JP5688739B2 - 不揮発性光メモリ、光記憶装置、ネットワークルータ - Google Patents

不揮発性光メモリ、光記憶装置、ネットワークルータ Download PDF

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Description

本発明は、光信号の情報を記憶する不揮発性光メモリ、光記憶装置、ネットワークルータに関し、特に、電子のスピン偏極状態を利用して光信号を記憶する不揮発性光メモリ、光記憶装置、ネットワークルータに関する。
近年、インターネットの発展に伴い、ネットワークにおける通信量は、年率４０％におよぶ増加が予想されている。通信量の増加に対して通信速度および消費電力の観点から、ネットワークは、すべての部分で電気による通信から光による通信へと変化することが求められている。
ネットワークにおける通信をすべて光によって行なう場合、光信号を電気信号に変換してルーティングを行なっているネットワークルータ（電気ルータ）を、光信号を電気信号に変換することになしにルーティングを行なうネットワークルータ（光ルータ）に置き換えることが必要不可欠になる。
図８は、光ルータの構成を示す概略図である。図８に示す光ルータ１００は、光バッファメモリ１０１、光スイッチ素子１０２、波長変換器１０３、ヘッダ認証部１０４、制御部１０５を備えている。
光バッファメモリ１０１は、入力側の光ファイバ２００から入力される光信号を一時的に記憶する光記憶装置である。光スイッチ素子１０２は、光バッファメモリ１０１から読出された光信号を所望の出力先に出力できるようにルートを切替えるスイッチング素子である。
波長変換器１０３は、光スイッチ素子１０２と出力側の光ファイバ３００との間に設け、光バッファメモリ１０１から読出された光信号を、光ルータ１００から出力した後にネットワークを伝送する際に適した波長の光信号に変換する。
ヘッダ認証部１０４は、光ファイバ２００から入力される光信号のヘッダ情報を読取り、制御部１０５に出力する。制御部１０５は、ヘッダ認証部１０４で読取ったヘッダ情報に基づいて、光スイッチ素子１０２のスイッチングを制御する。
光ルータ１００において、通信速度および消費電力の観点から最も重要になるデバイスが光バッファメモリ１０１である。この光バッファメモリ１０１には、入力される光信号を遅延させて、光信号を一時的に記憶する光遅延線や、入力された光信号を電気情報や磁気信号に変換して保持する光ビットメモリが提案されている。
たとえば、光ビットメモリでは、高いQ値をもつフォトニック結晶光共振器の透過率の双安定性を用いたメモリなどが提案されている（”All-optical on-chip bit memory based on ultra high Q InGaAsP photonic crystal”, Optics Express 16, 19382 (2008)）。
また、電子のスピン偏極状態を利用するスピントロニクスを用いたメモリとしては、特許文献１に開示してある、磁気トンネル接合電極を持ったＰＩＮダイオードからなる不揮発性光メモリがある。特許文献１に開示してある不揮発性光メモリは、右回りまたは左回りの円または楕円偏光の光パルスを照射することにより、自由層に注入された電流が強磁性の金属層の磁化方向を反転させることで、光信号の情報を記憶するメモリである。
特開２００９−１６４４４７号公報
しかし、従来の光ビットメモリは、光信号の情報を記憶させることができる点では光バッファメモリとして利用することが可能であるが、光信号の情報を記憶させておくために、バイアス電力が必要となるため、消費電力を低減することができないという問題があった。
また、特許文献１に開示してある不揮発性光メモリは、光信号の情報を金属層の磁化方向として記憶させておくため、光信号の情報を記憶させておくためのバイアス電力が不要で、消費電力を低減できるが、光信号の情報を読出すときに、メモリを通過する光強度を測定する、または磁気トンネル接合の磁気抵抗の値を測定する必要があり、記憶した情報を直接光信号として読み出すことができない。
そのため、特許文献１に開示してある不揮発性光メモリは、メモリを通過する光強度を測定して光信号の情報を読出す場合、メモリを通過した光を直接光信号として利用することができず、光強度を測定した結果に基づいて、別途コヒーレントな光信号を生成する時間が必要となる。また、特許文献１に開示してある不揮発性光メモリは、磁気トンネル接合の磁気抵抗の値を測定して光信号の情報を読出す場合、測定した磁気抵抗の値に基づいて、光信号を生成する時間が必要となる。そのため、特許文献１に開示してある不揮発性光メモリは、光信号の情報の読出し速度が遅いという問題があった。その上、光信号を生成するために別途光源が必要になるため、装置が複雑になり消費電力が増大するという問題もあった。
そこで、本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費することがなく、光信号の情報の書込み、および読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない不揮発性光メモリを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために第１発明に係る不揮発性光メモリは、電子のスピン偏極状態を利用して光信号を記憶する半導体レーザー構造を備えた不揮発性光メモリである。不揮発性光メモリは、半導体基板と、半導体基板上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第１反射層と、第１反射層上に、量子井戸構造を有する半導体活性層と、半導体活性層を発光領域と受光領域とに分け、発光領域の半導体活性層上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第２反射層と、受光領域の半導体活性層上の一部に、半導体活性層の表面に対して垂直の磁化方向を有する強磁性電極とを備えている。不揮発性光メモリは、少なくとも第１反射層、および半導体活性層の最表膜に不純物をドープして、第１反射層と半導体活性層の最表膜との間でＰＩＮダイオードを構成している。不揮発性光メモリは、受光領域の半導体活性層に、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号を入射して、右回りまたは左回りの円または楕円偏光に対応したスピン偏極状態の電子を生成し、生成したスピン偏極状態の電子を、半導体基板と強磁性電極との間に逆バイアス方向の電圧を印加することで強磁性電極に流入させ、流入したスピン偏極状態の電子によって強磁性電極の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込む。不揮発性光メモリは、半導体基板と強磁性電極との間に順バイアス方向の電圧を印加することで、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入し、第２反射層の表面に対して垂直方向に、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、光信号の情報を読出す。
第１発明では、不揮発性光メモリは、光信号の情報を表す右回りまたは左回りの円または楕円偏光に対応したスピン偏極状態の電子を受光領域の半導体活性層に生成し、生成したスピン偏極状態の電子によって強磁性電極の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込むので、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。また、不揮発性光メモリは、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入し、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、光信号の情報を読出すので、不揮発性光メモリの発光領域から発するレーザー光を直接、光信号として利用することができ、光信号を生成する時間を短縮して、光信号の情報の読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない。
上記目的を達成するために第２発明に係る不揮発性光メモリは、電子のスピン偏極状態を利用して光信号を記憶する半導体レーザー構造を備えた不揮発性光メモリである。不揮発性光メモリは、半導体基板と、半導体基板上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第１反射層と、第１反射層上に、量子井戸構造を有する半導体活性層と、半導体活性層を発光領域と受光領域とに分け、発光領域の半導体活性層上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第２反射層と、受光領域の半導体活性層上の一部または全部に、半導体活性層の表面に対して垂直の磁化方向を有する強磁性電極とを備えている。不揮発性光メモリは、少なくとも第１反射層、および半導体活性層の最表層に不純物をドープして、第１反射層と半導体活性層の最表層との間でＰＩＮダイオードを構成している。不揮発性光メモリは、強磁性電極に、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号を入射して、入射した信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極の磁化方向を制御して、信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込む。不揮発性光メモリは、半導体基板と強磁性電極との間に順バイアス方向の電圧を印加することで、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入し、第２反射層の表面に対して垂直方向に、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、信号の情報を読出す。
第２発明では、不揮発性光メモリは、強磁性電極に入射した信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込むので、半導体活性層にスピン偏極状態の電子を生成し、生成したスピン偏極状態の電子を強磁性電極に流入する動作が不要である。さらに、不揮発性光メモリは、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。また、不揮発性光メモリは、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入し、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、光信号の情報を読出すので、不揮発性光メモリの発光領域から発するレーザー光を直接、光信号として利用することができ、光信号を生成する時間を短縮して、光信号の情報の読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない。
また、第３発明に係る不揮発性光メモリは、第１または第２発明において、半導体活性層は、複数の量子井戸膜と複数の障壁膜とを有する多重量子井戸構造である。
第３発明では、半導体活性層は、複数の量子井戸膜と複数の障壁膜とを有する多重量子井戸構造であるので、発光特性に優れ、低い電力でレーザー発振が得られるため、より低い消費電力で光信号の読出しが可能となる。
また、第４発明に係る不揮発性光メモリは、第１〜第３発明のいずれか一つにおいて、半導体活性層は、受光領域の半導体活性層と第１反射層との間に絶縁膜を備える。
第４発明では、半導体活性層は、受光領域の半導体活性層と第１反射層との間に絶縁膜を備えるので、半導体基板と強磁性電極との間に順バイアス方向の電圧を印加して、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入するときに、より多くの電子を発光領域の半導体活性層に導くことができ、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光をより低い消費電力で発することができる。
また、第５発明に係る不揮発性光メモリは、第１〜第４発明のいずれか一つにおいて、半導体基板の（１１０）面上に半導体活性層を形成してある。
第５発明では、半導体基板の（１１０）面上に半導体活性層を形成してあるので、量子井戸膜に生成したスピン偏極状態の電子のスピン緩和時間を長くすることができ、より高いスピン偏極度、円偏光度を保って光信号の情報の書込み、および読出しを行うことが可能となる。
上記目的を達成するために第６発明に係る光記憶装置は、第１〜第５発明のいずれか一つの不揮発性光メモリを平面に複数配置してある。
第６発明では、第１〜第５発明のいずれか一つの不揮発性光メモリを平面に複数配置してあるので、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費することがなく、光信号の情報の書込み、および読出しを高速に行なうことができる大容量の記憶装置を提供することができる。
上記目的を達成するために第７発明に係るネットワークルータは、第６発明に記載の光記憶装置を備えてある。
第７発明では、第６発明に記載の光記憶装置を備えてあるので、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費することがなく、光信号の情報の書込み、および読出しを高速に行なうことができるネットワークルータを提供することができる。
上記構成によれば、不揮発性光メモリは、光信号の情報を表す右回りまたは左回りの円または楕円偏光に対応したスピン偏極状態の電子を受光領域の半導体活性層に生成し、生成したスピン偏極状態の電子によって強磁性電極の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込むので、書込んだ強磁性電極の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。また、不揮発性光メモリは、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を発光領域の半導体活性層に注入し、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、光信号の情報を読出すので、不揮発性光メモリの発光領域から発するレーザー光を直接、光信号として利用することができ、光信号を生成する時間を短縮して、光信号の情報の読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない。
また、別の構成によれば、不揮発性光メモリは、強磁性電極に入射した信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極の磁化方向として書込むので、半導体活性層にスピン偏極状態の電子を生成し、生成したスピン偏極状態の電子を強磁性電極に流入する動作が不要である。さらに、不揮発性光メモリは、光信号の情報を書込んだ強磁性電極の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。
本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリの発光領域の層構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリの時間に対する右回りまたは左回り円偏光のレーザー光の強度および円偏光度の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリから発するレーザー光のスペクトル波形を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る不揮発性光メモリの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る光記憶装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る光記憶装置の動作を説明するための模式図である。 光ルータの構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリの構成を示す概略図である。図１に示す不揮発性光メモリ１０は、半導体基板であるＧａＡｓ基板１、ＧａＡｓ基板１上に第１反射層である分布ブラッグ反射層（Distributed Bragg Reflector，DBR）２、分布ブラッグ反射層２上に量子井戸構造を有する半導体活性層３を備えている。さらに、不揮発性光メモリ１０は、発光領域１０ａの半導体活性層３上に、第２反射層である分布ブラッグ反射層４、受光領域１０ｂの半導体活性層３上の一部に、強磁性電極５を備えている。
ＧａＡｓ基板１は、表面が（１１０）面であり、当該（１１０）面に、分布ブラッグ反射層２、半導体活性層３などを形成する。なお、ＧａＡｓ基板１は、亜鉛などの不純物をドープしてｐ型となっている。
分布ブラッグ反射層２は、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層して形成してある。たとえば、分布ブラッグ反射層２は、Ａｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜とを交互に積層して形成してある。また、分布ブラッグ反射層２は、ベリリウムなどの不純物をドープしてｐ型となっている。
半導体活性層３は、量子井戸膜と障壁膜とを交互に積層した量子井戸（Quantum Well）構造を有している。たとえば、半導体活性層３は、量子井戸膜にＧａＡｓ膜、障壁膜にＡｌＧａＡｓ膜をそれぞれ用いて、ＧａＡｓ膜とＡｌＧａＡｓ膜とを交互に積層して形成してある。後述するように、半導体活性層３には、右回りまたは左回りの円または楕円偏光を入射することでスピン偏極状態の電子が生成される。生成された電子のスピン偏極状態が、半導体活性層３内で消滅するまでの時間をスピン緩和時間とし、当該スピン緩和時間を長くするために、半導体活性層３は、（１１０）面上に形成することが望ましい。
半導体活性層３の最表膜に、シリコンなど不純物をドープして、ｎ型の半導体層３ａが形成してある。そのため、分布ブラッグ反射層２と半導体層３ａ（半導体活性層３の最表膜）との間でＰＩＮダイオードを構成する。
分布ブラッグ反射層４は、半導体活性層３の発光領域１０ａに、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層して形成してある。たとえば、分布ブラッグ反射層４は、分布ブラッグ反射層２と同じくＡｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜とを交互に積層して形成してある。
強磁性電極５は、受光領域１０ｂに形成してあり、半導体活性層３の表面に対して垂直の磁化方向を有する強磁性の金属や半導体などの材料である。たとえば、強磁性電極５は、ＦｅＰｔ、ＦｅＴｂ、ＴｂＣｏＦｅなどの金属材料を用いる。
なお、不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１に分布ブラッグ反射層２、半導体活性層３、分布ブラッグ反射層４を順に、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）などでエピタキシャル成長させて形成してある。
次に、不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａは、分布ブラッグ反射層２、半導体活性層３、分布ブラッグ反射層４により面発光型半導体レーザー（Vertical-cavity surface-emitting laser：ＶＣＳＥＬ）の構造を有している。不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａの層構成について、さらに詳しく説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａの層構成を示す概略図である。図２に示す層構成では、ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓのバッファ層１ａ、組成トランジション層２ａを挟んで分布ブラッグ反射層２を形成してある。
分布ブラッグ反射層２は、Ａｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜とを交互に３６．５ペア積層して形成してある。なお、Ａｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜との間には、膜厚が１５ｎｍ程度の組成トランジション層２ａを挟んである。なお、図２では、１ペア分のみ図示してある。
半導体活性層３は、量子井戸膜のＧａＡｓ膜と障壁膜のＡｌ0.15 Ｇａ0.85 Ａｓ膜とを交互に９ペア積層して形成してある。なお、半導体活性層３は、ＧａＡｓ層およびＡｌ0.15 Ｇａ0.85 Ａｓ膜の膜厚は、それぞれ１０ｎｍ程度である。
分布ブラッグ反射層４は、Ａｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜とを交互に３５ペア積層して形成してある。なお、Ａｌ0.91 Ｇａ0.09 Ａｓ膜とＡｌ0.21 Ｇａ0.79 Ａｓ膜との間にも、膜厚が１５ｎｍ程度の組成トランジション層４ａを挟んである。なお、図２では、１ペア分のみ図示してある。また、分布ブラッグ反射層４上には、ＧａＡｓのキャップ層４ｂを形成してある。そして、不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓのキャップ層４ｂの表面から右回り円偏光（σ＋）または左回り円偏光（σ−）のレーザー光を発する。
次に、図１に戻って、不揮発性光メモリ１０の動作について説明する。不揮発性光メモリ１０は、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号の情報を書込み、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号（レーザー光）として読出す光メモリである。光信号は、たとえば、右回り円偏光（σ＋）を「１」、左回り円偏光（σ−）を「０」とする二値の信号、または右回り円偏光（σ＋）を「１」、入力なしを「０」とする二値の信号として表す。
具体的に、不揮発性光メモリ１０に光信号の情報「１」を書込む場合について説明する。なお、以下ではＧａＡｓキャップ層４ｂの表面に垂直上方向を正とする軸を基準に、円偏光およびスピン状態を定義する。まず、不揮発性光メモリ１０は、受光領域１０ｂの半導体活性層３に右回り円偏光（σ＋）が入射（光信号入力）して、右回り円偏光（σ＋）に対応した「ダウン」のスピン偏極状態の電子２０を半導体活性層３に生成する。なお、電子のスピン偏極状態には、「アップ」の状態（図中上向き矢印に対応するが図示しない）と、「ダウン」の状態（図中下向き矢印で示す）との二つの状態があるものとする。
不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に逆バイアス方向（強磁性電極５側に正、ＧａＡｓ基板１を負）の電圧を印加することで、半導体活性層３に生成した「ダウン」のスピン偏極状態の電子２０を強磁性電極５に流入させる。不揮発性光メモリ１０は、強磁性電極５に「ダウン」のスピン偏極状態の電子２０が流入すると、流入した「ダウン」のスピン偏極状態の電子２０により、強磁性電極５を「ダウン」のスピン偏極状態の方向（半導体活性層３の表面に対して垂直方向の下向き）に磁化して、光信号の情報「１」を強磁性電極５の磁化方向として書込む。光信号の情報は、強磁性電極５の磁化方向として書込むので、書込んだ強磁性電極５の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。
一方、不揮発性光メモリ１０に光信号の情報「０」を書込む場合、不揮発性光メモリ１０は、受光領域１０ｂの半導体活性層３に左回り円偏光（σ−）が入射（光信号入力）して、左回り円偏光（σ−）に対応した「アップ」のスピン偏極状態の電子２０を半導体活性層３に生成する。不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に逆バイアス方向の電圧を印加することで、半導体活性層３に生成した「アップ」のスピン偏極状態の電子２０を強磁性電極５に流入させる。不揮発性光メモリ１０は、強磁性電極５に「アップ」のスピン偏極状態の電子２０が流入すると、流入した「アップ」のスピン偏極状態の電子２０により、強磁性電極５を「アップ」のスピン偏極状態の方向（半導体活性層３の表面に対して垂直方向の上向き）に磁化して、光信号の情報「０」を強磁性電極５の磁化方向として書込む。
次に、具体的に、不揮発性光メモリ１０から光信号の情報「１」を読出す場合について説明する。まず、不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に順バイアス方向（強磁性電極５側に負、ＧａＡｓ基板１を正）の電圧を印加することで、光信号の情報「１」を書込んだ強磁性電極５の磁化方向に対応した、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１０ａの半導体活性層３に注入する。
不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に順バイアス方向の電圧を印加したとき、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１０ａの半導体活性層３により多く注入することができるように、受光領域１０ｂの半導体活性層３と分布ブラッグ反射層２との間に絶縁膜である酸化膜６を備えている。不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に順バイアス方向の電圧を印加すると、酸化膜６を備えていることにより発光領域１０ａの半導体活性層３から強磁性電極５への方向に電界が生じ、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１０ａの半導体活性層３により多く注入することができる。
不揮発性光メモリ１０は、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を半導体活性層３に注入して、分布ブラッグ反射層４の表面に対して垂直方向に、注入した電子２１の「ダウン」のスピン偏極状態に対応した右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を発する。不揮発性光メモリ１０は、強磁性電極５に書込んだ光信号の情報「１」を読出し、右回り円偏光（σ＋）の光信号として出力（光信号出力）することができる。
不揮発性光メモリ１０は、右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を光信号として、光信号の情報を読出すことができるので、不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａから発するレーザー光を直接、光信号として利用することができ、光信号を生成する時間を短縮して、光信号の情報の読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない。
一方、不揮発性光メモリ１０から光信号の情報「０」を読出す場合、不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５との間に順バイアス方向の電圧を印加することで、光信号の情報「０」を書込んだ強磁性電極５の磁化方向に対応した、「アップ」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１０ａの半導体活性層３に注入する。不揮発性光メモリ１０は、「アップ」のスピン偏極状態の電子２１を半導体活性層３に注入して、分布ブラッグ反射層４の表面に対して垂直方向に、注入した電子２１の「アップ」のスピン偏極状態に対応した左回り円偏光（σ−）のレーザー光を発する。
次に、半導体活性層３にスピン偏極状態の電子を注入することで、不揮発性光メモリ１０が、注入した「アップ」または「ダウン」のスピン偏極状態の電子に応じて、右回り円偏光（σ＋）または左回り円偏光（σ−）のレーザー光を発することについて、具体的に説明する。
図３は、本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリ１０の時間に対する右回りまたは左回り円偏光のレーザー光の強度および円偏光度Ｐc の変化を示すグラフである。図４は、本発明の実施の形態１に係る不揮発性光メモリ１０から発するレーザー光のスペクトル波形を示すグラフである。なお、不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａの構成は、図２に示す構成である。半導体活性層３に注入したスピン偏極状態の電子は、スピン緩和時間が０．７ｎｓ、スピン偏極度が約０．０４（「ダウン」のスピン状態の電子の数がわずかに多い程度）である。ここで、スピン偏極度とは、「アップ」のスピン状態の電子と「ダウン」のスピン状態の電子の数の和に対する、「アップ」のスピン状態の電子と「ダウン」のスピン状態の電子の数の差の割合である。たとえば、「アップ」のスピン状態の電子と「ダウン」のスピン状態の電子の数が同じ場合であればスピン偏極度が０（ゼロ）、「アップ」のスピン状態の電子または「ダウン」のスピン状態の電子のいずれか一方のみ存在する場合であれば、スピン偏極度が１となる。
図３に示すグラフは、横軸が時間を、左側の縦軸が光の強度を、右側の縦軸が円偏光度Ｐc をそれぞれ示している。ここで、円偏光度Ｐc とは、右回り円偏光（σ＋）の強度と左回り円偏光（σ−）の強度の和に対する、右回り円偏光（σ＋）の強度と左回り円偏光（σ−）の強度の差の割合である。図３に示すように、不揮発性光メモリ１０は、スピン偏極度が約０．０４であっても、高い円偏光度Ｐc （＝約０．９６）で右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を約０．２ｎｓ時間、発している。つまり、不揮発性光メモリ１０は、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１０ａの半導体活性層３に注入し、発光領域１０ａの半導体活性層３のスピン偏極度が「ダウン」のスピン状態の電子の数がわずかに多い程度になれば、右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を発することができる。
また、図４に示すグラフは、横軸が波長を、縦軸が光の強度をそれぞれ示している。図４に示すように、不揮発性光メモリ１０は、波長が約８５５．７ｎｍでピークとなる右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を発している。
なお、不揮発性光メモリ１０が発することができるレーザー光の波長は、不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａの層構成により決まる。具体的に、不揮発性光メモリ１０では、半導体基板にＧａＡｓ基板１を、半導体活性層３にＡｌＧａＡｓ系の材料をそれぞれ用いているため、発することができるレーザー光の波長帯が８００ｎｍ〜９００ｎｍとなっている。
しかし、不揮発性光メモリ１０は、発することができるレーザー光の波長帯が８００ｎｍ〜９００ｎｍに限定されるものではない。たとえば、半導体基板にＩｎＰ基板を、半導体活性層にＩｎＧａＡｓＰ系またはＡｌＩｎＧａＡｓ系の材料をそれぞれ用いて、不揮発性光メモリ１０が発することができるレーザー光の波長帯を１．３μｍ〜１．６μｍとしてもよい。また、半導体基板にＧａＡｓ基板を、半導体活性層にＩｎＧａＡｓ系の材料をそれぞれ用いて、不揮発性光メモリ１０が発することができるレーザー光の波長帯を１μｍ帯としてもよい。
さらに、半導体基板にＧａＡｓ基板を、半導体活性層にＡｌＩｎＧａＰ系の材料をそれぞれ用いて、不揮発性光メモリ１０が発することができるレーザー光の波長帯を６５０ｎｍ帯としてもよい。また、半導体基板にサファイア基板またはＧａＮ基板を、半導体活性層にＩｎＧａＮ系の材料をそれぞれ用いて、不揮発性光メモリ１０が発することができるレーザー光の波長帯を４００ｎｍ帯としてもよい。
なお、半導体活性層３にスピン偏極状態の電子を注入することで、右回りまたは左回り円偏光のレーザー光を発することについては、“Room temperature circularly polarized lasing in an optically spin injected vertical-cavity surface-emitting laser with (110)GaAs quantum wells", APPLIED PHYSICS LETTERS,98,081113(2011)等の技術文献に記載がある。
以上のように、本実施の形態に係る不揮発性光メモリ１０は、光信号の情報を表す右回り（σ＋）または左回り（σ−）の円または楕円偏光に対応したスピン偏極状態の電子２０を受光領域１０ｂの半導体活性層３に生成し、生成したスピン偏極状態の電子２０によって強磁性電極５の磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極５の磁化方向として書込むので、書込んだ強磁性電極５の磁化方向を保持するためのバイアス電力が不要で、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費する必要がない。また、不揮発性光メモリ１０は、光信号の情報を書込んだ強磁性電極５の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子２１を発光領域の半導体活性層３に注入し、注入した電子２１のスピン偏極状態に対応した右回り（σ＋）または左回り（σ−）の円または楕円偏光のレーザー光を発して、光信号の情報を読出すので、不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａから発するレーザー光を直接、光信号として利用することができ、光信号を生成する時間を短縮して、光信号の情報の読出しを高速に行なうことができ、光信号を生成するための別途光源を必要としない。
なお、本実施の形態に係る不揮発性光メモリ１０では、ＧａＡｓ基板の（１１０）面上に半導体活性層３を形成してあるので、量子井戸膜のスピン緩和時間を長くすることができる。しかし、不揮発性光メモリ１０は、ＧａＡｓ基板の（１１０）面上に半導体活性層３を形成する場合に限定されるものではない。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る不揮発性光メモリの構成を示す概略図である。図５に示す不揮発性光メモリ１１は、半導体基板であるＧａＡｓ基板１、ＧａＡｓ基板１上に第１反射層である分布ブラッグ反射層２、分布ブラッグ反射層２上に量子井戸構造を有する半導体活性層３を備えている。さらに、不揮発性光メモリ１１は、発光領域１１ａの半導体活性層３上に、第２反射層である分布ブラッグ反射層４、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の全部に、強磁性電極５ａを備えている。
なお、不揮発性光メモリ１１は、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の全部に、強磁性電極５ａを形成してある構成以外、図１に示す不揮発性光メモリ１０の構成と同じであるため、同じ構成要素について同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
不揮発性光メモリ１１は、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の全部に、強磁性電極５ａを形成してあるので、強磁性電極５ａで右回りまたは左回りの円または楕円偏光が遮光され、受光領域１１ｂの半導体活性層３に入射しない。そのため、不揮発性光メモリ１１は、受光領域１１ｂの半導体活性層３に生成したスピン偏極状態の電子で強磁性電極５ａの磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極５ａの磁化方向として書込むのではなく、右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極５ａの磁化方向を直接制御して、光信号の情報を強磁性電極５ａの磁化方向として書込む。
具体的に、不揮発性光メモリ１１に光信号の情報「１」を書込む場合について説明する。不揮発性光メモリ１１は、受光領域１１ｂの強磁性電極５ａに右回り円偏光（σ＋）が入射（光信号入力）して、半導体活性層３の表面に対して垂直方向の下向きに強磁性電極５ａを磁化して、光信号の情報「１」を強磁性電極５ａの磁化方向として書込む。一方、不揮発性光メモリ１１に光信号の情報「０」を書込む場合、不揮発性光メモリ１１は、受光領域１１ｂの強磁性電極５ａに左回り円偏光（σ−）が入射（光信号入力）して、半導体活性層３の表面に対して垂直方向の上向きに強磁性電極５ａを磁化して、光信号の情報「０」を強磁性電極５の磁化方向として書込む。ここで、右回り円偏光（σ＋）または左回り円偏光（σ−）を強磁性電極５ａに入射して、強磁性電極５ａを磁化するとき、外部より強磁性電極５ａに磁界を加える必要はない。
なお、右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極５ａの磁化方向を直接制御することについては、“All Optical Magnetic Recording with Circularly Polarized Light",PHYSICAL REVIEW LETTERS 99,047601(2007)等の技術文献に記載がある。
次に、不揮発性光メモリ１１から光信号の情報を読出す場合について説明する。図１に示す不揮発性光メモリ１０から光信号の情報を読出す場合と基本的に同じである。具体的に、不揮発性光メモリ１１から光信号の情報「１」を読出す場合、不揮発性光メモリ１１は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５ａとの間に順バイアス方向（強磁性電極５ａ側に負、ＧａＡｓ基板１を正）の電圧を印加することで、光信号の情報「１」を書込んだ強磁性電極５ａの磁化方向に対応した、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１１ａの半導体活性層３に注入する。不揮発性光メモリ１１は、「ダウン」のスピン偏極状態の電子２１を半導体活性層３に注入して、分布ブラッグ反射層４の表面に対して垂直方向に、注入した電子２１の「ダウン」のスピン偏極状態に対応した右回り円偏光（σ＋）のレーザー光を発する。
一方、不揮発性光メモリ１１から光信号の情報「０」を読出す場合、不揮発性光メモリ１１は、ＧａＡｓ基板１と強磁性電極５ａとの間に順バイアス方向の電圧を印加することで、光信号の情報「０」を書込んだ強磁性電極５ａの磁化方向に対応した、「アップ」のスピン偏極状態の電子２１を発光領域１１ａの半導体活性層３に注入する。不揮発性光メモリ１１は、「アップ」のスピン偏極状態の電子２１を半導体活性層３に注入して、分布ブラッグ反射層４の表面に対して垂直方向に、注入した電子２１の「アップ」のスピン偏極状態に対応した左回り円偏光（σ−）のレーザー光を発する。
以上のように、本実施の形態に係る不揮発性光メモリ１１は、強磁性電極５ａが、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の全部に形成してあり、強磁性電極５ａに入射した光信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって強磁性電極５ａの磁化方向を制御して、光信号の情報を強磁性電極５ａの磁化方向として書込むので、半導体活性層３にスピン偏極状態の電子を生成し、生成したスピン偏極状態の電子を強磁性電極５ａに流入する動作が不要になる。
なお、強磁性電極５ａは、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の全部に形成してある場合に限定されるものではなく、入射した光信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって光信号の情報を強磁性電極５ａの磁化方向として書込むことができれば、受光領域１１ｂの半導体活性層３上の一部に形成してある場合でもよい。
（実施の形態３）
次に、実施の形態１または２に係る不揮発性光メモリ１０、１１を複数用いた光記憶装置について説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る光記憶装置の構成を示す概略図である。図６に示す光記憶装置３０は、実施の形態１に係る不揮発性光メモリ１０を平面にマトリックス状に複数配置してある。なお、不揮発性光メモリ１０の配置は、マトリックス状の配置に限定されるものではない。
光記憶装置３０は、時系列的に送信されてくる光信号の情報を、マトリックス状に配置してある不揮発性光メモリ１０を順に選択して、選択した不揮発性光メモリ１０の受光領域１０ｂに光信号を入射し、入射した光信号の情報を強磁性電極５に書込み、光信号の情報を記憶する。また、光記憶装置３０は、光信号の情報を書込んだ順に不揮発性光メモリ１０を選択して、選択した不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａから光信号を発して、記憶してあった光信号の情報を読出す。
図７は、本発明の実施の形態３に係る光記憶装置３０の動作を説明するための模式図である。図７に示す光記憶装置３０は、複数の不揮発性光メモリ１０を有し、各々の不揮発性光メモリ１０に光信号の情報を書込む受光領域１０ｂ（図示していないが、特に強磁性電極５に書込む）と、光信号の情報を読出す発光領域１０ａとを含んでいる。
まず、光記憶装置３０に光信号の情報を書込む場合、光記憶装置３０は、時系列の情報を円偏光に変換（偏光変換）した光信号が入力すると、図中上側の不揮発性光メモリ１０から順に選択され、選択された不揮発性光メモリ１０の受光領域１０ｂに光信号の情報を書込む。たとえば、時系列の情報が、「１」，「０」，「０」，「１」・・・である場合、偏光変換により、光信号は、「右回り円偏光（σ＋）」，「入力なし」,「入力なし」,「右回り円偏光（σ＋）」・・・と変換される。光記憶装置３０は、変換した光信号が入力すると、図中上側の不揮発性光メモリ１０の受光領域１０ｂから順に、「１」，「０」，「０」，「１」・・・光信号の情報を書込む。なお、光信号を入力する前、不揮発性光メモリ１０の受光領域１０ｂは、「０」の初期状態にリセットされる。
次に、光記憶装置３０から光信号の情報を読出す場合、光記憶装置３０は、図中上側の不揮発性光メモリ１０から順に選択され、選択された不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａから、対応する受光領域１０ｂに記憶した光信号の情報に基づく、光信号を発する。たとえば、光記憶装置３０は、受光領域１０ｂに記憶した光信号の情報「１」，「０」，「０」，「１」・・・に基づいて、図中上側の不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａから順に「右回り円偏光（σ＋）」，「左回り円偏光（σ−）」,「左回り円偏光（σ−）」,「右回り円偏光（σ＋）」・・・の光信号を発する。不揮発性光メモリ１０の発光領域１０ａが発した光信号は、時系列の情報に変換（逆偏光変換）され、光記憶装置３０は、「１」，「０」，「０」，「１」・・・の情報を読出す。光信号を出力した後（光信号の情報を読出した後）、すべての不揮発性光メモリ１０の受光領域１０ｂは、次の光信号を入力する前に、「０」の初期状態にリセットされる。
以上のように、本発明の実施の形態３に係る光記憶装置３０は、不揮発性光メモリ１０を平面に複数配置してあるので、光信号の情報を記憶させておくための電力を消費することがなく、光信号の情報の書込み、および読出しを高速に行なうことができる大容量の記憶装置を提供することができる。
なお、本発明の実施の形態３に係る光記憶装置３０では、時系列の情報を時間−空間変換して、平面に配置した複数の不揮発性光メモリ１０で記憶する構成を示したが、本発明に係る光記憶装置は、当該構成に限定されるものではない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、光信号の情報を記憶する不揮発性光メモリ、および複数の不揮発性光メモリを備える光記憶装置に有効に利用される。
１ ＧａＡｓ基板、１ａ バッファ層、２，４ 分布ブラッグ反射層、２ａ 組成トランジション層、３ 半導体活性層、３ａ ｎ型の半導体層、４ｂ キャップ層、５，５ａ 強磁性電極、６ 酸化膜、１０，１１ 不揮発性光メモリ、１０ａ，１１ａ 発光領域、１０ｂ，１１ｂ 受光領域、２０，２１ スピン偏極状態の電子、３０ 光記憶装置、１００ 光ルータ、１０１ 光バッファメモリ、１０２ 光スイッチ素子、１０３ 波長変換器、１０４ ヘッダ認証部、１０５ 制御部、２００，３００ 光ファイバ。

Claims (7)

  1. 電子のスピン偏極状態を利用して光信号を記憶する不揮発性光メモリであって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第１反射層と、
    前記第１反射層上に、量子井戸構造を有する半導体活性層と、
    前記半導体活性層を発光領域と受光領域とに分け、前記発光領域の前記半導体活性層上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第２反射層と、
    前記受光領域の前記半導体活性層上の一部に、前記半導体活性層の表面に対して垂直の磁化方向を有する強磁性電極と
    を備え、
    少なくとも前記第１反射層、および前記半導体活性層の最表膜に不純物をドープして、前記第１反射層と前記半導体活性層の最表膜との間でＰＩＮダイオードを構成し、
    前記受光領域の前記半導体活性層に、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号を入射して、右回りまたは左回りの円または楕円偏光に対応したスピン偏極状態の電子を生成し、生成したスピン偏極状態の電子を、前記半導体基板と前記強磁性電極との間に逆バイアス方向の電圧を印加することで前記強磁性電極に流入させ、流入したスピン偏極状態の電子によって前記強磁性電極の磁化方向を制御して、前記光信号の情報を前記強磁性電極の磁化方向として書込み、
    前記半導体基板と前記強磁性電極との間に順バイアス方向の電圧を印加することで、前記光信号の情報を書込んだ前記強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を前記発光領域の前記半導体活性層に注入し、前記第２反射層の表面に対して垂直方向に、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、前記光信号の情報を読出す、不揮発性光メモリ。
  2. 電子のスピン偏極状態を利用して光信号を記憶する不揮発性光メモリであって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第１反射層と、
    前記第１反射層上に、量子井戸構造を有する半導体活性層と、
    前記半導体活性層を発光領域と受光領域とに分け、前記発光領域の前記半導体活性層上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することで形成してある第２反射層と、
    前記受光領域の前記半導体活性層上の一部または全部に、前記半導体活性層の表面に対して垂直の磁化方向を有する強磁性電極と
    を備え、
    少なくとも前記第１反射層、および前記半導体活性層の最表膜に不純物をドープして、前記第１反射層と前記半導体活性層の最表膜との間でＰＩＮダイオードを構成し、
    前記強磁性電極に、右回りまたは左回りの円または楕円偏光で情報を表した光信号を入射して、入射した前記光信号の右回りまたは左回りの円または楕円偏光によって前記強磁性電極の磁化方向を制御して、前記光信号の情報を前記強磁性電極の磁化方向として書込み、
    前記半導体基板と前記強磁性電極との間に順バイアス方向の電圧を印加することで、前記光信号の情報を書込んだ前記強磁性電極の磁化方向に対応したスピン偏極状態の電子を前記発光領域の前記半導体活性層に注入し、前記第２反射層の表面に対して垂直方向に、注入した電子のスピン偏極状態に対応した右回りまたは左回りの円または楕円偏光のレーザー光を発して、前記光信号の情報を読出す、不揮発性光メモリ。
  3. 前記半導体活性層は、複数の量子井戸膜と複数の障壁膜とを有する多重量子井戸構造である、請求項１または２に記載の不揮発性光メモリ。
  4. 前記半導体活性層は、前記受光領域の前記半導体活性層と前記第１反射層との間に絶縁膜を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の不揮発性光メモリ。
  5. 前記半導体基板の（１１０）面上に前記半導体活性層を形成してある、請求項１〜４のいずれか一項に記載の不揮発性光メモリ。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の不揮発性光メモリを平面に複数配置してある、光記憶装置。
  7. 請求項６に記載の光記憶装置を備えてある、ネットワークルータ。
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