JP4986180B2 - 不揮発性光メモリ素子とメモリデバイス及びその読み出し方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態における不揮発性光メモリ素子は、光導波路と、半導体増幅領域と、ナノ磁石と、電極(電気コンタクト)と、光偏光子より構成されている。前記光導波路は、2層のクラッド領域間に埋め込まれたコア領域からなり、コア領域の屈折率はクラッド領域の屈折率よりも高い。前記半導体増幅領域は、n型半導体、ドーピングされてない半導体、p型半導体の3層からなっており、光の出入りする光導波路に接続されている。ここで、シングルドメイン(単磁区構造)状態をとる微少サイズの強磁性体を、ナノ磁石と呼ぶ。前記強磁性体のサイズは200nm×200nm以下のナノのサイズである。ナノ磁石の磁化は、磁化容易軸方向に沿って、2つの安定した磁化方向をとる。前記ナノ磁石は、半導体増幅領域の上に形成され強磁性体金属からなり、半導体増幅領域の前記n型半導体側に接している。電極は、前記p型半導体側に接続される。光偏光子は、メモリ素子の出力側に位置している。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態において示した不揮発性光メモリ素子が複数個集まってなるメモリデバイス(メモリ装置)に関する。第2の実施の形態のメモリデバイスは、複数の不揮発性光メモリ素子と、短光パルス源と、光導波路とからなる。光導波路は、短光パルス源と各不揮発性光メモリ素子とを接続するとともに、メモリデバイスの出力側で束ねられている構成を備えている。1つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように、光路長が調整される。
第1の実施の形態及び第2の実施の形態に用いる不揮発性光メモリ素子の構造の例を図7に示す。実施例1のスピン−光子メモリは、基板46と、光導波路バッファ層45と、光導波路のコア層44と、半導体光増幅器であるp−i−n半導体検出器43と、介在層42と、ナノ磁石41とが、この順に積層配置されている。前記基板46はp型GaAs38で形成され、基板にはCr/Auからなる電極39が配置されている。前記基板46の電極39とは反対側には、p型Al0.5Ga0.5As37の光導波路バッファ層45と、p型Al0.3Ga0.7As36からなる光導波路コア層44が形成されている。半導体光増幅器であるp−i−n半導体検出器43は、p型GaAs35、i型GaAs34、n型GaAs33からなる。半導体光増幅器であるp−i−n半導体検出器43の上に、インターフェースをとるためのnn型GaAs32の介在層を介して、強磁性体金属であるFe層31からなるナノ磁石41が設けられている。ナノ磁石41のFe層31と電極39との間には、所定の電源が接続されている。
実施例2は、光増幅器である検出器を、光導波路の上に配置した構造の例である。図8に、該構造を示す。p型GaAs58とp型Al0.5Ga0.5As57とp型Al0.3Ga0.7As光導波路コア56とからなる光導波路構造体の一方の側にCr/Auからなる電極59が設けられている。他方の光導波路コアの上に、p型GaAs55、i型GaAs54、n型GaAs53が順に形成され、光増幅器であるp−i−n半導体検出器が配置されている。介在層nn型GaAs52のさらに上にFe層51が設けられている。ナノ磁石のFe層51と電極59との間には、所定の電源が接続されている。図8に図示するように、光が導波路に入射されると、図4や5の原理で説明した増幅作用を受けて、ナノ磁石の磁化方向に応じて増幅して偏光された光が出力される。図8の右に光導波路のウエイブガイドモードを示す。
実施例3は、光増幅器である検出器を、光導波路の中に埋め込んだ構造の例である。図9に、該構造を示す。p型GaAs68とp型Al0.5Ga0.5As67とi型Al0.3Ga0.7As光導波路コア66とからなる光導波路構造体の一方の側にCr/Auからなる電極69が設けられている。他方の光導波路コアの上面から溝を設けて、該溝内に、p型GaAs65、i型GaAs64、n型GaAs63が順に形成され、光増幅器であるp−i−n半導体検出器が配置されている。介在層nn型GaAs62のさらに上にFe層61が設けられている。ナノ磁石のFe層61と電極69との間には、所定の電源が接続されている。図9に図示するように、光が導波路に入射されると、図4や5の原理で説明した増幅作用を受けて、ナノ磁石の磁化方向に応じて増幅して偏光された光が出力される。図9の右に光導波路のウエイブガイドモードを示す。
2、 半導体光検出器
3、43、 半導体光増幅器
4、 光導波路
9、 電極
42、 介在層
44、 光導波路コア層
45、 光導波路バッファ層
46、 基板
Claims (8)
- 不揮発性光メモリ素子であって、
光導波路と、該光導波路に接続される半導体増幅領域と、該半導体増幅領域の上に形成される単磁区構造の強磁性体と、該半導体増幅領域を挟んで該強磁性体とは反対側に配置された電極のみからなり、
前記半導体増幅領域は、少なくとも、n型半導体、i型半導体、p型半導体の3層からなり、前記強磁性体は、前記半導体増幅領域の前記n型半導体側に配置され、前記電極は、前記p型半導体側に配置され、
前記強磁性体は、強磁性体金属からなり、2つの安定した磁化方向を持ち、該磁化方向の向きによりデータを記録するものであり、
該電極と該強磁性体間に電圧を印加して、該強磁性体から半導体増幅領域に、該強磁性体の磁化方向に応じてスピン偏極した電子を注入し、
前記半導体増幅領域により光磁気効果の効果的な領域を拡大することを特徴とする不揮発性光メモリ素子。 - 請求項1に記載された前記不揮発性光メモリ素子に記録されたデータを読み出す方法であって、
電気パルスを、前記電極と前記強磁性体の間に印加する工程と、
光パルスを前記光導波路を介して、前記半導体増幅領域に入射させる工程と、
出力側に出た光パルスの強度を読み出す工程と、
を含むことを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。 - 請求項2において、前記電気パルスと前記光パルスのタイミングは、光パルスが電気パルスより遅れるようにし、該遅れは、半導体増幅領域におけるスピン偏極の緩和時間よりも短くすることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
- 請求項2において、前記光パルスは、直線偏光した光であり、半導体増幅領域を通過すると、偏光方向が前記強磁性体の2つの反対向きの磁化方向のいずれかに応じて回転されることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
- 請求項2において、光偏光子を通過させた後の出力側に出た光の強度は、前記強磁性体の磁化方向に対応していることを特徴とする不揮発性光メモリ素子の読み出し方法。
- 請求項1に記載された不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えることを特徴とするメモリデバイス。
- 請求項6において、前記光導波路は、前記光パルス源と前記不揮発性光メモリ素子とを接続するとともに、1つの光パルスが異なるメモリ素子のセルを経由して異なる光遅延となるように、光路長が調整されて、メモリデバイスの出力側で束ねられていることを特徴とするメモリデバイス。
- 請求項1に記載された不揮発性光メモリ素子を複数備え、光パルス源と、光導波路とを備えるメモリデバイスからデータを読み出す方法であって、
電気パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に印加する工程と、
光パルスをすべての前記不揮発性光メモリ素子に供給する工程と、
連続する光パルス列の強度を読み出す工程と、
を含むことを特徴とするメモリデバイスからデータを読み出す方法。
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