JPH04101121A - Polarization nonlinear optical device and optical or arithmetic method using same - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To improve the response time and to shorten the time up to the reception of a next pulse and enable continuous operation by irradiating a semiconductor with operation light and varying the intensity of nonoperation light which is transmitted through the semiconductor. CONSTITUTION:While the semiconductor device 24 is irradiated continuously with clockwise polarized nonoperation light 28, the semiconductor device 24 is irradiated with clockwise polarized operation light 26 emitted by a circular polarized light generation device 20 only for a time 1ps and and then electron- heavy hole transition is caused in response to the operation light 26 to lose the balanced state, so that the semiconductor device 24 can not absorb the nonoperation light 28 sufficiently. Consequently, the semiconductor device 24 passes the nonoperation light 28 more and increases in transmissivity quickly toward the initial balanced state. The nonoperation light is therefore modulated quickly with 10ps order by the irradiation of the operation light 26 according to a spin relaxation time. Consequently, the modulation is completed in an extremely short time after the irradiation of the operation time and next modulating operation becomes ready.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

［０００１］ [0001]

【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は光学装置に関し、特にスピン依存光学的非線形
性を利用した光学装置に関する。より詳細には、本発明
は非動作光（例えば搬送波信号に相当）及び動作光（例
えば情報信号）を受取り、非動作光を動作光で変調する
光学装置に関する。 ［０００２］The present invention relates to an optical device, and more particularly to an optical device that utilizes spin-dependent optical nonlinearity. More particularly, the present invention relates to an optical device that receives non-working light (e.g., corresponding to a carrier wave signal) and working light (e.g., an information signal) and modulates the non-working light with the working light. [0002]

【従来の技術】[Conventional technology]

近年、光学的搬送波光を半導体装置に照射し、その強度
を半導体装置に照射する励起（情報）光で一時的に変調
するような半導体装置を用いた光学装置の開発が進めら
れている。 ［０００３］ 図２３は、このような従来の光学装置を示す図である。 図示する光学装置は発光装置１０及び１２．半導体装置
１４．受光素子１５（フォトダイオード、光電子増倍管
、ＣＣＤなと）を有する。発光装置１０は励起光（情報
信号に相当。以下、動作光とも言う）１６を半導体装置
１４に照射し、発光装置１２は非動作光（搬送波信号に
相当）１８を半導体装置１４に照射する。半導体装置１
４は例えばＧａＡｓバルク結晶で形成される。光１６及
び１８はそれぞれ、半導体装置１４に電子−ホール遷移
を引き起こす波長を有する。受光素子１５は半導体装置
１４を通った非動作光の強度を検出する。 ［０００４］ 非動作光を半導体装置１４に連続的に照射すると、電子
−ホール遷移が半導体装置１４に連続的に起こる。そし
て、半導体装置１４は平衡状態になる。この状態では、
半導体装置１４は一定の透過率を有し、受光素子１５は
一定の強度の非動作光を検出する。 ［０００５］ この状態で、動作光（パルス）１６を半導体装置１４に
照射すると、電子−ホール遷移が起こり、半導体装置１
４の平衡状態は崩れる。半導体装置１４は電子準位に所
定数の電子を蓄積でき、ホール準位に所定数のホールを
蓄積できる。電子−ホール遷移による電子とホールで半
導体装置１４が満たされると、半導体装置１４はもはや
非動作光を吸収できない。この結果、半導体装置１４は
多くの非動作光を通過させるようになり、非動作光の強
度は増大する。上記、半導体装置１４の透過率の変化は
速い。 ［０００６］ 動作光１６を半導体装置１４に照射することで生成され
た電子は時間の経過とともにホールと再結合し、このた
め半導体装置１４は初期の平衡状態に向けて変化する。 従って、半導体装置１４の透過率は徐々に減少し、平衡
状態のときの値に戻る。 ［０００７］ 上記メカニズムにおいて、半導体装置１４を透過した非
動作光１８の強度は動作光１６により一時的に変調され
る。非動作光１８の応答時間はｌｐｓ以下であり高速動
作を実現するには十分である。 ［０００８］In recent years, progress has been made in the development of optical devices using semiconductor devices in which optical carrier wave light is irradiated onto the semiconductor device and its intensity is temporarily modulated by excitation (information) light irradiated onto the semiconductor device. [0003] FIG. 23 is a diagram showing such a conventional optical device. The illustrated optical devices are light emitting devices 10 and 12. Semiconductor device 14. It has a light receiving element 15 (photodiode, photomultiplier tube, CCD, etc.). The light emitting device 10 irradiates the semiconductor device 14 with excitation light (corresponding to an information signal, hereinafter also referred to as operating light) 16, and the light emitting device 12 irradiates the semiconductor device 14 with non-operating light 18 (corresponding to a carrier wave signal). Semiconductor device 1
4 is formed of, for example, GaAs bulk crystal. Light 16 and 18 each have a wavelength that causes an electron-hole transition in semiconductor device 14 . The light receiving element 15 detects the intensity of the non-operating light that has passed through the semiconductor device 14. [0004] When the semiconductor device 14 is continuously irradiated with non-operating light, electron-hole transitions occur continuously in the semiconductor device 14. The semiconductor device 14 then enters an equilibrium state. In this state,
The semiconductor device 14 has a constant transmittance, and the light receiving element 15 detects non-operating light of a constant intensity. [0005] In this state, when the semiconductor device 14 is irradiated with the operating light (pulse) 16, an electron-hole transition occurs, and the semiconductor device 1
The equilibrium state of 4 is disrupted. The semiconductor device 14 can accumulate a predetermined number of electrons in the electronic level and a predetermined number of holes in the hole level. Once the semiconductor device 14 is filled with electrons and holes due to electron-hole transitions, the semiconductor device 14 can no longer absorb non-operating light. As a result, the semiconductor device 14 passes a large amount of non-operating light, and the intensity of the non-operating light increases. The transmittance of the semiconductor device 14 described above changes quickly. [0006] Electrons generated by irradiating the semiconductor device 14 with the operating light 16 recombine with holes over time, and therefore the semiconductor device 14 changes toward an initial equilibrium state. Therefore, the transmittance of the semiconductor device 14 gradually decreases and returns to the value at equilibrium. [0007] In the above mechanism, the intensity of the non-operating light 18 that has passed through the semiconductor device 14 is temporarily modulated by the operating light 16. The response time of the non-operating light 18 is less than lps, which is sufficient to realize high-speed operation. [0008]

【発明が解決しようとする課題】[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、図２３の従来の光学装置は、動作光１８
を照射した後、半導体装置１４が初期の平衡状態に戻る
までに相当長い時間（数ナノ秒）かかるという問題点が
ある。すなわち、電子とホールが再結合して平衡状態に
なるのに数ナノ秒かかる。従って、非動作光１８の強度
が次の動作光１６のパルスを受取るに十分なレベルまで
下がるのに数ナノ秒かかる。従って、図２１の装置の実
際的な応用は困難である。 ［０００９］ 本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、半導体装置
の非線形性を積極的に利用して応答時間を改善し、次の
パルスを受取り可能となるまでの時間を短縮して連続動
作を可能とすることを目的とする。 ［００１０］However, the conventional optical device of FIG.
There is a problem in that it takes a considerably long time (several nanoseconds) for the semiconductor device 14 to return to its initial equilibrium state after being irradiated with . In other words, it takes several nanoseconds for electrons and holes to recombine and reach an equilibrium state. Therefore, it takes several nanoseconds for the intensity of non-working light 18 to fall to a level sufficient to receive the next pulse of working light 16. Therefore, practical application of the device of FIG. 21 is difficult. [0009] The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and actively utilizes the nonlinearity of semiconductor devices to improve response time and shorten the time until the next pulse can be received. The purpose is to enable operation. [0010]

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

一般に、半導体に光を照射すると、価電子帯にある電子
が励起されて伝導帯へ遷移する。伝導帯に励起された電
子は、アップスピンかダウンスピンかのいずれかのスピ
ン方向を有する。偏光していない通常光を半導体に照射
すると、アップスピンとダウンスピンの両スピンの電子
が同じたけ励起される。 ［００１１］ しかし、照射する光が円偏光の場合には、右円偏光か左
円偏光かによって遷移の仕方が異なる。 ［００１２］ 例えば右円偏光をバルク結晶の半導体に照射すると、ア
ップスピンとダウンスピンの電子の励起される比率は３
対１で、価電子帯には同じく３対１の割合でヘビーホー
ルとライトホールが生成される。 ［００１３］ さらに、半導体が量子井戸構造の場合には、電子−ヘビ
ーホール遷移と電子−ライトホール遷移のエネルギ準位
が異なるため、動作光及び被動作光の波長を、例えば電
子−ヘビーホール遷移のエネルギ準位に選ぶことにより
アップスピンの電子のみを励起することが可能になる。 ［００１４］ アップスピンの電子が多く励起された状態で放置すると
、アップスピンの電子がダウンスピンの電子に徐々に変
化してスピン緩和し、一定時間経過後にはアップスピン
の電子とダウンスピンの電子の比率が５０％ずつになる
。このように半導体においてはアップスピンの電子とダ
ウンスピンの電子の比率が時間と共に変化するというス
ピン分極の時間変化が生じる。このスピン分極の時間変
化は極めて高速であり短時間でもとの平衡状態に戻る。 ［００１５］ 本発明による光学装置は、上述のスピン緩和現象を利用
したものであり、図１に示すように、所定波長の光によ
り電子−ホール対が励起される半導体装置２４と、前記
所定波長の円偏光である被動作光２８を発生し、前記半
導体に照射する第１の円偏光発生手段２２と、前記半導
体を透過する前記被動作光の強度を検出する受光手段２
５と、前記所定波長の円偏光である動作光２６を発生し
、前記半導体に照射する第２の円偏光発生手段２０どを
備え、前記動作光を前記半導体に照射することにより、
前記半導体を透過する前記被動作光の強度が変調される
ことを特徴とする。尚、原理的には完全な円偏光でなく
とも良い。すなわち、動作光２６及び非動作光２８とも
楕円偏光であっても良い。 ［００１６］Generally, when a semiconductor is irradiated with light, electrons in the valence band are excited and transition to the conduction band. Electrons excited to the conduction band have either an up-spin or a down-spin spin direction. When a semiconductor is irradiated with unpolarized normal light, both spin-up and spin-down electrons are excited to the same extent. [0011] However, when the irradiated light is circularly polarized light, the manner of transition differs depending on whether the light is right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light. [0012] For example, when a bulk crystal semiconductor is irradiated with right-handed circularly polarized light, the excited ratio of up-spin and down-spin electrons is 3.
In the valence band, heavy holes and light holes are generated in the same ratio of 3 to 1. [0013] Furthermore, when the semiconductor has a quantum well structure, the energy levels of the electron-heavy hole transition and the electron-lighthole transition are different, so the wavelengths of the operating light and the operated light may be changed to, for example, the electron-heavy hole transition. By selecting the energy level of , it becomes possible to excite only up-spin electrons. [0014] When left in a state where many up-spin electrons are excited, the up-spin electrons gradually change to down-spin electrons and undergo spin relaxation, and after a certain period of time, up-spin electrons and down-spin electrons merge. The ratio will be 50% each. In this way, in semiconductors, spin polarization changes over time, in which the ratio of up-spin electrons to down-spin electrons changes over time. This change in spin polarization over time is extremely fast and returns to the original equilibrium state in a short time. [0015] The optical device according to the present invention utilizes the spin relaxation phenomenon described above, and as shown in FIG. 1, includes a semiconductor device 24 in which electron-hole pairs are excited by light of a predetermined wavelength, a first circularly polarized light generating means 22 that generates a circularly polarized actuated light 28 and irradiates the semiconductor; and a light receiving means 2 that detects the intensity of the actuated light that passes through the semiconductor.
5, and a second circularly polarized light generating means 20 that generates an operating light 26 that is circularly polarized light of the predetermined wavelength and irradiates the semiconductor, and irradiates the semiconductor with the operating light,
It is characterized in that the intensity of the actuated light that passes through the semiconductor is modulated. Note that, in principle, the light does not have to be completely circularly polarized. That is, both the operating light 26 and the non-operating light 28 may be elliptically polarized light. [0016]

【作用】[Effect]

本発明は、極めて短時間で緩和するスピン緩和現象を利
用しているので、動作光照射後、スピン緩和時間に応答
して被動作光を変調させることができ、高速動作させる
ことができる。 ［００１７］Since the present invention utilizes the spin relaxation phenomenon that relaxes in an extremely short time, the operated light can be modulated in response to the spin relaxation time after irradiation with the operating light, and high-speed operation can be achieved. [0017]

【実施例】【Example】

はじめに、本発明の原理をより詳細に説明する。 ［００１８］ 一般に光を半導体に照射すると、ホールが価電子帯が励
起され、電子が伝導帯に励起される。伝導帯の励起され
た電子はアップスピンかダウンスピンかのいずれかを有
する。直線偏光を半導体に照射すると、生成されるアッ
プスピンの電子とダウンスピンの電子の数は等しい。 ［００１９］ 他方、円偏光を半導体に照射すると、この光が左円偏光
か右円偏光かによって、異なる遷移が観測される。右円
偏光を半導体バルクに照射すると１．励起されたアップ
スピンの電子とダウンスピンの電子の割合は３：１で、
励起されたヘビーホールとライトホールの割合も３：１
である。 ［００２０３ 円偏光が量子井戸を有する半導体に照射された場合に得
られる励起メカニズムは、バルク半導体の励起メカニズ
ムと異なる。図２に示すように、ホールにはヘビーホー
ルとライトホールがあり、これらは相互に異なるエネル
ギー準位ＥＨ及びＥＬを有する。一方、電子にはアップ
スピン電子とダウンスピン電子があり、これらは同一の
エネルギー準位を有する。このような量子井戸を有する
半導体に円偏光を照射すると、図３に示す電子−ホール
遷移が起こる。電子−ヘビーホール遷移エネルギーレベ
ルにほぼ相当する波長の右円偏光ＬＲ２を照射すると、
ヘビーホールのみ励起されアップスピン電子のみが生成
される。一方、電子−へビーホール遷移エネルギーレベ
ルにほぼ相当する波長の左円偏光ＬＬ２を照射すると、
ヘビーホールのみ励起され、アップスピン電子のみが生
成される。ライトホールのエネルギー準位はヘビーホー
ルのエネルギー準位よりも高いので、電子−ライトホー
ル遷移エネルギーレベルに相当する波長の左円偏光Ｌ　
又は右円偏光ＬＲ工を照射すると、ライトホールのみな
らず、ヘビーホールも一緒に励起されてしまう。しかし
ながら、この場合、励起されるものの大半はライトホー
ルなので、後述するスピン緩和は起こる。従って、電子
−ヘビーホール遷移エネルギーレベル又は電子−ライト
ホール遷移エネルギーレベルのいずれかに相当する波長
を用いて、励起されたアップスピン電子の数とダウンス
ピン電子の数にアンバランスを生じさせることができる
。 ［００２１］ 図４において、右円偏光で電子−へビーホール遷移エネ
ルギーレベルの非動作光ＬＨＴ１を量子井戸を有する半
導体装置に照射すると、ヘビーホールのみ励起され、量
子井戸中にアップスピン電子のみが生成される（図４の
（Ａ））。アップスピン電子のみ生成されるので、伝導
帯にはダウンスピン電子よりも多くのアップスピン電子
が存在する。この状態をスピン分極と言う。そして、図
４の（Ｂ）に示ｔように、アップスピン電子は次第にダ
ウンスピン電子に変化する。これをスピン緩和と言う。 アップスピン電子とダウンスピン電子との割合が５０％
になると、半導体装置は平衡状態になる。平衡状態では
、半導体装置の透過率は一定である。この状態で、右円
偏光で非動作光ＬＨＴ１とほぼ同一の波長のパルス状動
作光を半導体装置に照射する。パルス存続時間はスピン
緩和時間より短い。 動作光ＬＨＴ２に応答して、半導体装置の平衡状態は崩
れ、ヘビーホールが励起されて量子井戸内のアップスピ
ンに遷移する。そして、量子井戸は、アップスピン電子
で飽和する。飽和状態では、半導体装置は非動作光ＬＨ
Ｔ１を十分に吸収できず、従って、透過率は増大する。 この後、電子（励起子）のスピン緩和が起こり、アップ
スピン電子とダウンスピン電子の割合は５０％になる。 このスピン緩和はピコ秒のオーダで迅速に起こる。上述
したようにして、本発明では励起子の光学的非線形スピ
ン緩和を積極的に利用している。 ［００２２］ 次に、図１を参照して、本発明の第１の実施例を説明す
る。図１の光学装置は円偏光発生装置２０及び２２．半
導体装置２４及び受光素子２５を有する。 ［００２３］ 図５の（Ａ）に示すように、半導体装置２４は半導体基
板２４ａ上に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造２
４ｂを有する。多重量子井戸構造２４ｂにおいては、Ｇ
ａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層されている。 図５の（Ｂ）は多重量子井戸構造２４ｂのエネルギーバ
ンド図である。尚、超格子構造は多重量子井戸の１つの
バリエーションである。 ［００２４］ 円偏光発生装置２０は右円偏光の動作光２６を発する。 この動作光２６は半導体装置２４に電子−へビーホール
遷移を引き起こす。円偏光発生装置２２は連続的に又は
間けつ的（パルス状）に、動作光２６とほぼ同一波長の
右円偏光非動作光２８を発する。円偏光発生装置２０及
び２２は、公知のもので構成できる。例えば、レーザ発
生装置、偏光子及び１７４波長板との組み合わせ、偏光
色素レーザと１７４波長板との組み合わせ、偏光ガスレ
ーザと１７４波長板との組み合わせ、ＹＡＧレーザなど
の固体レーザと１７４波長板との組み合わせ、又は発光
ダイオード、偏光子及び１７４波長板との組み合わせな
どを用いることができる。 ［００２５］ 次に、図１の光学装置の動作を説明する。はじめに、円
偏光発生装置２２が出力する右円偏光の非動作光２８を
半導体装置２４に連続的に照射する。例えば、非動作光
２８は半導体装置２４上で直径１５μｍのスポットを形
成する。非動作光２８に応答して、電子−ヘビーホール
遷移が連続的に起こり、半導体装置２４は平衡状態に達
する。この状態では、半導体装置２４の透過率は一定で
、受光素子２５は一定強度の非動作光２８を検出する。 ［００２６］ この状態で、円偏光発生装置２０が発生する右円偏光の
動作光２６をｌｐｓ間だけ半導体装置２４に照射する。 すなわち、ｌｐｓの存続時間の動作光２６のパルスを半
導体装置２４に照射する。例えば、動作光２６は半導体
装置２４上で直径１５μｍのスポットを形成する。動作
光２６の強度は例えば０．３ｍＷで、非動作光２８の強
度はこの１７１０程度である。動作光２６に応答して、
電子−ヘビーホール遷移が半導体装置２４に起こり、平
衡状態が崩れる。そして、半導体装置２４は非動作光２
８を十分に吸収できなくなる。 ［００２７］ この結果、半導体装置２４はより多くの非動作光２８を
通すようになり、図６の曲線Ａに示すように、半導体装
置２４の透過率は迅速に増大する。パルス状の動作光２
６により励起されたアップスピン電子は、スピン緩和に
よりすばやくダウンスピン電子に変化し、このため半導
体装置２４は初期の平衡状態に向けて迅速に変化する。 この過程中に、半導体装置２４の増大した透過率は急速
に減少し約１６ｐｓ後にはそのほぼ半分になる。最終的
には、半導体装置２４は動作光２６が照射される以前の
初期の平衡状態に戻る。 ［００２８］ 上述したように、非動作光（搬送波信号に相当）は、動
作光２６の照射に対してスピン緩和時間に基づき、１０
ｐｓのオーダで迅速に変調される。これに対し、従来の
半導体装置では数ナノ秒のオーダで変調される。 ［００２９］ 左円偏光の非動作光２８を用いることもできる。この場
合、図６の曲線Ｂに示すように、ダウンスピン電子が一
時的に増えるに従い、半導体装置２４の透過率が徐々に
増大するように、非動作光２８は変調される。すなわち
、非動作光２８を半導体装置２４に照射した後、スピン
緩和時間に従い透過率は増大する。そして、透過率のピ
ークが得られた後、透過率は初期の平衡状態で得られる
レベルに向は減少する。 ［００３０］ また、左円偏光の非動作光２８と左円偏光の動作光２６
を用いることもできる。この場合、非動作光２８に対す
る半導体装置２４の透過率は、図６の曲線Ａに示すよう
に変調される。 ［００３１］ また、右円偏光の非動作光２８と左円偏光の動作光を用
いても良い。この場合非動作光２８に対する半導体装置
２４の透過率は、図６の曲線Ｂに示すように変調される
。 ［００３２］ 図５Ａに示す多重量子井戸構造２４ｂはＧ　ａ　Ａ　ｓ
　／　Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ多重量子井戸構造に限定
されず、次の多量子構造を用いても良い：　ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＰ　；　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ　：　Ｉ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　：　ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ
　：ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、また、これらの超格
子構造であっても良い。 また、これらの材料からなる単一の量子井戸であっても
良い。 ［００３３］ 多重量子井戸構造２４ｂに代えて、半導体バルク結晶を
用いても良い。例えばＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡ
ｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＭｎＴｅ。 ＣｄＭｎＳｅ又はＺｎＭｎＳｅなどのバルク結晶を用い
ることができる。バルク結晶を用いた場合は、非動作光
２８及び動作光２６がいずれも円偏光であってもアップ
スピン電子とダウンスピン電子の割合は３：１である。 従って、非動作光２８に対する半導体装置２４の透過率
の変化は、多重量子井戸構造又は単一の量子井戸構造の
透過率の変化とは異なる。 ［００３４］ 例えば、右円偏光の非動作光２８及び動作光２６をＧａ
Ａｓのバルク結晶に照射した場合、この透過率は図６の
曲線Ｃに示すように変化する。右円偏光の非動作光２８
と左円偏光の動作光２６をＧａＡｓバルク結晶に照射し
た場合、この透過率は図６の曲線りで示すように変化す
る。 ［００３５］ 尚、半導体装置２４に代えて８２９などの同位体を用い
ても良い。 Ｔ 次に、本発明の第１の実施例の変形例について、図７を
参照して説明する。南国７において、図１と同一構成要
素には同一の参照番号を付しである。図７の光学装置は
、図１の構成に、円偏光発生装置２３と受光素子２７を
加えることで構成される。円偏光発生装置２３は、円偏
光発生装置２２が発生する非動作光２８とは異なる（反
対の）偏光の非動作光２９を発生する。例えば、非動作
光２８が右円偏光のとき、非動作光２９は左円偏光であ
る。動作光２６を半導体装置２４（例えばＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓの単一又は多重量子井戸を有する）に照射す
ると、右円偏光の非動作光２８に対する透過率は図６の
曲線Ａで示すように変化し、左円偏光の非動作光２９に
対する透過率は曲線Ｂで示すように変化する。図７の構
成によれば、変調された非動作光２８及び２９を同時に
得ることができる。　図７の光学装置はまたＯＲ回路と
しても動作する。非動作光２８及び２９の少なくとも１
つが与えられると、受光素子２６は非動作光２８の強度
変化を検出する。 ［００３６］ 次に、本発明の第２の実施例を説明する。第２の実施例
は第１の実施例を更に発展させたものである。第２の実
施例は励起子のスピン緩和のみならず電子のトンネル効
果をも利用する。第１の実施例では、スピン緩和にのみ
基づいて透過率が初期平衡状態時のレベルに向は減少し
ていく。これに対し、第２の実施例では電子のトンネル
効果も透過率の減少に寄与する。すなわち、透過率はス
ピン緩和と電子のトンネルの相乗作用により減少する。 このトンネル効果を実現するために、第２の実施例は多
重量子井戸構造（超格子構造を含む）を有する。 ［００３７］ 第２の実施例による光学装置は、半導体装置２４の構造
を除き、第１の実施例による光学装置と同一である。 ［００３８］ 図８は第２の実施例で用いられる半導体装置２４の第１
の多重量子井戸構造の基本構成を示すエネルギーバンド
図である。第１の多重量子井戸構造の基本構成は、第１
の層３１．第２の層３２及び第３の層３３を有する。第
１の層３１及び第２の層３２は例えばＧａＡｓで形成さ
れ、第３の層３３は例えばＡｌＧａＡｓで構成される。 第３の層３３は第１の層３１及び第２の層３２ではさま
れている。第３の層３３の禁制帯幅は、第１の層３１及
び第２の層３２の禁制帯幅よりも大きい。第１の層３１
はこの中に電子が存在することができる厚みを有する。 第２の層３２は、第１の層３１の電子の最低エネルギー
準位が第２の層３２のそれよりも高くなるような厚みを
有する。第３の層３３は、第１の層３１中の電子が第３
の層３３をトンネルできるような厚みを有する。第１の
多重量子井戸構造は上記基本構成を複数積み重ねたもの
である。 ［００３９］ 例えば、第１及び第２　ｃ７）Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層３１及
び３２はそれぞれ４．５ｎｍ及び９．Ｏｎｍの厚みを有
し、第３のＡｌＧａＡｓ層３３は２．８ｎｍの厚みを有
する。多重量子井戸構造を分子線エピタキシプロセスで
ＧａＡｓの基板上に形成し、ＧａＡｓ基板を除去する。 ［００４０］ 図９は、本発明の第２の実施例で用いられる半導体装置
の第２の多重量子井戸構造の基本構成のエネルギーバン
ド図である。図示する基本構成は第１の層４１２つの第
２の層４２　及び４２　、並びに２つの第３の層４３１
及び４３２を有する。第３の層４３　及び４３２の禁制
帯幅は第１の層４１並びに第２の層４２　及び４２　の
禁制帯幅よりも大きい。第３の層４３　及び４３２は第
１の層４１の両側に位置し、第２の鰯４２　及び４２　
は第３の層４３　及び４３２に”１　　　　　　２　　
　　　　　　　　１それぞれ隣接している。第１の層４
１は電子がここに存在することができるような厚みを有
する。第２の層４２１及び４２２は第１の層４１の電子
の最低エネルギー準位が第２の層４２　及び４２２の電
子の最低エネルギー準位よりも大きくなるような厚みを
それぞれ有する。第３の層４３　及び４３２は第１の層
４１の電子が第３の層４３　及び４３゜をトンネルする
ことができる厚みをそれぞれ有する。第１の層４１並び
に第２の層４２　及び４２２は例えばＧａＡｓで形成さ
れ、第３の層４３　及び４３２は例えばＡｌＧａＡｓで
形成される。 ［００４１］ 図１０は、本発明の第２の実施例で用いられる第３の多
重量子井戸構造の基本構成のエネルギーバンド図である
。図示する基本構成は複数の第１の層５１□５１　及び
５１．２つの第２の鰯５２　及び５２゜、並びに複数の
第３の層５２　　　　３　　　　　　　　　ａ　　１３
．５３．５３　　及び５３　を有する。第１の層５１．
５１２及び５１３並びに第３の層５３　．５３　．５３
　　及び５３４は交互に配列されている。この交互の配
列は第２の層５２　及び５２２の間に設けられている。 第１乃至第３の層の他の条件は第１及び第２の基本構造
の条件と同じである。 ［００４２］ 上記第１．第２及び第３の多重量子井戸構造の第１及び
第２の層はＧａＡｓに限られず、第３の層はＡｌＧａＡ
ｓに限られず、前述した物質を用いることができる。ま
た、第１及び第２の多重量子井戸構造の基本構成をミッ
クスした第４の多重量子井戸構造を用いても良い。 ［００４３］ 図１１は透過率の時間変化を示すグラフである。曲線Ｃ
１は図２１に示した従来の半導体装置１４の透過率の変
化を示し、曲線Ｃ２は第１の実施例によるスピン緩和時
間のみを利用した半導体装置２４（図１）の透過率の変
化を示し、曲線Ｃ３は第２の実施例によるスピン緩和時
間及びトンネル効果を利用した半導体装置２４の透過率
の変化を示す。非動作光２８及び動作光２６は円偏光さ
れている。図１１のグラフから、第１及び第２の実施例
で得られた透過率は従来の光学装置で得られる透過率よ
りも極めて大きいことがわかる。更に、第１及び第２の
実施例による半導体装置２４の透過率は、従来の半導体
装置１４の透過率よりも非常に速く減少し、また第２の
実施例による半導体装置２４の透過率は第１の実施例に
よる半導体装置１４の透過率よりも非常に速く減少する
。 ［００４４］ 次に、本発明の第２の実施例の変形例を説明する。図１
２は前述した多重量子井戸構造のいずれか又は超格子構
造の半導体層６０と、この両側にそれぞれ設けられた２
つのミラー６１及び６２を有する半導体装置を示す。図
１２の半導体装置はファブリ・ペロ共振器として機能す
る。各ミラー６１及び６２は例えば、複数の積層された
誘電体層からなる誘電体多層構造を有する。また、例え
ば半導体層６０の各面に、金の金属蒸着膜を直接付着し
たミラー６１及び６２であっても良い。 ［００４５］ また、図１３に示すファブリ・ペロ共振器６３を用いて
も良い。これは、２つのミラー６４とこの間に離間位置
する半導体層６０とを有する。各ミラー６４はガラス板
６４ａ上に蒸着した誘電体多層６４ｂで形成される。こ
の層６４ｂを金属蒸着層で形成しても良い。 ［００４６］ また、図１４のファブリ・ペロ共振器６５を用いても良
い。これは、図１２と図１３に示すファブリ・ペロ共振
器の組み合わせである。半導体層６０の一方にはミラー
６４を離間配置し、他方にはミラー６２が直接設けられ
ている。 ［００４７］ 電子−ヘビー（ライト）ホール遷移エネルギーレベルに
相当する波長のパルス状の動作光（図１）２６を、非動
作光２８が照射されている前記ファブリ・ペロ共振器上
に照射すると、図１５に示すように、ファブリ・ペロ共
振器内の半導体層の屈折率はすばやく変化し、ファブリ
・ペロ共振器の共振ピークは実線から破線に変化する。 この屈折率の変化は半導体装置２４の透過率の減少に寄
与する。 本発明では、このあとの透過率あるいは屈折率の回復が
スピン緩和とトンネル効果により速い。 ［００４８］ 従来から、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子構造を誘電体多層
ミラーではさんだファブリ・ペロ共振器が知られている
（Ａ、Ｍｉｑｕｓｅｔ　　ａｌ、、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ
、Ｌｅｔｔ、４６　（８５）７０）。これは直線偏光を
用い、通常の電子−ホール遷移に基づいた光強度変調の
みを行う。すなわち、このファブリ・ペロ共振器はスピ
ン緩和及びトンネル効果を用いていない。 ［００４９］ 次に、本発明の第３の実施例による光学装置を説明する
。この光学装置は、例えば図１２．１３及び１４に示す
ファブリ・ペロ共振器のいずれかを用いている［００５
０］ 図１６は、第３の実施例の原理を示すグラフである。図
中、横軸は入力光（非動作光２８に相当）の強度を示し
、縦軸はファブリ・ペロ共振器を通過した出力光の強度
を示す。直線偏光をファブリ・ペロ共振器に照射すると
、この中の半導体装置の屈折率が変化し、従って共振器
長も変化する。直線偏光の強度が増え、点Ｐ１に達する
と、ファブリ・ペロ共振器からの出力光は右円偏光又は
左円偏光にすばやく変化する。ファブリ・ペロ共振器の
屈折率は２つの屈折率からなる。 １つはアップスピンに関係し、もう１つはダウンスピン
に関係する。直線偏光はアップスピンに関する右円偏光
成分とダウンスピンに関する左円偏光成分とから成る。 例えば、左円偏光成分がある原因で右円偏光成分より僅
かに大きい場合直線偏光は点Ｐ１で左円偏光に変化する
。 ［００５１］ 他方、ファブリ・ペロ共振器の人力光の強度が減少する
と、点Ｐ２で、右円偏光は直線偏光に変化し、左円偏光
は直線偏光に変化する。すなわち、ファブリペロ共振器
は光強度のヒステリシスループを有する。換言すれば、
強度しきい値動作が可能となる。入力光が強度■１にあ
るとき、ファブリ・ペロ共振器は３つの安定状態を有す
る。すなわち、ファブリ・ペロ共振器は光３重安定であ
る。尚ファブリ・ペロ共振器上に照射する光の波長は吸
収ピークよりもわずかに長くファブリ・ペロ共振器の共
振ピークよりもわずかに短い。 ［００５２］ 図１７は第３の実施例による光学装置を示す。図示する
光学装置は直線偏光発光装置７０．上述した構成のファ
ブリ・ペロ共振器７４．１／４波長板７３．偏光子７７
及び受光素子７５を有する。直線偏光発光装置７０は、
ファブリ・ペロ共振器７４に直線偏光を照射する。ファ
ブリ・ペロ共振器７４からの出力光は、１７４波長板７
３及び偏光子７７を通る。受光素子７５は右円偏光又は
左円偏光を受光する。 ［００５３］ 図１８は、第３の実施例の他の構成を示す。図中、図１
７と同一のものには同一の参照番号を付しである。受光
素子７９は、偏光子７７で反射された光成分を受光する
。図１８の光学装置が強度しきい値動作をする場合、受
光素子７５及び７９は、図１９Ａ及び１９Ｂに示すよう
に光成分の強度の変化を検知する。一方双安定動作をす
る場合、受光素子７５及び７９は、図２０Ａ及び２０Ｂ
に示すように光成分の強度の変化を検知する。 ［００５４］ 所望の円偏光をより確実に得るためには、ファブリ・ペ
ロ共振器に偏光された動作光（励起光）を照射する。図
２１は、図１７の構成に加え、偏光発光装置７２を設け
た光学装置を示す。偏光発光装置７２は、例えば、右円
偏光成分が左円偏光成分よりわずかに大きい楕円偏光の
動作光７６を発する。直線偏光が強度■１（図１６）の
ときに、楕円偏光の動作光７６をファブリ・ペロ共振器
に照射する。動作光７６に応答して、直線偏光の非動作
光７８は円偏光に変化する。同様にして、図１８の構成
を図２２に示すように構成できる。 ［００５５］ 第１及び第２の実施例において、右円偏光及び左円偏光
に代えて、右円偏光成分及び左円偏光成分のいずれかが
大きい楕円偏光を用いても良い。 ［００５６］ 尚、半導体バルク結晶を用いた場合は、これを例えば７
７°Ｋに冷却する必要があるが、量子井戸又は多重量子
井戸を用いた場合は冷却の必要はない。 ［００５７］ 本発明は１０−９から１０−１２秒の動作速度の光学装
置、例えば光・光スイツチ双安定装置、光・光メモリな
どに応用できる。 ［００５８］First, the principle of the present invention will be explained in more detail. [0018] Generally, when a semiconductor is irradiated with light, holes are excited in the valence band and electrons are excited in the conduction band. Excited electrons in the conduction band have either spin up or spin down. When a semiconductor is irradiated with linearly polarized light, the number of up-spin electrons and down-spin electrons generated is equal. [0019] On the other hand, when a semiconductor is irradiated with circularly polarized light, different transitions are observed depending on whether the light is left-handed circularly polarized light or right-handed circularly polarized light. When a semiconductor bulk is irradiated with right-handed circularly polarized light, 1. The ratio of excited up-spin electrons to down-spin electrons is 3:1,
The ratio of excited heavy holes to light holes is also 3:1.
It is. [00203 The excitation mechanism obtained when a semiconductor having quantum wells is irradiated with circularly polarized light is different from the excitation mechanism of a bulk semiconductor. As shown in FIG. 2, there are heavy holes and light holes, which have different energy levels EH and EL. On the other hand, there are up-spin electrons and down-spin electrons, and these have the same energy level. When a semiconductor having such a quantum well is irradiated with circularly polarized light, an electron-hole transition shown in FIG. 3 occurs. When irradiated with right-handed circularly polarized light LR2 of a wavelength approximately corresponding to the electron-heavy hole transition energy level,
Only heavy holes are excited and only up-spin electrons are generated. On the other hand, when irradiating left-handed circularly polarized light LL2 with a wavelength approximately corresponding to the electron-heavy hole transition energy level,
Only heavy holes are excited, and only up-spin electrons are generated. Since the energy level of a light hole is higher than that of a heavy hole, left-handed circularly polarized light L with a wavelength corresponding to the electron-lighthole transition energy level
Alternatively, when irradiating with right-handed circularly polarized LR beam, not only the light hole but also the heavy hole will be excited. However, in this case, most of what is excited are light holes, so spin relaxation, which will be described later, occurs. Therefore, using wavelengths corresponding to either the electron-heavy hole transition energy level or the electron-light hole transition energy level, it is possible to create an imbalance in the number of excited up-spin electrons and the number of down-spin electrons. can. [0021] In FIG. 4, when a semiconductor device having a quantum well is irradiated with right-handed circularly polarized non-operating light LHT1 having an electron-heavy hole transition energy level, only heavy holes are excited and only up-spin electrons are present in the quantum well. ((A) in FIG. 4). Since only up-spin electrons are generated, there are more up-spin electrons than down-spin electrons in the conduction band. This state is called spin polarization. Then, as shown in FIG. 4B, the up-spin electrons gradually change to down-spin electrons. This is called spin relaxation. The ratio of up-spin electrons and down-spin electrons is 50%
When this happens, the semiconductor device is in an equilibrium state. In an equilibrium state, the transmittance of the semiconductor device is constant. In this state, the semiconductor device is irradiated with pulsed operating light that is right circularly polarized and has approximately the same wavelength as the non-operating light LHT1. The pulse duration is shorter than the spin relaxation time. In response to the operating light LHT2, the equilibrium state of the semiconductor device is disrupted, and heavy holes are excited and transition to up-spin within the quantum well. The quantum well is then saturated with up-spin electrons. In the saturated state, the semiconductor device emits non-operating light LH.
It cannot absorb enough T1 and therefore the transmittance increases. After this, spin relaxation of electrons (excitons) occurs, and the ratio of up-spin electrons to down-spin electrons becomes 50%. This spin relaxation occurs rapidly on the order of picoseconds. As described above, the present invention actively utilizes optical nonlinear spin relaxation of excitons. [0022] Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical device in FIG. 1 includes circularly polarized light generators 20 and 22. It has a semiconductor device 24 and a light receiving element 25. [0023] As shown in FIG. 5A, the semiconductor device 24 has a multiple quantum well (MQW) structure 2 formed on a semiconductor substrate 24a.
4b. In the multiple quantum well structure 24b, G
AAs layers and AlGaAs layers are alternately stacked. FIG. 5B is an energy band diagram of the multiple quantum well structure 24b. Note that the superlattice structure is one variation of the multiple quantum well. [0024] The circularly polarized light generator 20 emits right-handed circularly polarized operating light 26. This operating light 26 causes an electron-heavy hole transition in the semiconductor device 24. The circularly polarized light generator 22 continuously or intermittently (pulses) emits right-handed circularly polarized non-operating light 28 having approximately the same wavelength as the operating light 26 . The circularly polarized light generators 20 and 22 can be constructed from known devices. For example, a combination of a laser generator, a polarizer, and a 174-wave plate, a combination of a polarized dye laser and a 174-wave plate, a combination of a polarized gas laser and a 174-wave plate, and a combination of a solid-state laser such as a YAG laser and a 174-wave plate. , or a combination of a light emitting diode, a polarizer and a 174 wavelength plate, etc. can be used. [0025] Next, the operation of the optical device shown in FIG. 1 will be explained. First, the semiconductor device 24 is continuously irradiated with right-handed circularly polarized non-operating light 28 output from the circularly polarized light generator 22 . For example, the non-operating light 28 forms a spot on the semiconductor device 24 with a diameter of 15 μm. In response to non-operating light 28, electron-heavy hole transitions occur successively and semiconductor device 24 reaches an equilibrium state. In this state, the transmittance of the semiconductor device 24 is constant, and the light receiving element 25 detects the non-operating light 28 with a constant intensity. [0026] In this state, the semiconductor device 24 is irradiated with the right-handed circularly polarized operating light 26 generated by the circularly polarized light generator 20 for 1ps. That is, the semiconductor device 24 is irradiated with a pulse of the operating light 26 having a duration of lps. For example, the operating light 26 forms a spot with a diameter of 15 μm on the semiconductor device 24 . The intensity of the operating light 26 is, for example, 0.3 mW, and the intensity of the non-operating light 28 is about 1710 mW. In response to the operating light 26,
An electron-heavy hole transition occurs in the semiconductor device 24, disrupting the equilibrium state. Then, the semiconductor device 24 is exposed to the non-operating light 2.
8 cannot be absorbed sufficiently. [0027] As a result, the semiconductor device 24 passes more non-operating light 28, and the transmittance of the semiconductor device 24 increases rapidly, as shown by curve A in FIG. Pulsed operating light 2
The up-spin electrons excited by 6 quickly change to down-spin electrons due to spin relaxation, and therefore the semiconductor device 24 quickly changes toward an initial equilibrium state. During this process, the increased transmittance of semiconductor device 24 rapidly decreases to approximately half of its transmittance after about 16 ps. Eventually, the semiconductor device 24 returns to its initial equilibrium state before being irradiated with the operating light 26. [0028] As described above, the non-operating light (corresponding to a carrier wave signal) has a time of 10
It is rapidly modulated on the order of ps. In contrast, in conventional semiconductor devices, modulation is performed on the order of several nanoseconds. [0029] Left-handed circularly polarized non-operating light 28 may also be used. In this case, as shown by curve B in FIG. 6, the non-operating light 28 is modulated so that the transmittance of the semiconductor device 24 gradually increases as the number of down-spin electrons increases temporarily. That is, after the semiconductor device 24 is irradiated with the non-operating light 28, the transmittance increases according to the spin relaxation time. Then, after a peak in transmittance is obtained, the transmittance decreases toward the level obtained in the initial equilibrium state. [0030] In addition, left-handed circularly polarized non-operating light 28 and left-handed circularly polarized operating light 26
You can also use In this case, the transmittance of the semiconductor device 24 to the non-operating light 28 is modulated as shown by curve A in FIG. [0031] Furthermore, right-handed circularly polarized non-operating light 28 and left-handed circularly polarized operating light may be used. In this case, the transmittance of the semiconductor device 24 to the non-operating light 28 is modulated as shown by curve B in FIG. [0032] The multiple quantum well structure 24b shown in FIG.
/ A I G a As Not limited to the multiple quantum well structure, the following multiple quantum structure may be used: InGaA
s/InP; InGaAs/InAlAs: I
nGaAsP/InP: InGaAsSb/InP
:AlGaAsSb/GaSb, or a superlattice structure of these may be used. Alternatively, a single quantum well made of these materials may be used. [0033] Instead of the multiple quantum well structure 24b, a semiconductor bulk crystal may be used. For example, GaSb, InSb, InGaA
s, AlGaAs, InP, CdMnTe. Bulk crystals such as CdMnSe or ZnMnSe can be used. When a bulk crystal is used, the ratio of up-spin electrons to down-spin electrons is 3:1 even if both the non-operating light 28 and the operating light 26 are circularly polarized lights. Therefore, the change in transmittance of semiconductor device 24 with respect to non-operating light 28 is different from the change in transmittance of a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. [0034] For example, the non-operating light 28 and the operating light 26 of right-handed circularly polarized light are
When a bulk crystal of As is irradiated, the transmittance changes as shown by curve C in FIG. Right-handed circularly polarized non-operating light 28
When a GaAs bulk crystal is irradiated with left-handed circularly polarized operating light 26, the transmittance changes as shown by the curved line in FIG. [0035] Note that an isotope such as 829 may be used instead of the semiconductor device 24. T Next, a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. In Nangoku 7, the same components as in FIG. 1 are given the same reference numbers. The optical device in FIG. 7 is configured by adding a circularly polarized light generator 23 and a light receiving element 27 to the configuration in FIG. The circularly polarized light generator 23 generates non-operating light 29 of a different (opposite) polarization to the non-operating light 28 generated by the circularly polarized light generator 22 . For example, when the non-working light 28 is right-handed circularly polarized light, the non-working light 29 is left-handed circularly polarized light. The operating light 26 is transmitted to the semiconductor device 24 (e.g. GaAs/A
When irradiating a single or multiple quantum well of lGaAs (having single or multiple quantum wells), the transmittance for the right-handed circularly polarized non-working light 28 changes as shown by curve A in FIG. 6, and the transmittance for the left-handed circularly polarized non-working light 29 changes as shown by curve B. According to the configuration of FIG. 7, modulated non-operating lights 28 and 29 can be obtained simultaneously. The optical device of FIG. 7 also operates as an OR circuit. at least one of non-operating lights 28 and 29;
When the light is applied, the light receiving element 26 detects a change in the intensity of the non-operating light 28. [0036] Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is a further development of the first embodiment. The second embodiment utilizes not only the spin relaxation of excitons but also the tunneling effect of electrons. In the first embodiment, the transmittance decreases toward the initial equilibrium level based solely on spin relaxation. On the other hand, in the second embodiment, the electron tunneling effect also contributes to the decrease in transmittance. That is, the transmittance decreases due to the synergistic effect of spin relaxation and electron tunneling. In order to realize this tunnel effect, the second embodiment has a multiple quantum well structure (including a superlattice structure). [0037] The optical device according to the second example is the same as the optical device according to the first example except for the structure of the semiconductor device 24. [0038] FIG. 8 shows the first structure of the semiconductor device 24 used in the second embodiment.
FIG. 2 is an energy band diagram showing the basic configuration of a multiple quantum well structure. The basic configuration of the first multi-quantum well structure is the first multi-quantum well structure.
Layer 31. It has a second layer 32 and a third layer 33. The first layer 31 and the second layer 32 are made of, for example, GaAs, and the third layer 33 is made of, for example, AlGaAs. The third layer 33 is sandwiched between the first layer 31 and the second layer 32. The forbidden band width of the third layer 33 is larger than the forbidden band widths of the first layer 31 and the second layer 32. first layer 31
has a thickness in which electrons can reside. The second layer 32 has a thickness such that the lowest electron energy level of the first layer 31 is higher than that of the second layer 32. The third layer 33 is such that the electrons in the first layer 31 are
The thickness is such that it can tunnel through the layer 33 of. The first multi-quantum well structure is a stack of a plurality of the above basic structures. [0039] For example, the first and second c7) Ga As layers 31 and 32 have a thickness of 4.5 nm and 9.5 nm, respectively. The third AlGaAs layer 33 has a thickness of 2.8 nm. A multiple quantum well structure is formed on a GaAs substrate by a molecular beam epitaxy process, and the GaAs substrate is removed. [0040] FIG. 9 is an energy band diagram of the basic configuration of the second multiple quantum well structure of the semiconductor device used in the second embodiment of the present invention. The basic configuration shown is a first layer 41, two second layers 42 and 42, and two third layers 431.
and 432. The forbidden band width of the third layer 43 1 and 432 is larger than that of the first layer 41 and the second layer 42 2 and 42 2 . The third layers 43 and 432 are located on both sides of the first layer 41, and the second sardines 42 and 42
"1 2" in the third layer 43 and 432
1 are adjacent to each other. first layer 4
1 has such a thickness that electrons can reside here. The second layers 421 and 422 have a thickness such that the lowest electron energy level of the first layer 41 is greater than the lowest electron energy level of the second layers 42 and 422, respectively. The third layers 43 and 432 have a thickness that allows electrons in the first layer 41 to tunnel through the third layers 43 and 43°, respectively. The first layer 41 and the second layers 42 and 422 are made of GaAs, for example, and the third layers 43 and 432 are made of AlGaAs, for example. [0041] FIG. 10 is an energy band diagram of the basic configuration of the third multiple quantum well structure used in the second embodiment of the present invention. The basic configuration shown is a plurality of first layers 51 □ 51 and 51, two second sardines 52 and 52 degrees, and a plurality of third layers 52 3 a 13
．． 53.53 and 53. First layer 51.
512 and 513 and the third layer 53 . 53. 53
and 534 are arranged alternately. This alternating arrangement is provided between second layers 52 and 522. Other conditions for the first to third layers are the same as those for the first and second basic structures. [0042] Above 1. The first and second layers of the second and third multi-quantum well structures are not limited to GaAs, and the third layer is AlGaA.
The material is not limited to s, and the materials described above can be used. Furthermore, a fourth multiple quantum well structure may be used, which is a mixture of the basic configurations of the first and second multiple quantum well structures. [0043] FIG. 11 is a graph showing changes in transmittance over time. curve C
1 shows the change in transmittance of the conventional semiconductor device 14 shown in FIG. 21, and curve C2 shows the change in the transmittance of the semiconductor device 24 (FIG. 1) using only the spin relaxation time according to the first embodiment. , curve C3 shows the change in transmittance of the semiconductor device 24 using the spin relaxation time and tunnel effect according to the second embodiment. The non-operating light 28 and the operating light 26 are circularly polarized. From the graph of FIG. 11, it can be seen that the transmittances obtained in the first and second embodiments are much larger than the transmittances obtained with conventional optical devices. Furthermore, the transmittance of the semiconductor device 24 according to the first and second embodiments decreases much faster than the transmittance of the conventional semiconductor device 14, and the transmittance of the semiconductor device 24 according to the second embodiment decreases much faster than the transmittance of the conventional semiconductor device 14. The transmittance decreases much faster than the transmittance of the semiconductor device 14 according to the first embodiment. [0044] Next, a modification of the second embodiment of the present invention will be described. Figure 1
Reference numeral 2 denotes a semiconductor layer 60 having one of the above-mentioned multiple quantum well structures or a superlattice structure, and 2 provided on both sides of the semiconductor layer 60, respectively.
A semiconductor device having two mirrors 61 and 62 is shown. The semiconductor device in FIG. 12 functions as a Fabry-Perot resonator. Each mirror 61 and 62 has, for example, a dielectric multilayer structure consisting of a plurality of stacked dielectric layers. Alternatively, the mirrors 61 and 62 may be formed by depositing a gold metal vapor deposited film directly on each surface of the semiconductor layer 60, for example. [0045] Alternatively, a Fabry-Perot resonator 63 shown in FIG. 13 may be used. It has two mirrors 64 and a semiconductor layer 60 spaced between them. Each mirror 64 is formed from a dielectric multilayer 64b deposited on a glass plate 64a. This layer 64b may be formed of a metal vapor deposition layer. [0046] Furthermore, the Fabry-Perot resonator 65 shown in FIG. 14 may be used. This is a combination of Fabry-Perot resonators shown in FIGS. 12 and 13. A mirror 64 is arranged at a distance on one side of the semiconductor layer 60, and a mirror 62 is directly provided on the other side. [0047] When pulsed operating light (FIG. 1) 26 of a wavelength corresponding to the electron-heavy (light) hole transition energy level is irradiated onto the Fabry-Perot resonator on which the non-operating light 28 is irradiated, As shown in FIG. 15, the refractive index of the semiconductor layer in the Fabry-Perot cavity changes quickly, and the resonance peak of the Fabry-Perot cavity changes from a solid line to a broken line. This change in refractive index contributes to a decrease in the transmittance of the semiconductor device 24. In the present invention, the subsequent recovery of transmittance or refractive index is rapid due to spin relaxation and tunnel effect. [0048] Conventionally, a Fabry-Perot resonator in which a GaAs/AlAs superlattice structure is sandwiched between dielectric multilayer mirrors has been known (A, Mixet al, Appl, Phys.
, Lett, 46 (85) 70). This uses linearly polarized light and performs only light intensity modulation based on normal electron-hole transitions. That is, this Fabry-Perot resonator does not use spin relaxation and tunneling effects. [0049] Next, an optical device according to a third embodiment of the present invention will be described. This optical device uses, for example, one of the Fabry-Perot resonators shown in Figures 12.13 and 14 [005
0] FIG. 16 is a graph showing the principle of the third embodiment. In the figure, the horizontal axis indicates the intensity of the input light (corresponding to the non-operating light 28), and the vertical axis indicates the intensity of the output light that has passed through the Fabry-Perot resonator. When a Fabry-Perot resonator is irradiated with linearly polarized light, the refractive index of the semiconductor device therein changes, and therefore the resonator length also changes. As the intensity of the linearly polarized light increases and reaches point P1, the output light from the Fabry-Perot cavity quickly changes to right-handed or left-handed circularly polarized light. The refractive index of the Fabry-Perot cavity consists of two refractive indices. One is related to upspin and the other is related to downspin. The linearly polarized light consists of a right-handed circularly polarized component related to up-spin and a left-handed circularly polarized component related to down-spin. For example, if the left circularly polarized light component is slightly larger than the right circularly polarized light component for some reason, the linearly polarized light changes to the left circularly polarized light at the point P1. [0051] On the other hand, when the intensity of the human-powered light in the Fabry-Perot resonator decreases, right-handed circularly polarized light changes to linearly polarized light, and left-handed circularly polarized light changes to linearly polarized light at point P2. That is, the Fabry-Perot resonator has a hysteresis loop of optical intensity. In other words,
Intensity threshold operation is possible. When the input light is at intensity ■1, the Fabry-Perot cavity has three stable states. That is, the Fabry-Perot cavity is optically triple stable. Note that the wavelength of the light irradiated onto the Fabry-Perot resonator is slightly longer than the absorption peak and slightly shorter than the resonance peak of the Fabry-Perot resonator. [0052] FIG. 17 shows an optical device according to a third example. The illustrated optical device is a linearly polarized light emitting device 70. Fabry-Perot resonator 74 having the above-described configuration; 1/4 wavelength plate 73. polarizer 77
and a light receiving element 75. The linearly polarized light emitting device 70 is
The Fabry-Perot resonator 74 is irradiated with linearly polarized light. The output light from the Fabry-Perot resonator 74 is transmitted through the 174-wave plate 7
3 and a polarizer 77. The light receiving element 75 receives right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light. [0053] FIG. 18 shows another configuration of the third embodiment. In the figure, Figure 1
Items that are the same as 7 are given the same reference numbers. The light receiving element 79 receives the light component reflected by the polarizer 77. When the optical device of FIG. 18 performs the intensity threshold operation, the light receiving elements 75 and 79 detect changes in the intensity of the light components as shown in FIGS. 19A and 19B. On the other hand, in the case of bistable operation, the light receiving elements 75 and 79 are
Detects changes in the intensity of light components as shown in . [0054] In order to more reliably obtain the desired circularly polarized light, the Fabry-Perot resonator is irradiated with polarized operating light (excitation light). FIG. 21 shows an optical device including a polarized light emitting device 72 in addition to the configuration shown in FIG. The polarized light emitting device 72 emits, for example, elliptically polarized operating light 76 in which the right-handed circularly polarized component is slightly larger than the left-handed circularly polarized component. When the linearly polarized light has an intensity of 1 (FIG. 16), the elliptically polarized operating light 76 is irradiated onto the Fabry-Perot resonator. In response to the working light 76, the linearly polarized non-working light 78 changes to circularly polarized light. Similarly, the configuration of FIG. 18 can be configured as shown in FIG. 22. [0055] In the first and second embodiments, instead of the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light, elliptically polarized light in which either the right-handed circularly polarized light component or the left-handed circularly polarized light component is large may be used. [0056] In addition, when a semiconductor bulk crystal is used, for example, 7
Cooling to 7°K is required, but cooling is not necessary if a quantum well or multiple quantum wells are used. [0057] The present invention is applicable to optical devices with operating speeds of 10-9 to 10-12 seconds, such as optical-to-optical switch bistable devices, optical-to-optical memories, and the like. [0058]

【発明の効果】【Effect of the invention】

以上のとおり、本発明によれば、スピン緩和又はこれに
加えトンネル効果を用いているので、動作光照射後、極
めて短時間で変調を完了して次の変調動作を行うことが
できる。また、強度変調の他偏光性を変調することがで
きる。更に、新規な光学的ＯＲ論理演算方法を提供でき
る。As described above, according to the present invention, since spin relaxation or a tunnel effect is used in addition to spin relaxation, modulation can be completed in a very short time after irradiation with operating light, and the next modulation operation can be performed. In addition to intensity modulation, polarization can also be modulated. Furthermore, a novel optical OR logic operation method can be provided.

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

【図１】 本発明の第１及び第２の実施例の光学装置のブロック図
である。FIG. 1 is a block diagram of an optical device according to first and second embodiments of the present invention.

【図２】 本発明の詳細な説明するためのエネルギーバンド図であ
る。FIG. 2 is an energy band diagram for explaining the present invention in detail.

【図３】 本発明の詳細な説明するための電子−ホール遷移を示す
図である。FIG. 3 is a diagram showing electron-hole transition for detailed explanation of the present invention.

【図４】 本発明の詳細な説明するための量子井戸のエネルギーバ
ンド図である。FIG. 4 is an energy band diagram of a quantum well for explaining the present invention in detail.

【図５】 本発明の実施例で用いる多重量子井戸構造を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a multiple quantum well structure used in an example of the present invention.

【図６】 本発明の第１の実施例の動作を示すグラフである。[Figure 6] 3 is a graph showing the operation of the first embodiment of the present invention.

【図７】 本発明の第１の実施例の変形例による光学装置を示す図
である。FIG. 7 is a diagram showing an optical device according to a modification of the first embodiment of the present invention.

【図８】 本発明の第２の実施例で用いられる半導体装置のエネル
ギーバンド図である。FIG. 8 is an energy band diagram of a semiconductor device used in a second embodiment of the present invention.

【図９】 本発明の第２の実施例で用いられる別の半導体装置のエ
ネルギーバンド図である。FIG. 9 is an energy band diagram of another semiconductor device used in the second embodiment of the present invention.

【図１０１ 本発明の第２の実施例で用いられる別の半導体装置のエ
ネルギーバンド図である。 【図１１】 本発明の第１及び第２の実施例と従来例との透過率の変
化を示すグラフであるFIG. 101 is an energy band diagram of another semiconductor device used in the second embodiment of the present invention. FIG. 11 is a graph showing changes in transmittance between the first and second embodiments of the present invention and the conventional example.

【図１２】 本発明の第２の実施例の変形例を示す図である。[Figure 12] It is a figure which shows the modification of the 2nd Example of this invention.

【図１３】 本発明の第２の実施例の別の変形例を示す図である。[Figure 13] It is a figure which shows another modification of the 2nd Example of this invention.

【図１４】 本発明の第２の実施例の別の変形例を示す図である。[Figure 14] It is a figure which shows another modification of the 2nd Example of this invention.

【図１５】 本発明の第２の実施例で用いられるファブリ・ペロ共振
器の光スイ示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the optical path of the Fabry-Perot resonator used in the second embodiment of the present invention.

【図１６】 本発明の第３の実施例の原理を示すグラフである。[Figure 16] It is a graph showing the principle of a third example of the present invention.

【図１７】 本発明の第３の実施例による光学装置のブロック図であ
る。FIG. 17 is a block diagram of an optical device according to a third embodiment of the invention.

【図１８】 本発明の第３の実施例による別の光学装置のブロック図
である。FIG. 18 is a block diagram of another optical device according to a third embodiment of the invention.

【図１９】 本発明の第３の実施例の偏光性光しきい動作を示すグラ
フである。FIG. 19 is a graph showing the polarizing light threshold operation of the third embodiment of the present invention.

【図２０１ 本発明の第３の実施例の偏光性双安定動作を示すグラフ
である。 【図２月 本発明の第３の実施例の変形例である。 【図２２】 本発明の第３の実施例の別の変形例である。FIG. 201 is a graph showing the polarization bistable operation of the third example of the present invention. FIG. 2 is a modification of the third embodiment of the present invention. FIG. 22 is another modification of the third embodiment of the present invention.

【図２３】 従来の光学装置のブロック図である。[Figure 23] FIG. 1 is a block diagram of a conventional optical device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０．１２　　発光装置 １４．２４．７４　　半導体装置 １５．２５，７５．７９　　受光素子 １６、　２６．７６　　動作光 １８．２８，２９．７８　　非動作光 ２０．２２．２３　　円偏光発光装置 ２４　半導体装置 ッチ動作を ２４ｂ　　多重量子井戸構造 ６０　半導体層 ６１．６２．６４　　ミラー ６３、　６５　　ファブリ・ペロ共振器７０　直線偏光
発光装置 ７２　偏光発光装置 ７３１／４波長板10.12 Light emitting device 14.24.74 Semiconductor device 15.25, 75.79 Light receiving element 16, 26.76 Operating light 18.28, 29.78 Non-operating light 20.22.23 Circularly polarized light emitting device 24 Semiconductor device Multi-quantum well structure 60 Semiconductor layer 61, 62, 64 Mirrors 63, 65 Fabry-Perot resonator 70 Linearly polarized light emitting device 72 Polarized light emitting device 73 1/4 wavelength plate

【書類基】[Document base]

図面 drawing

【図１】[Figure 1]

【図２】[Figure 2]

【図４】[Figure 4]

【図５】 （Ａ） （Ｂ） ４ｂ[Figure 5] (A) (B) 4b

【図６】[Figure 6]

【図７】 ■奇問 （ＩＯｐ５／ｄｉｖ）[Figure 7] ■Strange question (IOp5/div)

【図８１ 【図９】[Figure 81 [Figure 9]

【図１０１ 【図１月 【図１２】 Ｅｌ今問[Figure 101 [Figure January [Figure 12] El now question

【図１５】[Figure 15]

【図１６】[Figure 16]

【図１７】 Ｉ 、イアｊ＜ｔｙ：ｔイク三月立 入力[Figure 17] I , Ia j < ty: t Iku March standing input

【図１８】[Figure 18]

【図１９】 （Ａ） （Ｂ）[Figure 19] (A) (B)

【図２０】 （Ａ） （Ｂ）[Figure 20] (A) (B)

【図２１】[Figure 21]

【図２２】[Figure 22]

【図２３】 会光来５[Figure 23] Meeting Korai 5

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】所定波長の光により電子−ホール対が励起
される半導体（２４）と、 前記所定波長の直線偏光以外の偏光である被動作光（２
８）を発生し、前記半導体に照射する第１の偏光発生手
段（２２）と、前記半導体を透過する前記被動作光の強
度を検出する受光手段（２５）と、前記所定波長の直線
偏光以外の偏光である動作光（２６）を発生し、前記半
導体に照射する第２の偏光発生手段（２０）とを備え、
前記動作光を前記半導体に照射することにより、前記半
導体を透過する前記被動作光の強度が変調されることを
特徴とする光学装置。1. A semiconductor (24) in which electron-hole pairs are excited by light of a predetermined wavelength; and a driven light (24) that is polarized light other than linearly polarized light of the predetermined wavelength.
8) and irradiates the semiconductor with a first polarized light generating means (22); a light receiving means (25) that detects the intensity of the actuated light that passes through the semiconductor; a second polarized light generating means (20) that generates operating light (26) that is polarized light and irradiates the semiconductor;
An optical device characterized in that the intensity of the operated light transmitted through the semiconductor is modulated by irradiating the semiconductor with the operating light. 【請求項２】請求項１記載の光学装置において、前記動
作光は前記被動作光と同一方向の円偏光であることを特
徴とする光学装置。2. The optical device according to claim 1, wherein the operating light is circularly polarized light in the same direction as the operated light. 【請求項３】請求項１記載の光学装置において、前記動
作光は前記被動作光と逆方向の円偏光であることを特徴
とする光学装置。3. The optical device according to claim 1, wherein the operating light is circularly polarized light in a direction opposite to that of the operated light. 【請求項４】請求項１記載の光学装置において、前記被
動作光と逆方向の偏光である第２の被動作光を発生し、
前記半導体に照射する第３の偏光発生手段（２３）と、 前記半導体を透過する前記第２の被動作光の強度を検出
する第２の受光手段（２７）とを備え、 前記動作光を前記半導体に照射することにより、前記半
導体を透過する前記被動作光及び第２の被動作光の強度
が変調されることを特徴とする光学装置。4. The optical device according to claim 1, wherein a second actuated light having a polarization direction opposite to that of the actuated light is generated;
a third polarized light generating means (23) for irradiating the semiconductor; and a second light receiving means (27) for detecting the intensity of the second actuated light transmitted through the semiconductor; An optical device characterized in that the intensity of the actuated light and the second actuated light that pass through the semiconductor is modulated by irradiating the semiconductor. 【請求項５】請求項１乃至４記載の光学装置において、
前記半導体が量子井戸構造であることを特徴とする光学
装置。5. The optical device according to claims 1 to 4,
An optical device characterized in that the semiconductor has a quantum well structure. 【請求項６】直線偏光の非動作光（７８）を発する第１
の発光手段（７０）と、 半導体装置を有し、共振器長に近接する波長の前記直線
偏光の非動作光を受けて第１の光を出力する共振器手段
（７４）と、該第１の光を受けて第２の光を出力する１
／４波長板（７３）と、該第２の光を受けて第３の光を
出力する偏光子（７７）と、前記直線偏光の非動作光の
強度に基づいて右又は左に円偏光している第１の光に起
因した前記第３の光を受光する第１の受光手段（７５）
とを備えた光学装置。6. A first light source that emits linearly polarized non-operating light (78).
a resonator means (74) having a semiconductor device and outputting a first light upon receiving the linearly polarized non-operating light having a wavelength close to the resonator length; 1 which receives the light and outputs the second light
/4 wavelength plate (73), a polarizer (77) that receives the second light and outputs a third light, and circularly polarizes the light to the right or left based on the intensity of the linearly polarized non-operating light. first light receiving means (75) for receiving the third light caused by the first light;
An optical device comprising: 【請求項７】請求項６記載の光学装置において、更に直
線偏光以外の偏光の動作光（７６）を発する第２の発光
手段（７２）を有し、該動作光は前記直線偏光の非動作
光を右円偏光又は左円偏光のいずれかに変化させる偏光
方向を有し、 前記動作光はパルス波形を有することを特徴とする光学
装置。7. The optical device according to claim 6, further comprising a second light emitting means (72) for emitting operating light (76) of polarized light other than the linearly polarized light, the operating light being a non-operating light of the linearly polarized light. An optical device having a polarization direction that changes light into either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light, and wherein the operating light has a pulse waveform. 【請求項８】請求項６記載の光学装置において、前記偏
光子は第４の光を出力し、 前記光学装置は更に、前記第３の光に関する前記第１の
光の偏光方向とは異なる偏光方向の第１の光に関する前
記第４の光を受光する第２の受光手段（７９）を有する
ことを特徴とする光学装置。8. The optical device according to claim 6, wherein the polarizer outputs a fourth light, and the optical device further outputs a polarization direction of the third light that is different from the polarization direction of the first light. An optical device comprising a second light receiving means (79) for receiving the fourth light related to the first light in the direction. 【請求項９】請求項８の光学装置において、直線偏光以
外の偏光の動作光（７６）を発する第２の発光手段（７
２）を有し、 該動作光は前記直線偏光の非動作光を右円偏光又は左円
偏光のいずれかに変化させる偏光方向を有し、 前記動作光はパルス波形を有することを特徴とする光学
装置。9. The optical device according to claim 8, wherein the second light emitting means (76) emits the operating light (76) of polarized light other than linearly polarized light.
2), the operating light has a polarization direction that changes the linearly polarized non-operating light into either right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light, and the operating light has a pulse waveform. optical equipment. 【請求項１０】直線偏光以外の偏光の第１の光（２８）
を半導体装置（２４）に照射するステップと、 第１の入力データに対応するパルス波形を有し、前記第
１の光を半導体装置に照射している状態で、直線偏光以
外の偏光の第２の光（２６）を半導体装置に照射するス
テップと、 第２の入力データに対応するパルス波形を有し、前記第
１の光を半導体装置に照射している状態で、直線偏光以
外の偏光の第３の光（２９）を半導体装置に照射するス
テップと、 前記第２及び第３の光の少なくともいずれか一方の照射
により半導体中に励起されたヘビーホールとライトホー
ルの遷移により生成された電子の作用により前記第１の
光の強度のピーク及び電子のスピン緩和による該ピーク
の減少を、前記第１及び第２のＯＲ論理結果として出力
するステップとを有する光ＯＲ論理演算方法。Claim 10: First light (28) with polarization other than linear polarization.
irradiating the semiconductor device (24) with a pulse waveform corresponding to the first input data, and in a state where the semiconductor device is irradiated with the first light, a second beam of polarized light other than the linearly polarized light; irradiating the semiconductor device with light (26) having a pulse waveform corresponding to second input data, and in a state in which the semiconductor device is irradiated with the first light, polarized light other than linearly polarized light; irradiating the semiconductor device with third light (29); and electrons generated by transition between heavy holes and light holes excited in the semiconductor by the irradiation with at least one of the second and third lights. outputting the peak of the intensity of the first light and the decrease in the peak due to spin relaxation of the electrons as the first and second OR logic results.