素子とは異なる新しいタイプの機能素子
の実現も可能となる。
【０５４８】また、上記実施形態では、外場として電
場、磁場を例にあげて説明したが、他の外場としては圧
力をあげることができる。さらに、これら外場を組み合
わせても良い。
【０５４９】また、材料としては、上記実施形態にあげ
たものの他に、手段の項で述べた種々の材料の使用が可
能である。例えば、超格子や量子細線、量子箱などの量
子構造を有する、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ、Ｉ
ｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ
などの元素のうち、少なくとも一種類以上の元素から構
成されるIV族、 III-V族、 II-VI族などの半導体材料を
用いることも可能である。その他、本発明の技術的範囲
において種々変形して実施できる。
【０５５０】
【発明の効果】以上詳説したように、本発明（請求項１
〜請求項１５、請求項２２〜請求項２５）によれば、本
発明者等が初めて見出だした準位間エネルギーの標準偏
差に係る条件式を満足することにより、固体中のエネル
ギー準位に大きなバラつきが有る場合でも、ほとんどす
べての不純物または量子構造で同時にＥＩＴに基づく光
吸収の消失が誘起されるので、量子コヒーレンスを基本
原理とした実用レベルの光素子を実現できるようにな
る。
【０５５１】また、本発明（請求項１６〜請求項２１）
によれば、本発明者等が初めて見出だした条件を満たす
材料を作り出すことにより、固体中のエネルギー準位に
大きなバラつきが有る場合でも、ほとんどすべての不純
物または量子構造で同時にＥＩＴに基づく光吸収の消失
が誘起されるので、量子コヒーレンスを基本原理とした
実用レベルの光素子を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＩＴの基本原理を説明するための図
【図２】原子ガスのＥＩＴによる光吸収スペクトルを示
す図
【図３】準位間エネルギーが大きくかつランダムに分布
している擬原子集団に対して予測されるＥＩＴ特性を説
明するための図
【図４】擬原子集団の多数の擬原子がΛ型励起されて同
時に光吸収ゼロとなるための各準位間エネルギーに要求
される条件を説明するための図
【図５】擬原子集団の多数の擬原子がＶ型励起されて同
時に光吸収ゼロとなるための各準位間エネルギーに要求
される条件を説明するための図
【図６】擬原子集団の多数の擬原子がΞ型励起されて同
時に光吸収ゼロとなるための各準位間エネルギーに要求
される条件を説明するための図
【図７】本発明の一実施形態に係わる光変調素子の構成
を示す模式図
【図８】図７の光変調素子のＥＩＴ層中のエネルギー準
位とゲート光とシグナル光との関係を示す図
【図９】Ａｌ2 Ｏ3 中に分散されたＣｒ3+のエネルギー
準位を示す図
【図１０】Ａｌ2 Ｏ3 中に分散されたＣｒ3+の光吸収ス
ペクトルを示す図。
【図１１】図７の光変調素子のＥＩＴ層の材料としてＣ
ｒ3+が分散されたＡｌ2 Ｏ3 を用いた場合において、ゲ
ート光の光子エネルギーを固定した状態でシグナル光の
光子エネルギーを変化させながら調べたＣｒ3+の光吸収
スペクトルを示す図
【図１２】ＬｉＹＦ4 中に分散されたＥｒ3+のエネルギ
ー準位を示す図。
【図１３】図７の光変調素子のＥＩＴ層の材料としてＥ
ｒ3+が分散されたＬｉＹＦ4 を用いた場合において、ゲ
ート光の光子エネルギーを固定した状態でシグナル光の
光子エネルギーを変化させながら調べたＥｒ3+の光吸収
スペクトルを示す図
【図１４】ＬｉＹＦ4 中に分散されたＰｒ3+のエネルギ
ー準位を示す図
【図１５】立方対称の結晶場中におかれたｄ電子を１個
持つ遷移金属イオンを模式的に示す図
【図１６】結晶場中におかれたｄ電子を１個持つ遷移金
属イオンのエネルギー準位を示す図
【図１７】電子配置（ｔ2g）2 のエネルギー準位を示す
図
【図１８】電子配置（ｔ2g）（ｅg ）のエネルギー準位
を示す図
【図１９】固体中の縮退した不純物準位を外場で解き、
その中の２準位をΛ型３準位またはＶ型３準位の中で、
光で結ばれない２準位として利用している様子を模式的
に示す図
【図２０】幅Ｌ、高さが無限大の１次元量子井戸におい
て、電子が取り得る離散的なエネルギー準位を定性的に
説明するための図
【図２１】量子井戸中に形成された３準位と２本の光と
の関係を示す定性的なエネルギーバンド図
【図２２】他の量子井戸中に形成された３準位と２本の
光との関係を示す定性的なエネルギーバンド図
【図２３】さらに別の量子井戸中に形成された３準位と
２本の光との関係を示す定性的なエネルギーバンド図
【図２４】本発明の第５の実施形態に係わる光変調素子
を模式的に示す図
【図２５】第５の実施形態の光変調素子のＥＩＴ層中の
エネルギー準位と２本の光との関係を示す図
【図２６】第６の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＧｄ3+；ＬｉＹＦ4 中のＧｄ3+不純物の
エネルギー準位を示す図
【図２７】第６の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＧｄ3+；ＬｉＹＦ4 中のＧｄ3+不純物の
エネルギー準位の中で、 8Ｓ7/2 （ａ）・ 8Ｓ
7/2 （ｂ）準位間の準位間エネルギーの電界強度依存性
を示す図
【図２８】第６の実施形態の光変調素子において光子エ
ネルギーω1 を固定した状態で、光子エネルギーω2 を
変化させながらＧｄ3+不純物の光吸収スペクトルを調べ
た結果を示す図
【図２９】第７の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＰｒ3+；ＬａＣｌ3 中のＰｒ3+不純物の
エネルギー準位を示す図
【図３０】第７の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＰｒ3+；ＬａＣｌ3 中のＰｒ3+不純物の
エネルギー準位の中で、 3Ｈ4 （ａ）・ 3Ｈ4 （ｂ）準
位間の準位間エネルギーの電界強度依存性を示す図。
【図３１】第７の実施形態の光変調素子において光子エ
ネルギーω1 を固定した状態で、光子エネルギーω2 を
変化させながらＰｒ3+不純物の光吸収スペクトルを調べ
た結果を示す図
【図３２】第８の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＥｕ3+；Ｙ2 Ｏ3中のＥｕ3+不純物のエ
ネルギー準位を示す図
【図３３】第８の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＥｕ3+；Ｙ2 Ｏ3中のＥｕ3+不純物のエ
ネルギー準位の中で、 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ1 （ｂ）準位
間の準位間エネルギーの電界強度依存性を示す図
【図３４】第８の実施形態の光変調素子において光子エ
ネルギーω1 を固定した状態で、光子エネルギーω2 を
変化させながらＥｕ3+不純物の光吸収スペクトルを調べ
た結果を示す図
【図３５】第９の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＳｍ2+；ＢａＣｌＦ中のＳｍ2+不純物の
エネルギー準位を示す図
【図３６】第９の実施形態の光変調素子においてＥＩＴ
層として用いたＳｍ2+；ＢａＣｌＦ中のＳｍ2+不純物の
エネルギー準位の中で、 5Ｄ1 （ａ）・ 5Ｄ1 （ｂ）準
位間の準位間エネルギーの電界強度依存性を示す図
【図３７】第９の実施形態の光変調素子において光子エ
ネルギーω1 を固定した状態で、光子エネルギーω2 を
変化させながらＳｍ2+不純物の光吸収スペクトルを調べ
た結果を示す図
【図３８】本発明の第１０の実施形態に係わる光変調素
子を模式的に示す図
【図３９】第１０の実施形態の光変調素子においてＥＩ
Ｔ層として用いたＥｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12中のＥｒ3+不
純物のエネルギー準位を示す図
【図４０】第１０の実施形態の光変調素子においてＥＩ
Ｔ層として用いたＥｒ3+；Ｙ3 Ａｌ5 Ｏ12中のＥｒ3+不
純物のエネルギー準位の中で、 4Ｉ15/2（ａ）・ 4Ｉ
15/2（ｂ）準位間の準位間エネルギーの磁場強度依存を
示す図。
【図４１】第１０の実施形態の光変調素子において光子
エネルギーω1 を固定した状態で、光子エネルギーω2
を変化させながらＥｒ3+不純物の光吸収スペクトルを調
べた結果を示す図
【図４２】第１１の実施形態の光変調素子においてＥＩ
Ｔ層として用いたＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を示す断面
図
【図４３】第１１の実施形態の光変調素子においてＥＩ
Ｔ層として用いたＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子中の量子井
戸準位を示す図
【図４４】第１１の実施形態の光変調素子においてＥＩ
Ｔ層として用いたＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子中のＥ1 準
位に関して、この準位から分裂したランダウ準位間の準
位エネルギーの磁場強度依存性を示す図
【図４５】第１１の実施形態の光変調素子において光子
エネルギーω1 を固定した状態で光子エネルギーω2 を
変化させながらＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子の光吸収スペ
クトルを調べた結果を示す図
【図４６】本発明の第１２の実施形態に係わる光変調素
子を模式的に示す図
【図４７】図４６の光変調素子のＥＩＴ層中のエネルギ
ー準位とゲート光，シグナル光との関係を模式的に示す
図
【図４８】本発明の第１３の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の
断面構造を示す図
【図４９】本発明の第１３の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の
量子井戸準位を示す図
【図５０】本発明の第１３の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図５１】本発明の第１４の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子の
断面構造を示す図
【図５２】本発明の第１４の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子の
量子井戸準位を示す図
【図５３】本発明の第１４の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図５４】本発明の第１５の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子
の断面構造を示す図
【図５５】本発明の第１５の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子
の量子井戸準位を示す図
【図５６】本発明の第１５の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図５７】本発明の第１６の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の断
面構造を示す図
【図５８】本発明の第１６の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の
量子井戸準位を示す図
【図５９】本発明の第１６の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図６０】本発明の第１７の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としのＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子の
断面構造を示す図
【図６１】本発明の第１７の実施形態に係わる光変調素
子のＥＩＴ層としてのＺｎＳｅ／ＭｇＺｎＳｅＳ超格子
の量子井戸準位を示す図
【図６２】本発明の第１７の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図６３】量子コヒーレンスに基づくＬＷＩの基本原理
を説明するための図
【図６４】量子コヒーレンスに基づくＬＷＩレーザを説
明するための
【図６５】本発明の第２１の実施形態に係わるＬＷＩレ
ーザを模式的に示す図
【図６６】図６５のＬＷＩレーザのＥＩＴ層のエネルギ
ー準位と制御光、ポンプ光の関係を示す図
【図６７】本発明の第１９の実施形態に係わるＬＷＩレ
ーザのＥＩＴ層のエネルギー準位を示Ｍす図
【図６８】本発明の第２１の実施形態に係わるＬＷＩレ
ーザのＥＩＴ層のエネルギー準位を示す図
【図６９】本発明の第２１の実施形態に係わるＬＷＩレ
ーザのＬＷＩ発振スペクトルを調べた結果を示す図
【図７０】本発明の第１８の実施形態の実施形態に係わ
る光変調素子のＥＩＴ層としてのＳｉ／ＮｉＳｉ2 の断
面図
【図７１】本発明の第１８の実施形態の実施形態に係わ
る光変調素子のＥＩＴ層としてのＳｉ／ＮｉＳｉ2 のエ
ネルギー準位を示す図
【図７２】本発明の第１８の実施形態に係わる光変調素
子において、ゲート光の光子エネルギーを固定した状態
で、シングル光の光子エネルギーを変えながら、準位３
から準位１への吸収スペクトルを調べた結果を示す図
【図７３】本発明の第２０の実施形態の光変調素子にお
いてＥＩＴ層として用いたＣｅ3+；ＹＰＯ4 中のＣｅ3+
不純物のエネルギー準位を示す図
【符号の説明】
１１…ＥＩＴ層（不純物を含む固体） １２…半導体レーザー（光照射手段） １３…光ファイバ（光照射手段） １４…フォトダイオード Ｇ…ゲート光（第１の光） Ｓin…入力シグナル光（第２の光） ２１…光（第１の光） ２２…光（第２の光） ２３…ＥＩＴ層（不純物を含む固体） ２４，２５…電極 ２６…電源 ２７，２８…光ファイバー（光照射手段） ２９，３０…フォトダイオード ３１，３２…電磁石 ４０…ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子 ４１，４２…電磁石 ４３…ＧａＳｂ基板 ５０…支持体 ５１…シグナル光 ５２…ＥＩＴ層 ５３…ゲート光 ５４…光ファイバー ５５，５６…フォトダイオード ５７…光ファイバー
フロントページの続き (56)参考文献 応用物理 第61巻 第９号 ｐ．927 −930 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 3/16 G02F 1/015 G02F 1/35 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (30)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体中で共存させる励起手段と を具備
    してなり、 前記固体中の不純物の第２の準位と第３の準位との間の
    準位間エネルギーの不均一広がりが、前記固体中の不純
    物の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー
    の不均一広がりと同じ又はそれよりも小さく、且つ前記
    固体中の不純物の第１の準位と第３の準位との間の準位
    間エネルギーの不均一広がりと同じ又はそれよりも小さ
    いことを特徴とする光素子。
  2. 【請求項２】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体中で共存させる励起手段と を具備
    してなり、 前記固体中の不純物の第１の準位と第２の準位との間の
    準位間エネルギーの不均一広がりが、前記固体中の不純
    物の第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    の不均一広がりと同じ又はそれよりも小さく、且つ前記
    固体中の不純物の第２の準位と第３の準位との間の準位
    間エネルギーの不均一広がりと同じ又はそれよりも小さ
    いことを特徴とする光素子。
  3. 【請求項３】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第２の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体で共存させる励起手段と を具備し
    てなり、 前記固体中の不純物の第１の準位と第３の準位との間の
    準位間エネルギーの不均一広がりが、前記固体中の不純
    物の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー
    の不均一広がりと同じ又はそれよりも小さく、且つ前記
    固体中の不純物の第２の準位と第３の準位との間の準位
    間エネルギーの不均一広がりと同じ又はそれよりも小さ
    いことを特徴とする光素子。
  4. 【請求項４】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを具備
    してなり、 前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純物の
    第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第
    １の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび
    第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそ
    れぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝
    １〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、σ
    13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
    およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
    2 ｝1/2 とした場合に、 σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足することを特徴とす
    る光素子。
  5. 【請求項５】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを具備
    してなり、 前記固体中に不純物の総数をＮ個として個々の不純物の
    第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第
    １の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび
    第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそ
    れぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝
    １〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、 σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝
    1/2 およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23
    ＞］2 ｝1/2 とした場合に、 σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足することを特徴とす
    る光素子。
  6. 【請求項６】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光、ならびに第２の準位と
    第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有す
    る第２の光を前記固体で共存させる励起手段とを具備し
    てなり、 前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純物の
    第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第
    １の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび
    第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそ
    れぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝
    １〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、 σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝
    1/2 およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23
    ＞］2 ｝1/2 とした場合に、 σ13≦σ12、且つσ13≦σ23を満足することを特徴とす
    る光素子。
  7. 【請求項７】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝２
    〜６）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの遷
    移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結晶
    場中に置かれた場合に、前記第２の準位および前記第３
    の準位がともにｔ2g軌道にｎ個の電子が収容されてなる
    電子配置をとることを特徴とする請求項１に記載の光素
    子。
  8. 【請求項８】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    ７，８）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの
    遷移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結
    晶場中に置かれた場合に、前記第２の準位および前記第
    ３の準位がともにｔ2g軌道に６個の電子が収容され、ｅ
    g 軌道にｎ−６個の電子が収容されてなる電子配置をと
    ることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
  9. 【請求項９】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝２
    〜６）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの遷
    移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結晶
    場中に置かれた場合に、前記第１の準位および前記第２
    の準位がともにｔ2g軌道にｎ−１個の電子が収容され、
    ｅg 軌道に１個の電子が収容されてなる電子配置をとる
    ことを特徴とする請求項２に記載の光素子。
  10. 【請求項１０】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    ７，８）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの
    遷移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結
    晶場中に置かれた場合に、前記第１の準位および前記第
    ２の準位がともにｔ2g軌道に５個の電子が収容され、ｅ
    g 軌道にｎ−５個の電子が収容されてなる電子配置をと
    ることを特徴とする請求項２に記載の光素子。
  11. 【請求項１１】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    ２〜６）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの
    遷移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結
    晶場中に置かれた場合に、前記第１の準位および前記第
    ３の準位がともにｔ2g軌道にｎ個の電子が収容されてな
    る電子配置をとることを特徴とする請求項３に記載の光
    素子。
  12. 【請求項１２】前記不純物は、ｄ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    ７，８）の電子を持つ遷移金属イオンであり、かつこの
    遷移金属イオンが配位子によって作られた立方対称な結
    晶場中に置かれた場合に、前記第１の準位および前記第
    ３の準位がともにｔ2g軌道に６個の電子が収容され、ｅ
    g 軌道にｎ−６個の電子が収容されてなる電子配置をと
    ることを特徴とする請求項３に記載の光素子。
  13. 【請求項１３】前記不純物は、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    １〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記第１
    の準位がｆ電子軌道にｎ−１個の電子が収容され、ｄ電
    子軌道に１個の電子が収容されてなる電子配置をとり、
    前記第２の準位および前記第３の準位がともにｆ電子軌
    道にｎ個の電子が収容されてなる電子配置をとることを
    特徴とする請求項１に記載の光素子。
  14. 【請求項１４】前記不純物は、ｆ電子軌道にｎ個（ｎ＝
    １〜１３）の電子を持つ希土類イオンであり、前記第１
    の準位および前記第２の準位がともにｆ電子軌道にｎ−
    １個の電子が収容され、ｄ電子軌道に１個の電子が収容
    されてなる電子配置をとり、前記第３の準位がｆ電子軌
    道にｎ個の電子が収容されてなる電子配置をとることを
    特徴とする請求項２に記載の光素子。
  15. 【請求項１５】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光を前記固体に照射する光
    照射手段と を具備してなり、 前記固体中の不純物の第２の準位と第３の準位との間の
    準位間エネルギーの不均一広がりが、前記固体中の不純
    物の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー
    の不均一広がりと同じ又はそれよりも小さく、且つ前記
    固体中の不純物の第１の準位と第３の準位との間の準位
    間エネルギーの不均一広がりと同じ又はそれよりも小さ
    い光素子であって、 前記固体はレーザ媒質として使用され、前記第１の光を
    前記固体に照射するとともに、ポンピング手段により、
    前記三つの準位のうち前記第１の光により結ばれた二つ
    の準位の少なくとも一方に電子を励起することにより、
    レーザ発振を行なうことを特徴とする光素子。
  16. 【請求項１６】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光を前記固体に照射する光
    照射手段と を具備してなり、 前記固体中の不純物の第１の準位と第２の準位との間の
    準位間エネルギーの不均一広がりが、前記固体中の不純
    物の第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    の不均一広がりと同じ又はそれよりも小さく、且つ前記
    固体中の不純物の第２の準位と第３の準位との間の準位
    間エネルギーの不均一広がりと同じ又はそれよりも小さ
    い光素子であって、 前記固体はレーザ媒質として使用され、前記第１の光を
    前記固体に照射するとともに、ポンピング手段により、
    前記三つの準位のうち前記第１の光により結ばれた二つ
    の準位の少なくとも一方から、前記第１の準位に電子を
    励起することに より、レーザー発振を行なうことを特徴
    とする光素子。
  17. 【請求項１７】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光を前記固体に照射する光
    照射手段とを具備してなり、 前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純物の
    第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第
    １の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび
    第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそ
    れぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝
    １〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、 σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝
    1/2 およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23
    ＞］2 ｝1/2 とした場合に、 σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足する光素子であっ
    て、 前記固体はレーザ媒質として使用され、前記第１の光を
    前記固体に照射するとともに、ポンピング手段により、
    前記三つの準位のうち前記第１の光により結ばれた二つ
    の準位の少なくとも一方に電子を励起することにより、
    レーザ発振を行なうことを特徴とする光素子。
  18. 【請求項１８】不純物を含む固体と、 不純物のエネルギー準位の中から三つ準位を選び上から
    順に第１の準位、第２の準位および第３の準位としたと
    きに、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に
    対応する波長を有する第１の光を前記固体に照射する光
    照射手段とを具備してなり、 前記固体中の不純物の総数をＮ個として個々の不純物の
    第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギー、第
    １の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーおよび
    第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギーをそ
    れぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）（ｉ＝
    １〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての不純物についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2 、 σ13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝
    1/2 およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23
    ＞］2 ｝1/2 とした場合に、 σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足する光素子であっ
    て、 前記固体はレーザ媒質として使用され、前記第１の光を
    前記固体に照射するとともに、ポンピング手段により、
    前記三つの準位のうち前記第１の光により結ばれた二つ
    の準位の少なくとも一方から、前記第１の準位に電子を
    励起することにより、レーザー発振を行なうことを特徴
    とする光素子。
  19. 【請求項１９】前記固体中に含まれる不純物は、ｆ電子
    軌道にｎ個（ｎ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオン
    であり、前記第１の準位がｆ電子軌道にｎ−１個の電子
    が収容され、ｄ電子軌道に１個の電子が収容されてなる
    電子配置をとり、前記第２の準位および前記第３の準位
    がともにｆ電子軌道にｎ個の電子が収容されてなる電子
    配置をとり、 前記ポンピング手段は、電子線および電磁波の少なくと
    も一つを前記固体に照射する手段からなることを特徴と
    する請求項１２に記載の光素子。
  20. 【請求項２０】前記固体中に含まれる不純物は、ｆ電子
    軌道にｎ個（ｎ＝１〜１３）の電子を持つ希土類イオン
    であり、前記第１の準位および前記第２の準位がともに
    ｆ電子軌道にｎ−１個の電子が収容され、ｄ電子軌道に
    １個の電子が収容されてなる電子配置をとり、前記第３
    の準位がｆ電子軌道にｎ個の電子が収容されてなる電子
    配置をとり、前記ポンピング手段は電子線および電磁波
    の少なくとも一つを前記固体に照射する手段からなるこ
    とを特徴とする請求項１３に記載の光素子。
  21. 【請求項２１】不純物を含む固体と、 この固体に電場、磁場および圧力の少なくとも１つの外
    場を与える手段と、 前記固体に前記外場を与えた状態で、前記不純物のエネ
    ルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
    位、第２の準位および第３の準位としたときに、第１の
    準位と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長
    を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
    の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
    前記固体中で共存させる励起手段とを具備してなり、 前記外場がゼロの場合には、前記固体における前記第２
    の準位と前記第３の準位とが縮退していることを特徴と
    する光素子。
  22. 【請求項２２】不純物を含む固体と、 この固体に電場、磁場および圧力の少なくとも１つの外
    場を与える手段と、 前記固体に前記外場を与えた状態で、前記不純物のエネ
    ルギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
    位、第２の準位および第３の準位としたときに、第２の
    準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長
    を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
    の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
    前記固体中で共存させる励起手段とを具備してなり、 前記外場がゼロの場合には、前記固体における前記第１
    の準位と前記第２の準位とが縮退していることを特徴と
    する光素子。
  23. 【請求項２３】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 この固体に電場、磁場および圧力の少なくとも１つの外
    場を与える手段と、 前記固体に前記外場を与えた状態で、前記固体のエネル
    ギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
    位、第２の準位および第３の準位としたときに、第１の
    準位と第２の準位との間のエネルギー差に対応する波長
    を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
    の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
    前記固体中で共存させる励起手段とを具備してなり、 前記外場がゼロの場合には、前記固体における前記第２
    の準位と前記第３の準位とが縮退していることを特徴と
    する光素子。
  24. 【請求項２４】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 この固体に電場、磁場および圧力の少なくとも１つの外
    場を与える手段と、 前記固体に前記外場を与えた状態で、前記固体のエネル
    ギー準位の中から三つ準位を選び上から順に第１の準
    位、第２の準位および第３の準位としたときに、第２の
    準位と第３の準位との間のエネルギー差に対応する波長
    を有する第１の光、ならびに第１の準位と第３の準位と
    の間のエネルギー差に対応する波長を有する第２の光を
    前記固体中で共存させる励起手段とを具備してなり、 前記外場がゼロの場合には、前記固体における前記第１
    の準位と前記第２の準位とが縮退していることを特徴と
    する光素子。
  25. 【請求項２５】前記第１の光のエネルギーをω1 とし、
    前記第２の光のエネルギーをω2 とし、前記第２の準位
    と前記第３の準位との間のエネルギー差をω23としたと
    きに、ω23＝ω2 −ω1 の条件式を満たすように前記外
    場の大きさが設定されることを特徴とする請求項１６ま
    たは請求項１８に記載の光素子。
  26. 【請求項２６】前記第１の光のエネルギーをω1 とし、
    前記第２の光のエネルギーをω2 とし、前記第１の準位
    と前記第２の準位との間のエネルギー差をω12としたと
    きに、ω12＝ω2 −ω1 の条件式を満たすように前記外
    場の大きさが設定されることを特徴とする請求項１７ま
    たは請求項１９に記載の光素子。
  27. 【請求項２７】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 前記量子構造の伝導帯に形成されたエネルギー準位の中
    から選んだ一つの準位を第１の準位、前記量子構造の価
    電子帯に形成されたエネルギー準位の中から二つ準位を
    選び上から順に第２の準位および第３の準位としたとき
    に、第１の準位と第２の準位との間のエネルギー差に対
    応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と第
    ３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する
    第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを具備し
    てなり、 前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個々の量子構
    造の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
    ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
    ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）
    （ｉ＝１〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2、σ
    13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
    およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
    2 ｝1/2 とした場合に、 σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足することを特徴とす
    る光素子。
  28. 【請求項２８】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 前記量子構造の伝導帯に形成されたエネルギー準位の中
    から二つ準位を選び上から順に第１の準位および第２の
    準位、前記量子構造の価電子帯に形成されたエネルギー
    準位の中から選んだ１つの準位を第３の準位としたとき
    に、第２の準位と第３の準位との間のエネルギー差に対
    応する波長を有する第１の光、ならびに第１の準位と第
    ３の準位との間のエネルギー差に対応する波長を有する
    第２の光を前記固体中で共存させる励起手段とを具備し
    てなり、 前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個々の量子構
    造の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
    ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
    ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）
    （ｉ＝１〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2、σ
    13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
    およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
    2 ｝1/2 とした場合に、 σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足することを特徴とす
    る光素子。
  29. 【請求項２９】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 前記量子構造の材料が半導体の場合は、前記量子構造の
    伝導帯に形成されたエネルギー準位の中から三つ準位を
    選び上から順に第１の準位、第２の準位および第３の準
    位とし、前記量子構造の材料が金属の場合は、前記量子
    構造のフェルミ準位よりも高エネルギーのエネルギー準
    位の中から二つ準位を選び上から順に第１の準位および
    第２の準位、かつ前記量子構造のフェルミ準位よりも低
    エネルギーのエネルギー準位の中から選んだ１つの準位
    を第３の準位としたときに、第１の準位と第２の準位と
    の間のエネルギー差に対応する波長を有する第１の光、
    ならびに第１の準位と第３の準位との間のエネルギー差
    に対応する波長を有する第２の光を前記固体中で共存さ
    せる励起手段とを具備してなり、 前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個々の量子構
    造の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
    ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
    ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）
    （ｉ＝１〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2、σ
    13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
    およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
    2 ｝1/2 とした場合に、 σ23≦σ12、且つσ23≦σ13を満足することを特徴とす
    る光素子。
  30. 【請求項３０】量子井戸、量子細線および量子箱の少な
    くとも一つの量子構造を有する固体と、 前記量子構造の材料が半導体の場合は、前記量子構造の
    価電子帯に形成されたエネルギー準位の中から三つ準位
    を選び上から順に第１の準位、第２の準位および第３の
    準位とし、前記量子構造の材料が金属の場合は、前記量
    子構造のフェルミ準位よりも高エネルギーのエネルギー
    準位の中から選んだ１つの準位を第１の準位、かつ前記
    量子井戸のフェルミ準位よりも低エネルギーのエネルギ
    ー準位の中から二つ準位を選び上から順に第２の準位お
    よび第３の準位としたときに、第２の準位と第３の準位
    との間のエネルギー差に対応する波長を有する第１の
    光、ならびに第１の準位と第３の準位との間のエネルギ
    ー差に対応する波長を有する第２の光を前記固体中で共
    存させる励起手段とを具備してなり、 前記固体中の量子構造の総数をＮ個として個々の量子構
    造の第１の準位と第２の準位との間の準位間エネルギ
    ー、第１の準位と第３の準位との間の準位間エネルギー
    および第２の準位と第３の準位との間の準位間エネルギ
    ーをそれぞれω12（ｉ）、ω13（ｉ）およびω23（ｉ）
    （ｉ＝１〜Ｎ）とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の平均値をそれぞれ＜ω
    12＞、＜ω13＞および＜ω23＞とし、 Ｎ個全ての量子構造についての前記ω12（ｉ）、ω
    13（ｉ）およびω23（ｉ）の標準偏差をそれぞれσ12＝
    ｛（１／Ｎ）Σ［ω12（ｉ）−＜ω12＞］2 ｝1/2、σ
    13＝｛（１／Ｎ）Σ［ω13（ｉ）−＜ω13＞］2 ｝1/2
    およびσ23＝｛（１／Ｎ）Σ［ω23（ｉ）−＜ω23＞］
    2 ｝1/2 とした場合に、 σ12≦σ13、且つσ12≦σ23を満足することを特徴とす
    る光素子。
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