JP2004157326A - Transmission path by quantum dot - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transmission path by quantum dots, which can transmit light made incident at a nano scale with high efficiency. <P>SOLUTION: The first quantum dot 12 and the second quantum dot 13 varying in sizes are formed on a substrate 11 composed of a conductive crystal and a resonance effect is induced between the quantum levels at which state density functions are equaled to each other, allowing the exciton existing within the first quantum dot 12 to be implanted into the quantum level of the second quantum dot 13. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【００３６】
この式（１）に基づき、各量子ドット１２、１３のＥ（ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）に対応する波長をもつ光を、図示しない照射系を介して第１の量子ドット１２へ照射する。
【００３７】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、当該第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００３８】
すなわちこの光伝送路１は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で励起子を伝送することができる。従って図３の如く互いに大きさの異なる３つ以上の量子ドットを基板１１上に形成してゆくことにより、伝送路の長さを変えて構成することも可能である。
【００３９】
次に各量子ドット１２，１３の作製方法について説明をする。各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＣｕＣｌを採用する場合において、以下に説明するブリッジマン法を用いることにより作製することができる。このブリッジマン法において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ／ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２、１３を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２、１３のサイズを自在に制御することもできる。具体的には、熱処理の温度を４００℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズを大きく制御することができ、一方熱処理の温度を１２０℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズをより小さく制御することができる。
【００４０】
一方、各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＧａＮやＺｎＯを用いる場合において、例えば図４に示すように分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法により作製することができる。このＭＢＥ成長法は、図４に示す酸化物ドット形成工程において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針を基板１１にに接近させて電圧を印加させる。これにより大気中に含まれている水分が、探針の居所電場に基づきＨ^＋と、ＯＨ⁻に分解し、さらにこのＯＨ⁻が探針直下の基板１１上において酸化物ドット３１が形成される。ちなみに、この酸化物ドット３１は、ＡＦＭによる電圧印加時間と、酸化時間により自在に制御することができる。次にエッチング工程において、上記作成した酸化物ドット３１をエッチング液又は超音波洗浄により除去し、基板に凹部３２を形成させる。最後にＭＢＥ形成工程において、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）モードを用いて、上述した凹部３２へ量子ドットを成長させる。ちなみに、ＭＢＥ形成工程において、このＳ−Ｋモードによる成長時間を制御することにより、凹部３２のみに対して精度よく量子ドットを成長させることが可能となる。
【００４１】
次に、本発明を適用した光増幅器２について説明をする。
【００４２】
光増幅器２は、図５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット２２からなる量子ドットグループ２０と、光を入出射するための突出部１４２を有し、当該突出部１４２が第２の量子ドット２３の近傍に位置するように配設されている光プローブ２４と、第２の量子ドット近傍と基板２１の側面とを連結するように基板２１内に埋設されている出力側導波路２５とを備えている。
【００４３】
光プローブ２４は、図５に示すように光導波部１４１と、突出部１４２と備える。光導波部１４１は、コア１６０の周囲にクラッド１６１が設けられた光ファイバより構成される。コア１６０及びクラッド１６１は、それぞれＳｉＯ_２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３等を添加することにより、コア１６０よりもクラッド１６１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部１４２は、光導波部１４１の一端においてクラッド１６１から突出させたコア１６０を先鋭化させることにより構成される。
【００４４】
このような構成からなる光プローブ２４は、図示しない外部光源から光導波部１４１を介して光が供給される。この光プローブ２４は、突出部１４２を介して第２の量子ドット２３へ、最小で約１０ナノメータのスケールで光を入力することができる。
【００４５】
出力側導波路２５は、第２の量子ドット２３から供給される光を伝播して、出力側光ファイバ２６へ供給するための導波路である。この出力側導波路２５は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。かかる金属導波路として構成した出力側導波路２５は、例えば近接場光ＣＶＤ等により基板２１上に作製される。
【００４６】
ちなみに、この出力側導波路２５は、図示しない光結合用量子ドットに代替してもよい。この光結合用量子ドットは、第２の量子ドット２３から出力側光ファイバ２６へ長手方向に配列させた量子ドットであり、出力側光ファイバ２６へ近づくにつれて、量子ドットのサイズを序々に拡大することにより、後述する共鳴効果に基づき光を伝播させてゆく。また、上述した光プローブ２４の代替として、この出力側導波路２５と同一の構成からなる図示しない入力側導波路を第２の量子ドット２３近傍に設けてもよい。これにより、外部光源から光ファイバを介して当該入力側導波路へ光を供給することが可能となり、光プローブ２４を用いることなく、第２の量子ドット２３へ容易に光入力することができる。
【００４７】
量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット２２、２３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット２２、２３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。なお、この各量子ドット２２、２３の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００４８】
このような構成からなる光増幅器２において、上述した共鳴が生じると、図６に示すように第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。すなわちこの光増幅器２は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、図６に示すように第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット２３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することができる。
【００４９】
ちなみに上述した量子ドット２２、２３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット２３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００５０】
この光増幅器２における各量子ドット２２，２３の作製方法は、量子ドット１２，１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【００５１】
次に、本発明を適用した光増幅器１の動作について説明をする。
【００５２】
先ず光プローブ２４を構成する突出部１４２から、第２の量子ドット２３へ、光が供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に分布している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの量子準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が光プローブ２４から供給されると、これら光は反転分布に応じて放出される光により増幅されることになる。第２の量子ドット２３により増幅された光は、出力側導波路２５へ供給され、さらには出力側光ファイバ２６を介して外部へ伝搬される。
【００５３】
以上説明したように、本発明を適用した光増幅器２は、大きさの異なる各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができ、これらが第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移するため、第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と基底準位との間で反転分布を形成させることができる。これにより第２の量子ドット２３に注入されるナノスケールの光により、量子準位（１，１，１）から基底準位へ誘導放出遷移させて光を増幅させることができる。
【００５４】
特に２つの量子準位間で生成される反転分布は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができ、高効率に光増幅を行うことが可能となり、ひいては単一電子レベルで且つナノスケールで光通信可能な光通信システムの実現化を促進することができる。
【００５５】
本発明を適用した光増幅器２は、形成される第１の量子ドット２２の数を調節することにより、増幅される光強度を自在に制御することができる。第１の量子ドット２２の数を増やすことにより、第２の量子ドット２３へ注入される励起子数を増加させ、誘導放出される光を増加させることができるからである。
【００５６】
なお、本発明に係る光増幅器１は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット２２は、環状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット２３近傍においてライン状或いは曲線状に形成されてもよいことは勿論である。
【００５７】
また本発明は、例えば複数の量子ドットグループにより、伝播される光を増幅する光増幅器３に適用してもよい。
【００５８】
図７は、光増幅器３の構成を示している。光増幅器３は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット２２からなる複数の量子ドットグループ４０とを備えている。なお、この光増幅器３において、光増幅器１と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００５９】
量子ドットグループ４０は、基板２１上においてランダムに複数形成されている。各量子ドットグループ４０は、それぞれ第２の量子ドット２３を介して伝播する光を増幅し、これを出力する。
【００６０】
ちなみにこの量子ドットグループ４０における光増幅方法は、光増幅器１における量子ドットグループ２０と同様である。すなわちこの量子ドットグループ４０は、形成された第２の量子ドット２３の各量子準位（２，１，１）へ、第１の量子ドット２２を介して励起子を注入させる。次に量子ドットグループ４０は、第２の量子ドット２３において量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。そして第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の基底準位への誘導放出遷移に基づき、第２の量子ドット２３毎に入力された光を増幅させることができる。
【００６１】
この量子ドットグループ４０が形成された基板上には、図示しない入力側光ファイバより光が供給される。またこの量子ドットグループ４０により増幅された光は、図示しない出力側光ファイバへ供給されて外部へ伝搬される。
【００６２】
次に、本発明を適用した光増幅器３の動作について説明をする。
【００６３】
先ず、入力側光ファイバから基板２１の表面へ光が供給される。この供給された光は、基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し、各量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に点在している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が基板２１表面より供給されると、これらは反転分布に応じて増幅されることになる。
【００６４】
増幅された光は第２の量子ドットを出射して、再び基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し他の量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給され、再度増幅される。このように複数回に渡って増幅された基板２１上の光は、出力側光ファイバに集光されて外部へ供給される。
【００６５】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光増幅器３は、複数の量子ドットグループ４０により、伝播される光を複数回にわたり増幅させることができるため、光強度を格段に向上させることができる。また基板２１上に形成する量子ドットグループ４０の数や配置を変えることにより、増幅する光強度を自在に設定することも可能となる。
【００６６】
また本発明を適用した光増幅器３では、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。
【００６７】
次に、本発明を適用した光発振器９について説明をする。
【００６８】
図８（ａ）は、光発振器９の構成を示している。光発振器９は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において第１の量子ドット２２を長手方向に２列に配列させた第１の量子ドットライン９１と、基板２１の表面において上記２列に配列された第１の量子ドットライン９１の間に第２の量子ドット２３を長手方向に配列させた第２の量子ドットライン９２と、第２の量子ドットライン９２の両端に位置する反射膜９３とを備えている。なお、この光発振器９において、光増幅器２と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００６９】
第１の量子ドットライン９１は、配列させた第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）を、第２の量子ドットライン９２中の第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）と共鳴させる。そして第１の量子ドットライン９１は、各第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）の励起子を、当該第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ注入する。ちなみにこの第１の量子ドットライン９１には、第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に対応する波長の光が図示しない照射系より照射される。
【００７０】
第２の量子ドットライン９２は、励起子が注入された第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）から、それぞれ第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ励起子を遷移させる。そして、当該第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。更にこの第２の量子ドットライン９２は、量子準位（１，１，１）にある励起子を基底準位へ自然放出遷移させる。この第２の量子ドット２３毎に放出された光は、第２の量子ドットライン９２上を長手方向に伝搬する。
【００７１】
反射膜９３は、基板２１の端面にそれぞれ形成されたいわゆる反射ミラーであり、第２の量子ドットライン９２を伝搬する光を往復反射させることにより共振させる。この反射膜９３間の距離は、伝搬する光の共振条件を満たすべく、上記伝搬する光の波長の整数倍になるように設定される。ちなみにこの反射膜９３は、例えば１００％に近い反射率を有する誘電体多層膜であり、屈折率が大小異なる薄膜を交互に重ねて蒸着することにより得られる。
【００７２】
このような構成からなる光発振器９は、第２の量子ドット２３内において形成された２つの量子準位間の反転分布に応じて光が放出され、この放出された光は、反転分布が形成された第２の量子ドットライン９２中を往復することができる。これにより光強度は次第に増加してレーザ発振させることができる。
【００７３】
すなわち、本発明を適用した光発振器９は、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、高効率に光発振を行うことができる。
【００７４】
この光発振器９における量子ドットライン９１，９２は、上述した形態に限定されるものではなく、例えば図８（ｂ）に示すように第２の量子ドット２３の周辺に離散的に第１の量子ドット２２を形成してもよいことは勿論である。これにより、共鳴により第２の量子ドット２３へ移動する励起子を増やすことができ、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光発振させることができる。
【００７５】
次に本発明を適用した波長多重装置４３並びに波長分離装置４５について説明をする。
【００７６】
図９は、本発明に係る波長多重装置４３並びに波長分離装置４５が適用される光通信システム４の構成を示している。この光通信システム４は、第１のナノ光デバイス４２と、波長多重装置４３と、光ファイバ４４と、波長分離装置４５と、第２のナノ光デバイス４６とを備えている。
【００７７】
第１のナノ光デバイス４２は、波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信方式の下、互いに波長の異なる光を多数生成し、当該生成した光を搬送波として位相変調をかけることにより光変調信号を作り出し、これらを波長多重装置４３へ供給する。第１のナノ光デバイス４２は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる搬送波を生成してもよい。この第１のナノ光デバイス４２は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子であり、上述した光変調信号をナノスケールオーダーの領域を介して出射することができる。ちなみに量子ドットは、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御できる素子である。
【００７８】
波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から供給される各光変調信号を多重化し、光ファイバ４４へ送信する。光ファイバ４４は、波長多重装置４３及び波長分離装置４５に接続され、波長多重装置４３において多重化された各光変調信号を波長分離装置４５へ伝送する。波長分離装置４５は、光ファイバ４４を介して伝送された光変調信号を波長毎にナノスケールで分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。なお、波長多重装置４３並びに波長分離装置４５の詳細については後述する。
【００７９】
第２のナノ光デバイス４６は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子である。この第２のナノ光デバイス４６は、波長分離装置４５よりナノスケールで波長分離されて供給される光変調信号を、光電変換して読み出す。ちなみに第２のナノ光デバイス４６は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる光変調信号を読み出してもよい。
【００８０】
すなわちこの光通信システム４では、ｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得ることできる。
【００８１】
次に本発明を適用した波長多重装置４３の具体的な構成について図１０を用いて説明をする。波長多重装置４３は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４３２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４３２において、第２の量子ドット４３４は、光ファイバ４４側に形成され、第１の量子ドット４３３は、第１のナノ光デバイス４２側に形成される。
【００８２】
また量子ドットグループ４３２は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて複数並設される。量子ドットグループ４３２ａには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λａの搬送波が供給される。また量子ドットグループ４３２ｂには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｂの搬送波が供給される。さらに量子ドットグループ４３２ｃには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｃの搬送波が供給される。この量子ドットグループ４３２は、それぞれ供給された搬送波を、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、多重光生成領域４３５にて多重化し、光ファイバ４４へ出射する。
【００８３】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。量子ドットグループ４３２は、通信帯域に対応させるべく、量子ドット４３３、４３４をＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【００８４】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。なおこの各量子ドット４３３、４３４の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００８５】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、各量子ドット４３３、４３４をナノスケールで構成することにより、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【００８６】
図１１は、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。各量子ドット４３３、４３４におけるＥ（ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ）は、上述した式（１）により定義される。
【００８７】
この式（１）に基づき、各量子ドット４３、４３４のＥ（ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ）を計算するとき、第１の量子ドット４３３と第２の量子ドット４３４の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット４３３における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ_１（１１１）と、第２の量子ドット４３４における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ_２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【００８８】
かかる共鳴が生じる場合には、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。そして、この第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００８９】
また、第１の量子ドット４３３において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波を含む光変調信号を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【００９０】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４３３は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【００９１】
例えば量子ドットグループ４３２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４３２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４３２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドットグループ４３４へ移動させることができる。
【００９２】
すなわち、本発明を適用した波長多重装置４３では、かかる量子ドットグループ４３２における波長選択性を利用することにより、第１のナノ光デバイス４２から入射される互いに波長の異なる搬送波からなる光変調信号を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、多重化させることができる。
【００９３】
ちなみにこれら量子ドットグループ４３２は、各量子準位を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより上述したエネルギーギャップＥｇ１を設定してもよい。
【００９４】
すなわち、量子ドットグループ４３２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、量子ドットグループ間でエネルギーギャップＥｇ１を変化させることができる。これにより各量子ドットグループ４３２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。ちなみに、材質を変更する場合において、例えば材料系としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、各量子ドットグループ４３２間で、Ｉｎの含有量を微量に変えて構成してもよい。
【００９５】
また、本発明を適用した波長多重装置４３では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板３２上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成させることができる。
【００９６】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００９７】
上述のような構成からなる波長多重装置４３は、例えば以下の如く動作することができる。
【００９８】
先ず、第１のナノ光デバイス４２から、各量子ドットグループ４３２を構成する第１の量子ドット４３３へ、互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４３２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて設定されているため、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、多重光生成領域４３５へ出射される。多重光生成領域４３５において、複数の量子ドットグループ４３２から供給され、互いに異なる波長を持つ搬送波が多重合成され、光ファイバ４４へ出射される。
【００９９】
以上説明したように、本発明を適用した波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波をナノスケールの領域を介して受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３、４３４を介して移動させて多重合成することができる。これによりナノスケールで入力される各搬送波を高効率に合成して多重化することができ、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【０１００】
なお、本発明を適用した波長多重装置４３は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１２に示すように、各量子ドットグループ４３２において、量子ドット４３７を追加してもよい。量子ドット４３７は、第１の量子ドット４３３と対になるように第１のナノ光デバイス４２側において離散的に複数形成されている。量子ドット４３７は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波が供給され、基底準位から励起された励起子を上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４３７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【０１０１】
また量子ドットグループ４３２は、図１０，１２に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得るために、ｎグループ並設するようにしてもよい。
【０１０２】
次に本発明を適用した波長分離装置４５の具体的な構成について図１３を用いて説明をする。なお、上述した波長多重装置４３と同一の構成、部材には同一の番号を付して説明を引用する。
【０１０３】
波長分離装置４５は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４５２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４５２において、第１の量子ドット４３３は、光ファイバ４４側に形成され、第２の量子ドット４３４は、第２のナノ光デバイス４６側に形成される。
【０１０４】
また量子ドットグループ４５２は、第２のナノ光デバイス４６へ供給する搬送波の波長に応じて複数形成される。この量子ドットグループ４５２は、光ファイバ４４から供給された多重光を、これら複数の量子ドットグループ４５２により、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、互いに波長の異なる各搬送波へ分離し、第２のナノ光デバイス４６へ供給する。例えば量子ドットグループ４５２ａは、多重光入射領域４５５から波長λａの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｂは、多重光入射領域４５５から波長λｂの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｃは、多重光入射領域４５５から波長λｃの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。
【０１０５】
量子ドットグループ４５２を構成する量子ドット４３３、４３４は、上述の如くそれぞれナノスケールで構成されているため、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【０１０６】
第１の量子ドット４３３において、図１１に示すように、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次移動させることができる。
【０１０７】
すなわち、第１の量子ドット４３３は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４５２は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【０１０８】
例えば、量子ドットグループ４５２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、光ファイバ４４から供給される多重光のうち一の搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４５２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４５２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を、供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。
【０１０９】
すなわち、本発明を適用した波長分離装置４５では、かかる量子ドットグループ４３３における波長選択性を利用することにより、互いに波長の異なる搬送波を含む多重光を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、それぞれ分離させることができる。
【０１１０】
ちなみにこれら量子ドットグループ４５２は、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより自在に設定してもよい。
【０１１１】
すなわち、量子ドットグループ５２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、エネルギーギャップＥｇ１を設定することができる。これにより各量子ドットグループ４５２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。
【０１１２】
また、本発明を適用した波長分離装置４５では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板４３１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。
【０１１３】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。
【０１１４】
上述のような構成からなる波長分離装置４５は、例えば以下の如く動作することができる。
【０１１５】
先ず、光ファイバ４４から各量子ドットグループ４５２を構成する第１の量子ドット４３３へ、多重光入射領域４５５を介して互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４５２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２へ供給する搬送波の波長に応じて設定されているため、当該波長の搬送波の成分のみ第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、第２のナノ光デバイス４６へ送信される。
【０１１６】
以上説明したように、本発明を適用した波長分離装置４５は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光を受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３，４３４を介して移動させて、第２のナノ光デバイス４６へ提供することができる。これにより、各搬送波を含む多重光をナノスケールで高効率に分離することができるため、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【０１１７】
なお、本発明を適用した波長分離装置４５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１４に示すように、各量子ドットグループ４５２において、量子ドット４５７を追加してもよい。量子ドット４５７は、第１の量子ドット４３３と対になるように光ファイバ４４側において離散的に複数形成されている。量子ドット４５７は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光が供給され、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４５７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【０１１８】
また量子ドットグループ４３２は、図１３、１４に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量が得るために、ｎグループ設けるようにしてもよい。
【０１１９】
次に本発明を適用した近接場集光器５について説明をする。なお、上述した光増幅器２と同一の構成、部材については同一の番号を付して説明を省略する。
【０１２０】
近接場集光器５は、図１５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板５１１と、基板５１１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット１３並びに当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ５２０とを備えている。各量子ドット１２，１３が形成された基板５１１の上方には、照射光学系５１８が配設され、当該照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射される。
【０１２１】
すなわちこの近接場集光器５は、例えば図６に示すように辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板５１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に応じて励起子が自然放出遷移することにより光が放出されることになる。
【０１２２】
ナノスケールの第２の量子ドット１３から放出される光は、ナノメートルサイズの極めて狭い領域において分布することになる。これにより、励起子を介して第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へエネルギーを供給することができ、当該エネルギーに基づき放出される光をナノスケールの領域に分布させることにより見かけ上集光させることができる。ちなみに本発明では、用途に応じて各量子ドットのサイズを変えることにより、集光させるサイズを自在に調整することもできる。
【０１２３】
また、第２の量子ドット１３の周囲において、多くの第１の量子ドット１２が形成されているほど、第２の量子ドット１３へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間に生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上げることができ、さらには用途に応じて基板１１上に形成する第１の量子ドット１２の数量を調整することにより、放出される光強度を変化させることもできる。
【０１２４】
ちなみに上述した量子ドット１２、１３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、量子準位を介した励起子の移動を利用することにより、上述のエネルギー移動を実現することができるため、光損失を軽減させて非常に高効率な近接場集光を実現させることができる。例えば従来の近接場光プローブでは、ナノスケールの領域において約１０^−６程度の効率でしか近接場集光させることができないのに対し、本発明を適用した近接場集光器５では、同じナノスケールの領域において１００％近い効率で近接場集光させることができる。
【０１２５】
これにより、本発明を適用した近接場集光器５を用いることにより、量子ドットから構成される近接場ナノ光デバイスの空間分解能を向上させることも可能となる。
【０１２６】
なお、本発明に係る近接場集光器５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット１２は、図１５に示すように第２の量子ドット１３を中心として曲線状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット１３を中心とした円弧上に形成されていてもよい。
【０１２７】
また本発明を適用した近接場集光器５は、図１６に示すように第１の量子ドット１２の外郭において、さらに外郭量子ドット５３１を形成してもよい。この外郭量子ドット５３１は、第１の量子ドット１２と対になるように離散的に複数形成されている。外郭量子ドット５３１と第１の量子ドット１２の辺長比は、およそ１：√２であり互いに励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。外郭量子ドット５３１には、照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射することにより励起された励起子を、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）へ順次注入することができる。この第１の量子ドット１３における量子準位（１，１，１）へ順次注入された励起子は、上述の如く第２の量子ドット１３へ注入されることになる。
【０１２８】
すなわち、第１の量子ドット１２の周囲に多くの外郭量子ドット５３１が形成されているほど、第１の量子ドット１２へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上昇させることができる。さらに用途に応じて基板５１１上に形成する外郭量子ドット５３１の数量を調整することにより、放出される光強度をさらに細かいステップで変化させることも可能となる。
【０１２９】
なお、外郭量子ドット５３１のさらに外郭においても同様に量子ドットが形成されていてもよいことは勿論である。
【０１３０】
次に本発明を適用した光ゲート素子６について説明をする。
【０１３１】
光ゲート素子６は、図１７に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板６１１と、基板６１１の表面上において形成されている第２の量子ドット６１３並びに当該第２の量子ドット６１３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット６１２、第３の量子ドット６１４からなる量子ドットグループ６２０と、信号光を出射するための突出部２１２が第１の量子ドット６１２の近傍に位置するように配設されている入射側光プローブ６２１と、信号光を入射させるための突出部３１２が第３の量子ドット１４の近傍に位置するように配設されている出射側光プローブ６４１と、基板６１１上に積層され電圧制御部６１６を介して制御電圧Ｖが印加されるＰＮ接合層６１５とを備えている。
【０１３２】
入射側光プローブ６２１は、図１７に示すように突出部２１２に加えて光導波部２１１をさらに備え、光導波部２１１は、コア２３０の周囲にクラッド２３１が設けられた光ファイバより構成される。コア２３０及びクラッド２３１は、それぞれＳｉＯ_２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３等を添加することにより、コア２３０よりもクラッド２３１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部２１２は、光導波部２１１の一端においてクラッド２３１から突出させたコア２３０を先鋭化させることにより構成される。
【０１３３】
このような構成からなる入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光導波部２１１を介して信号光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、突出部２１２を介して第１の量子ドット６１２へ、ナノスケールで信号光を入力することができる。
【０１３４】
出射側光プローブ６４１は、図１７に示すように突出部３１２に加えて光導波部３１１をさらに備え、光導波部３１１は、コア３３０の周囲にクラッド３３１が設けられた光ファイバより構成される。このような構成からなる出射側光プローブ６４１は、ナノスケールサイズの第３の量子ドット６１４から放出される信号光を取り出して外部へ搬送することができる。
【０１３５】
なお、この入射側光プローブ６２１及び出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット６１２へ供給し、或いは第３の量子ドット６１４から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１３６】
量子ドットグループ６２０を構成する各量子ドット６１２，６１３，６１４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット６１２は、入射側光プローブ６２１から入力される信号光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット６１３へ注入する。第２の量子ドット６１３は、ＰＮ接合層６１５上に形成され、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖに応じて、第１の量子ドット６１３から注入される励起子を第３の量子ドット６１４へさらに注入し、或いは励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させる。第３の量子ドット６１４は、第２の量子ドット６１３から注入される励起子を自然放出遷移させて光に変換し、これを信号光として出力側光プローブ６４１へ供給する。
【０１３７】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４は、ＣｕＣｌ、ＩｎＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＩｎＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【０１３８】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＩｎＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、第２の量子ドット６１３は、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４よりも大体積で構成され、第１，第３の量子ドット６１２，６１４と第２の量子ドット６１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第１の量子ドット６１２並びに第３の量子ドット６１４は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第２の量子ドット６１３を中心として半径２５ｎｍ以内の領域において、離散的に形成されている。
【０１３９】
図１８は、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。第１の量子ドット６１２と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット６１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ_１（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ_２（２１１）とが等しくなる。すなわち第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１４０】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット６１２から第２の量子ドット６１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【０１４１】
ちなみに第１の量子ドット６１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップに応じた波長の信号光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット６１２は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【０１４２】
また式（１）に基づいて第３の量子ドット６１４のＥ（ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ）を計算するとき、第３の量子ドット６１４と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第３の量子ドット６１４における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ_３（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ_２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１４３】
すなわちこの光ゲート素子６は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット６１２，６１３，６１４を基板６１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、通常、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット６１３の基底準位ｂ２よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、さらには、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を、基底準位ｂ２へ自然放出遷移させることができる。
【０１４４】
ＰＮ接合層６１５は、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖの極性に応じて、整流作用を有する。このＰＮ接合層６１５は、例えば図１９に示すようにｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られる。
【０１４５】
このような構成のＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを正とし、ｐ−ＧａＮを負とする、いわゆる逆方向バイアス電圧を印加することにより、空乏層を広げることができる。一方、ＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを負とし、ｐ−ＧａＮを正とする、いわゆる正方向バイアス電圧を印加することにより電流を流すことができ、励起子を伝搬させることができる。
【０１４６】
このため第２の量子ドット６１３について、例えば図１９に示すようにＰＮ接合面近傍に形成し、さらにＩｎＧａＮ等のように、ＧａＮよりも低エネルギー状態の材質で構成することにより、正方向バイアス印加時において励起子を注入することができる。一方、逆方向バイアス印加時には、第２の量子ドット６１３が形成されるＰＮ接合面近傍は空乏化されているため、励起子が移動することがなくなり、さらには、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を抑えることができる。
【０１４７】
すなわち、このＰＮ接合体６１５は、電圧制御部６１６により印加する電圧の極性を変化させることにより、第２の量子ドット６１３が形成されている領域において電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することができるため、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を制御することができる。
【０１４８】
なお、第２の量子ドット６１３へ励起子が注入されると、当該励起子は、基底準位ｂ２から徐々に配列するため、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２との励起子の密度の間に格差がなくなり、これら２つの量子準位間において反転分布が生じなくなる。その結果、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）から基底準位ｂ２へ励起子の自然放出遷移が生じなくなる。
【０１４９】
ここで第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）から、第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ励起子が順次注入されてくる場合に、上記反転分布を形成することができないと、励起子が自然放出遷移できずに蓄積され、過飽和状態になってしまう。かかる場合には、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）と共鳴関係にある第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）へ励起子がさらに移動することになる。かかる励起子が注入される第３の量子ドット６１４では、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３との間で反転分布を形成することができ、ひいては自然放出遷移により信号光を放出して、これを出射側光プローブ６４１へ供給することができる。
【０１５０】
このように、本発明を適用した光ゲート素子６は、入射される信号光を第１の量子ドット６１２により励起子に変換してこれを第２の量子ドット６１３へ注入する。また第２の量子ドット６１３を整流作用を持つＰＮ接合層６１５上に形成することにより、電圧制御部１６から印加される制御電圧Ｖに応じて２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させることができる。これにより、第３の量子ドット６１４へ移動する励起子数を減らすことができるため、当該第３の量子ドット６１４から放出される信号光の強度を抑えることができ、いわゆる光ゲートとして機能させることが可能となる。またこれらの量子ドット６１２，６１３，６１４は、それぞれナノスケールで構成され、ナノスケールで入力される信号光に対して光ゲートとして機能させることができるため、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることも可能となる。
【０１５１】
ちなみに上述した量子ドット６１２，６１３，６１４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット６１３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、光損失を軽減させつつ、上述した光ゲート機能を実現させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【０１５２】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４の作製方法については、上述した各量子ドット１２、１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【０１５３】
なお、本発明を適用した光ゲート素子６は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図２０に示すように、複数の量子ドットからなる他のナノ光デバイスと直接接続されていてもよい。すなわち回折限界以下の寸法でも動作する微小なナノ光デバイスが形成されている基板上に、本発明を適用した光ゲート素子を自在に形成することにより、ナノスケール大の光通信システムの実現化を促進することも可能となる。
【０１５４】
次に本発明を適用した波長変換素子７について説明をする。
【０１５５】
この波長変換素子７は、図２１に示すように、ＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板７１１と、基板７１１の表面上において形成されている第１の量子ドット７１２と、第１の量子ドット７１２の周囲において離散的に形成されている二つの第２の量子ドット７１３とからなる量子ドットグループ７２０とを備えている。
【０１５６】
量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット７１２は、入力される波長λ１の光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット７１３へ注入する。第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１３から注入される励起子を基底準位へ自然放出遷移させてこれを光として放出し、或いは当該励起子を互いに授受する。
【０１５７】
この各量子ドット７１２，７１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。ちなみに、この量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、通信帯域に対応させるべくＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【０１５８】
この各量子ドット７１２，７１３において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット７１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット７１２の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、すなわち第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１２よりも大体積で構成され、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第２の量子ドット７１３は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第１の量子ドット７１２を中心として半径３０ｎｍ以内の領域において、望ましくは半径１０ｎｍ以内の領域において、離散的に２つ形成されている。この２つ形成された第２の量子ドット７１３のうち、一方を第２の量子ドット７１３ａとし、他方を第２の量子ドット７１３ｂとする。
【０１５９】
このように量子ドットグループ７２０は、各量子ドット７１２、７１３をナノスケールで構成することにより、ナノスケールで入力される光の波長を変換することができ、或いは変換した光の波長をナノスケールで放出することができる。
【０１６０】
なお、これらの各量子ドット７１２、７１３の作製方法は、上述した各量子ドット１２、１３の記載を引用して説明を省略する。
【０１６１】
ちなみに、この量子ドットグループを構成する各量子ドット７１２，７１３に対しては、図１７に示すような入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１により光を入出力させる。
【０１６２】
入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、図２１に示すように、突出部２１２を介して第１の量子ドット７１２へ、光をナノスケールで入力することができる。同様に出射側光プローブ６２１は、第２の量子ドット７１３から放出されるナノスケールの光を取り出してこれを外部へ搬送することができる。
【０１６３】
なお、この入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット７１２へ供給し、或いは第２の量子ドット７１２から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１６４】
次に、各量子ドット７１２，７１３のエネルギー準位について説明をする。図２２は、各量子ドット７１２、７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。
【０１６５】
式（１）に基づき、各量子ドット７１２、７１３のＥ（ｎ_ｘ，ｎ_ｙ，ｎ_ｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット７１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ_１（１１１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ_２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット７１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１６６】
かかる共鳴が生じる場合おいて、見かけ上第１の量子ドット７１２から第２の量子ドット７１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。すなわち、この第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とは、相互に結合することになる。
【０１６７】
また、第１の量子ドット７１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長λ_１の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。そして、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）へ励起された励起子は、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）へと結合してゆく。
【０１６８】
すなわち、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット７１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を基底準位へ自然放出遷移させることができる。かかる励起子の自然放出遷移が生じると、量子準位（１，１，１）と基底準位のエネルギー差に相当する波長の光が放出されることになる。なお第２の量子ドット７１３ａから放出される光の波長をλ_２とし、第２の量子ドット７１３ｂから放出される光の波長をλ_３とする。
【０１６９】
ここでエネルギー保存の法則の観点から、光が供給される第１の量子ドット７１２におけるＥｇ１は、光を放出する第２の量子ドット７１３ａの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、及び第２の量子ドット７１３ｂの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３とのエネルギーギャップＥｇ３の和に等しいことが必要となる。ここでエネルギーＥは、Ｅ＝ｈｃ／λで表されるため、エネルギー的に平衡を保つためには、Ｅｇ１に相当する波長λ_１と、Ｅｇ２に相当する波長λ_２及びＥｇ３に相当する波長λ_３との間で、以下の（２）式に示す関係が成り立つことが必要となる。
１／λ_１＝１／λ_２＋１／λ_３ ・・・・・・（２）
ちなみに、第１の量子ドット７１２は、第２の量子ドット７１３よりも体積が小さいため、同一の量子準位（１，１，１）であっても、λ_１＜λ_２となる。従って、１個のフォトンにより励起された１つの励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ_２の光が放出されても、この第２の量子ドット７１３ａは、放出すべきエネルギーが余剰している状態にある。このため、第２の量子ドット７１３ａにある励起子は、さらに第２の量子ドット７１３ｂへと移動し、上述の如く２つの量子準位間で反転分布を形成して波長λ_３の光を放出する。
【０１７０】
すなわち、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）は、複数の第２の量子ドット７１３ａ、７１３ｂにおける量子準位（１，１，１）と相互に結合し、第１の量子ドット７１２において励起された励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ_２の光が放出し、さらにエネルギー余剰分に相当する励起子が第２の量子ドット７１３ｂへ移動して波長λ_３の光を放出することにより、エネルギー的に平衡を保つことができる。これにより、ナノスケールで入力される波長λ_１の光を、互いに異なる波長λ_２、λ_３の光に変換して放出することが可能となる。
【０１７１】
このように本発明を適用した波長変換素子１では、体積が異なる各量子ドット７１２、７１３を基板７１１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第１の量子ドット７１２の量子準位と、複数の第２の量子ドット７１３の量子準位とを結合させることができる。これにより、１個のフォトンにより励起された１つの励起子を、エネルギー保存の法則を満たすように複数の第２の量子ドット７１３へ移動させ、それぞれにおいて形成された反転分布に応じた異なる波長の光を放出することができるため、入力された光の損失を抑えて高効率に波長変換することができる。またこの波長変換素子１を構成する各量子ドット７１２、７１３は、ナノメータサイズで構成されているため、ナノスケールで入力される光であっても効率よく波長変換することができる。
【０１７２】
なお、本発明を適用した波長変換素子７は、上述した実施の形態に限定されるものではない。上述の如く第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とを結合させて、励起子を移動させる場合のみならず、他の量子準位或いはサブレベルを介して励起子を移動させてもよい。
【０１７３】
また、第２の量子ドット７１３は、基板上７１１において２つ形成されている場合のみならず、３つ以上形成されていてもよい。これにより、ある一定の確率で量子準位間の結合を作り出すことができ、これらで波長変換させることで、多帯域にわたる光を作り出すことも可能となる。
【０１７４】
また第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比も上述の如く１：√２に限定されるものではなく、第１の量子ドット７１２の体積が、第２の量子ドット７１３の体積よりも小さくなれば、いかなる辺長比であってもよい。また、各量子ドット７１２、７１３間で体積を変えて構成する場合のみならず、材質を変えることにより、量子準位のレベルを設定してもよい。このとき、例えば量子ドットの材質としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、Ｉｎの含有量を変化させることにより、構成してもよい。
【０１７５】
また第２の量子ドット７１３は、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、Ｅｇ３を、それぞれ体積や材質を変化させることにより、放出する光の波長λ_２、λ_３を設定し直すことも可能である。これにより、放出する光の波長λ_２、λ_３を同等にしてもよいことは勿論である。
【０１７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る量子ドットによる光伝送路は、大きさが互いに異なる各量子ドットを基板上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第１の量子ドットから第２の量子ドットへ励起子を注入することができる。
【０１７７】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光増幅器は、大きさの異なる第１の量子ドット及び第２の量子ドットを基板上に設けることにより、状態密度関数が互いに等しくなる量子準位間で共鳴効果を起こさせ、第２の量子ドットの量子準位に励起子を注入させることにより生成される反転分布に応じて入力される光を増幅する。これにより本発明に係る光増幅器は、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができるため、励起子の振動子強度をより高めることができ、入力されるナノスケールの光を高効率に増幅させることができる。
【０１７８】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光発振器は、大きさの異なる第１の量子ドット及び第２の量子ドットを基板上に設けることにより、状態密度関数が互いに等しくなる量子準位間で共鳴効果を起こさせ、第２の量子ドットの量子準位に励起子を注入させることにより生成される反転分布に基づいて放出された光を共振させ、さらに光発振させることができる。これにより本発明に係る光発振器は、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができ、励起子の振動子強度をより高めることができるため、高効率に光発振を行うことができる。
【０１７９】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した波長多重装置は、第１のナノ光デバイスから互いに異なる波長の搬送波をナノスケールの領域を介して受け取り、エネルギーギャップに応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを各量子ドットを介して移動させて多重合成することができる。これによりナノスケールで入力される各搬送波を高効率に合成して多重化することができる。
【０１８０】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した波長分離装置は、光ファイバから互いに異なる波長の搬送波を含む多重光を受け取り、エネルギーギャップに応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを各量子ドットを介して移動させて、第２のナノ光デバイスへ提供することができる。これにより、各搬送波を含む多重光をナノスケールで高効率にそれぞれ分離することができる。
【０１８１】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した近接場集光器１は、導電性の結晶により構成される基板上に、大きさの異なる第１の量子ドット及び第２の量子ドットを形成して状態密度関数が互いに等しくなる量子準位間で共鳴効果を起こさせ、照射光学系から照射される光の波長に応じて第１の量子ドット内で励起された励起子を第２の量子ドットの量子準位へ注入させる。そして励起子を注入させることにより第２の量子ドットの量子準位間に生成される反転分布に応じて光を放出する。
【０１８２】
これにより、本発明を適用した近接場集光器は、ナノスケールの領域において高効率に近接場集光させることができ、ひいては量子ドットから構成される近接場ナノ光デバイスの空間分解能を向上させることも可能となる。
【０１８３】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光ゲート素子は、入射される信号光を第１の量子ドットにより励起子に変換してこれを第２の量子ドットへ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドットへ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドットから放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【０１８４】
これにより、本発明を適用した光ゲート素子は、ナノスケールで入力される信号光に対していわゆる光ゲートとして機能することができ、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることが可能となる。
【０１８５】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した波長変換素子は、体積が異なる各量子ドットを基板上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出し、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第１の量子ドットの量子準位と、複数の第２の量子ドットの量子準位とを結合させる。そして、第１の量子ドットにおいて励起された励起子を、エネルギー保存の法則を満たすように複数の第２の量子ドットへ移動させ、それぞれにおいて形成された反転分布に応じた異なる波長の光を放出する。
【０１８６】
これにより、入力された光の損失を抑えて高効率に波長変換することができ、さらにはナノメータサイズの各量子ドットにより構成されることで、ナノスケールで入力される光であっても効率よく波長変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の構成を示す図である。
【図２】量子ドットによる伝送路におけるエネルギバンド図である。
【図３】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の他の構成を示す図である。
【図４】量子ドットの作製例について説明するための図である。
【図５】本発明を適用した光増幅器の構成を説明するための図である。
【図６】光増幅器におけるエネルギバンド図である。
【図７】本発明を適用した光増幅器の他の構成を説明するための図である。
【図８】本発明を適用した光発振器の構成を説明するための図である。
【図９】本発明に係る波長多重装置並びに波長分離装置が適用される光通信システムの構成を示した図である。
【図１０】本発明を適用した波長多重装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１１】波長多重装置における量子準位を説明するための図である。
【図１２】本発明を適用した波長多重装置の他の構成について説明するための図である。
【図１３】本発明を適用した波長分離装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１４】本発明を適用した波長分離装置の他の構成について説明するための図である。
【図１５】本発明を適用した近接場集光器の構成を説明するための図である。
【図１６】本発明を適用した近接場集光器の他の構成を説明するための図である。
【図１７】本発明を適用した光ゲート素子の構成を説明するための図である。
【図１８】光ゲート素子におけるエネルギバンド図である。
【図１９】ｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られるＰＮ接合層の詳細について説明するための図である。
【図２０】本発明を適用した光ゲート素子の他の構成について説明するための図である。
【図２１】本発明を適用した波長変換素子の構成を説明するための図である。
【図２２】波長変換素子におけるエネルギバンド図である。
【符号の説明】
１ 伝送路、２，３ 光増幅器、４ 光通信システム、５、近接場集光器、６光ゲート素子、７ 波長変換素子、９ 光発振器、４３ 波長多重装置、４５波長分離装置、１２，２２，４３３，６１２，７１２ 第１の量子ドット、１３，２３，４３４，６１３，７１３ 第２の量子ドット、６１４ 第３の量子ドット、１１，２１，４３１，５１１，６１１，７１１ 基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a transmission line using quantum dots, which is applied particularly to fields such as a nanoscale optical communication network and optical measurement.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Due to the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size where quantum mechanical effects remarkably appear (for example, see Non-Patent Document 1). As a semiconductor device utilizing the quantum mechanical effect, for example, a HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor), a quantum well laser, or the like has been put to practical use. Attention has also been drawn to nanoscale quantum dots that utilize the particle properties of electrons to the utmost by controlling single electrons using the quantum mechanical effect.
[0003]
Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box of potential that is fine enough to give three-dimensional quantum confinement to excitons. Due to the near-field interaction using this exciton confinement system, the energy levels of the carriers in the quantum dots become discrete, and the density of states becomes sharper as a delta function. A single-electron memory utilizing the absorption of light between the sharpened states of the quantum dot and a single-electron transistor for turning on / off single electrons entering and exiting the quantum dot have already been studied. Nanoscale operation is being realized.
[0004]
[Non-patent document 1]
M. Ohtsu, K .; Kobayashi, T .; Kawazoe, S.M. Sangu, T .; Yatsui, IEEE J .; Sel. Top. Quant. Electron. , To be published
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a transmission path capable of transmitting light on a nanoscale with high efficiency has not yet been proposed. For this reason, there is a problem that the realization of an optical communication system capable of performing optical communication on a single-electron level and on a nanoscale cannot be promoted by connecting a semiconductor element using the above-described quantum dot.
[0006]
Further, a semiconductor optical amplifier capable of amplifying light with high efficiency on a nano scale has not yet been proposed. For this reason, there is a problem that the realization of an optical communication system capable of performing optical communication on a single-electron level and on a nanoscale cannot be promoted by connecting a semiconductor element using the above-described quantum dot.
[0007]
Also, in a conventional wavelength division multiplexing communication system, it is not possible to combine and multiplex carrier waves input on a nano scale from a nano optical device using quantum dots, and the multiplexed light is separated for each wavelength. It cannot be separated at the nanoscale and transmitted to the nanooptical device. For this reason, wavelength multiplex communication cannot be performed between nano optical devices operable even at dimensions smaller than the diffraction limit, and there is a problem that an ultra-miniaturized wavelength multiplex communication system cannot be proposed.
[0008]
It is also necessary to improve the spatial resolution of a nano-optical device using quantum dots or the like.
[0009]
It is also necessary to promote the realization of a nanoscale optical communication system by manufacturing an ultra-miniaturized optical gate.
[0010]
Furthermore, wavelength multiplexing communication between nano-optical devices that can not be converted in wavelength and can operate even at dimensions smaller than the diffraction limit for each carrier input at the nano-scale from a nano-optical device using quantum dots This makes it difficult to newly promote ultra-miniaturized wavelength division multiplexing communication.
[0011]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and has as its object to provide a transmission line using quantum dots that can transmit light incident on a nanoscale with high efficiency.
[0012]
Another object of the present invention is to provide an optical amplifier capable of amplifying light incident on a nanoscale with high efficiency, and to provide an optical oscillator capable of oscillating light with high efficiency on a nanoscale. I do.
[0013]
The present invention also provides a wavelength multiplexing device that combines and multiplexes each carrier input at the nanoscale, and a wavelength demultiplexer that can separate multiplexed light at the nanoscale for each wavelength. The purpose is to provide.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a near-field concentrator that can converge a near-field to a nanoscale region with high efficiency.
[0015]
Another object of the present invention is to provide an optical gate element having a nanoscale size.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a wavelength conversion element that can convert the wavelength of light input on a nanoscale with high efficiency.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a transmission line using quantum dots to which the present invention is applied is formed on a substrate having a first energy level in which an exciton exists and a substrate formed of a conductive crystal. The exciton is injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance between the first quantum dot to be formed and a first energy level formed on the substrate with a larger volume than the first quantum dot. A second quantum dot having a second energy level.
[0018]
An optical amplifier according to the present invention has a substrate formed of a conductive crystal and a first energy level in which an exciton exists, in order to solve the above-described problem. The first quantum dot formed as described above and the first quantum dot are formed on the substrate in a larger volume than the first quantum dot, and the first quantum dot is separated from the substrate by the resonance with the first energy level. Has a second energy level at which an exciton is injected through the second energy level and a third energy level lower than the second energy level, A second quantum dot that amplifies based on a population inversion formed between the energy level and the third energy level.
[0019]
In this optical amplifier, a first quantum dot and a second quantum dot having different sizes are provided on a substrate to cause a resonance effect between quantum levels having a state density function equal to each other. The input light is amplified according to the population inversion generated by injecting excitons into the quantum level of the dot.
[0020]
An optical oscillator according to the present invention has a substrate formed of a conductive crystal and a first energy level in which excitons exist, and a plurality of optical oscillators are formed on the substrate in order to solve the above-described problem. The first quantum dot has a larger volume than the first quantum dot, and excitons are injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level. A second energy level, and a third energy level that is lower than the second energy level, and a third energy level between the second energy level and the third energy level. A plurality of second quantum dots that emit light based on the population inversion formed on the substrate, and a plurality of quantum dot lines formed on the substrate in the longitudinal direction; Are arranged at both ends of the One of consists reflector comprises a resonance means for resonating the emitted light.
[0021]
In this optical oscillator, a first quantum dot and a second quantum dot having different sizes are provided on a substrate to cause a resonance effect between quantum levels having a state density function equal to each other. The emitted light resonates and oscillates based on the population inversion generated by injecting excitons into the quantum level of the dot.
[0022]
In order to solve the above-described problems, a wavelength multiplexing apparatus to which the present invention is applied includes a substrate formed of a conductive crystal and a first energy level at which an exciton is excited according to a wavelength of a supplied carrier wave. A first quantum dot having a potential, and a second quantum dot having a larger volume than the first quantum dot and excitons being injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level. 2 energy level and a third energy level lower than the second energy level and at which an exciton is transitioned, and formed between the third energy level and the ground level. A second quantum dot that emits light based on the inverted population distribution, and a quantum dot group comprising: a quantum dot group for each carrier wavelength that excites the excitons to a first energy level. Multiple on the above substrate It is composed of.
[0023]
In addition, the wavelength separation device to which the present invention is applied includes: a substrate formed of a conductive crystal; and a first energy level at which excitons are excited according to the wavelength of one carrier wave of the supplied multiplexed light. And a first quantum dot having a larger volume than the first quantum dot and having excitons injected from the first quantum dot via the substrate in response to resonance with the first energy level. 2 energy level and a third energy level lower than the second energy level and at which an exciton is transitioned, and formed between the third energy level and the ground level. A second quantum dot that emits light based on the population inversion obtained, and the quantum dot group includes a quantum dot group for each wavelength of each carrier that excites an exciton to a first energy level. Formed on the substrate
[0024]
In order to solve the above-mentioned problems, a near-field concentrator according to the present invention includes a substrate made of a conductive crystal, light irradiation means for irradiating light, and the light irradiation means formed on the substrate. A first quantum dot having a first energy level at which an exciton is excited in accordance with the wavelength of light emitted from the substrate, and a first energy formed on the substrate in a larger volume than the first quantum dot. A second energy level at which an exciton is injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the level, and a second energy level lower than the second energy level and the exciton is transited. A second quantum dot having a third energy level, and emitting light based on population inversion formed between the third energy level and the ground level. .
[0025]
This near-field light concentrator forms a first quantum dot and a second quantum dot having different sizes on a substrate made of a conductive crystal, and the quantum levels at which the state density functions become equal to each other. A resonance effect is caused between the first quantum dots and the excitons excited in the first quantum dots are injected into the quantum levels of the second quantum dots in accordance with the wavelength of the light emitted from the irradiation optical system. Then, light is emitted in accordance with the population inversion generated between the quantum levels of the second quantum dots by injecting excitons.
[0026]
In order to solve the above-described problems, the optical gate element to which the present invention is applied has a substrate made of a conductive crystal, and excitons are excited according to the wavelength of signal light incident on the substrate formed on the substrate. A first quantum dot having a first energy level and a larger volume than the first quantum dot, and from the first quantum dot via the substrate in response to resonance with the first energy level. A second energy level at which an exciton is injected, a second quantum dot having a lower energy level than the second energy level and a third energy level at which the exciton transitions, and And a fourth energy level at which excitons are injected from the second quantum dot through the substrate in response to resonance with the second energy level. A third quantity for emitting emitted light as signal light A dot and switch control means for injecting excitons to a ground level in the second quantum dot, wherein the second quantum dot has a third quantum dot in response to the exciton injected to the ground level. A population inversion is formed between the energy level and the ground level, and light is emitted from the third quantum level.
[0027]
This optical gate element converts the incident signal light into excitons by the first quantum dots and injects them into the second quantum dots. In addition, by injecting excitons into the ground level in the second quantum dot from the switch control means, a population inversion is formed between the two levels, and the exciton is spontaneously emitted to the ground level to make light transition. And acts as an optical gate that reduces the number of excitons moving to the third quantum dot and suppresses the intensity of the signal light emitted from the third quantum dot.
[0028]
In order to solve the above-mentioned problem, the wavelength conversion element to which the present invention is applied has a substrate formed of a conductive crystal, and is formed on the substrate and excitons are excited according to the wavelength of input light. A first quantum dot having a first energy level and a larger volume formed on the substrate than the first quantum dot, wherein the substrate is separated from the first quantum dot in response to resonance with the first energy level. The energy difference between the second energy level at which the exciton is injected through the second energy level and the ground level according to the wavelength of the input light is set, and the third energy level at which the exciton transitions from the second energy level is set. And a plurality of second light-emitting elements that emit light having a wavelength corresponding to the energy difference set based on the population inversion formed between the third energy level and the ground level. And quantum dots, wherein the plurality of second quantum dots are In accordance with the set energy difference, exchanges excitons in a third energy level to each other.
[0029]
This wavelength conversion element forms quantum levels having approximately the same state density function by forming quantum dots having different volumes on a substrate, and causes a resonance effect between them to generate a first quantum level. The quantum level of the dot is combined with the quantum levels of the plurality of second quantum dots. Then, the excitons excited in the first quantum dot are moved to a plurality of second quantum dots so as to satisfy the law of conservation of energy, and light of different wavelengths corresponding to the population inversion formed in each is emitted. I do.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
First, the transmission path 1 using quantum dots to which the present invention is applied will be described. The transmission path 1 is made of, for example, NaCl, KCl or CaF, as shown in FIG. ₂ , A first quantum dot 12 formed on the surface of the substrate 11, and a second quantum dot 13 formed in the vicinity of the first quantum dot 12. Is provided.
[0032]
Each of the quantum dots 12 and 13 constituting the quantum dot group 10 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. Each of the quantum dots 12 and 13 is made of a material system such as CuCl, GaN, or ZnO. When the material system of each of the quantum dots 12 and 13 is CuCl, they are formed as a cube, and When the material system forming the dots 12 and 13 is GaN or ZnO, these are formed as a spherical shape or a disk shape.
[0033]
In each of the quantum dots 12 and 13, when the constituent material system is CuCl, the side length of the first quantum dot 12 is about 4.6 nm, and the side length of the second quantum dot 13 is about 4.6 nm. 6.3 nm. When the material system is GaN or ZnO, the radius of the first quantum dot 12 is about 7.0 nm, and the radius of the second quantum dot 13 is about 10.0 nm. That is, the second quantum dot 13 is configured to have a larger volume than the first quantum dot 12, and the ratio of the side length (radius) of the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13 is approximately 1: 1: It is represented by $ 2. In addition, the first quantum dots 12 are usually formed in a region within a radius of 30 nm around the second quantum dots 13 in order to efficiently exhibit a resonance effect described later. The first quantum dots 12 are irradiated with light from a light irradiation system (not shown).
[0034]
Incidentally, when the material system constituted is GaN or ZnO, the ratio between the radius (r) of each of the quantum dots 12 and 13 and the thickness (h) of the quantum dots 12 and 13 protruding from the substrate 11 is expressed by the following equation. Is represented by
r: h = 2-5: 1
FIG. 2 shows an energy band diagram when the material system constituting each of the quantum dots 12 and 13 is CuCl. The quantum confinement level E (n) in each of the quantum dots 12 and 13 _x , N _y , N _z ) Is defined by the following equation (1).
[0035]
(Equation 1)

[0036]
Based on the equation (1), E (n) of each of the quantum dots 12 and 13 is obtained. _x , N _y , N _z ) Is calculated. At this time, since the side length ratio between the first quantum dot 12 and the second quantum dot 13 is approximately 1: √2, the quantum level of the first quantum dot 12 is (1,1,1). E (111) at a certain time is equal to E (211) when the quantum level of the second quantum dot 13 is (2, 1, 1). That is, the excitation energy level of the exciton resonates between the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 12 and the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 13. In a relationship. Actually, in order to cause resonance between them, light having a wavelength corresponding to the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 12 is supplied to the first quantum dot 12 via an irradiation system (not shown). Irradiate No. 12.
[0037]
In the case where such resonance occurs, excitons existing at the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 12 move to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 13. The excitons that move and exist at the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 13 move to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 12, Since the former has a higher moving speed, the exciton apparently moves from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13. The exciton that has moved to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 13 transitions to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 13.
[0038]
That is, in the optical transmission line 1, by providing the quantum dots 12 and 13 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 11, it is possible to create a quantum level having a state density function substantially equal, By causing a resonance effect between these, excitons can be injected into the quantum levels (2, 1, 1) of the second quantum dots 13. In other words, excitons can be transmitted between quantum dots. Therefore, by forming three or more quantum dots having different sizes from each other on the substrate 11 as shown in FIG. 3, the length of the transmission path can be changed.
[0039]
Next, a method for manufacturing the quantum dots 12 and 13 will be described. Each of the quantum dots 12 and 13 can be manufactured by using the Bridgman method described below, for example, when CuCl is used as a material system. In this Bridgman method, CuCl powder and NaCl powder are first mixed and melted at a temperature of about 800 ° C. Next, the melted mixed powder is suspended in a furnace having a temperature gradient in the vertical direction, and is moved up and down at a speed of several mm / h to create a temperature gradient inside the mixed powder. To be crystallized. Then, when heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for several minutes to several tens of minutes, a NaCl crystal including the CuCl quantum dots 12 and 13 can be produced. Incidentally, in the Bridgman method, the size of the quantum dots 12 and 13 to be generated can be freely controlled by changing the heat treatment temperature and the heat treatment time. Specifically, by setting the temperature of the heat treatment to 400 ° C., the size of the quantum dots 12 and 13 can be largely controlled, while by setting the temperature of the heat treatment to 120 ° C. Can be controlled to be smaller.
[0040]
On the other hand, each of the quantum dots 12 and 13 can be manufactured by, for example, a molecular epitaxy (MBE) growth method as shown in FIG. 4 when GaN or ZnO is used as a material system, for example. In the MBE growth method, a voltage is applied by bringing a probe of an atomic force microscope (AFM) close to the substrate 11 in the oxide dot forming step shown in FIG. As a result, the moisture contained in the atmosphere becomes H based on the electric field where the probe is located. ⁺ And OH ⁻ Into OH ⁻ An oxide dot 31 is formed on the substrate 11 immediately below the probe. Incidentally, the oxide dots 31 can be freely controlled by the voltage application time by the AFM and the oxidation time. Next, in the etching step, the oxide dots 31 formed as described above are removed by an etching solution or ultrasonic cleaning to form the concave portions 32 in the substrate. Finally, in the MBE forming step, quantum dots are grown in the above-described concave portions 32 by using a Transki-Krastanov (SK) mode. By the way, in the MBE forming step, by controlling the growth time in the SK mode, it becomes possible to grow the quantum dots only in the recess 32 with high accuracy.
[0041]
Next, the optical amplifier 2 to which the present invention is applied will be described.
[0042]
The optical amplifier 2 includes, for example, NaCl, KCl or CaF ₂ , One second quantum dot 23 formed on the surface of the substrate 21, and one discretely formed around the second quantum dot 23. It has a quantum dot group 20 composed of one or more first quantum dots 22 and a projection 142 for inputting and outputting light, and is arranged such that the projection 142 is located near the second quantum dot 23. An optical probe 24 is provided, and an output waveguide 25 buried in the substrate 21 so as to connect the vicinity of the second quantum dot to the side surface of the substrate 21.
[0043]
The optical probe 24 includes an optical waveguide 141 and a protrusion 142 as shown in FIG. The optical waveguide 141 is composed of an optical fiber in which a clad 161 is provided around a core 160. The core 160 and the cladding 161 are made of SiO 2, respectively. ₂ Made of glass, F, GeO ₂ , B ₂ O ₃ By adding such a material, the structure is controlled such that the refractive index of the clad 161 is lower than that of the core 160. The protruding part 142 is formed by sharpening a core 160 protruding from the clad 161 at one end of the optical waveguide part 141.
[0044]
The optical probe 24 having such a configuration is supplied with light from an unillustrated external light source via the optical waveguide 141. The optical probe 24 can input light to the second quantum dot 23 via the protrusion 142 at a scale of at least about 10 nanometers.
[0045]
The output side waveguide 25 is a waveguide for propagating light supplied from the second quantum dots 23 and supplying the light to the output side optical fiber 26. The output side waveguide 25 may be formed of a metal waveguide using a thin wire such as Al or Au, for example, and propagate the propagating light as plasmons. The output waveguide 25 configured as such a metal waveguide is formed on the substrate 21 by, for example, near-field optical CVD or the like.
[0046]
Incidentally, the output side waveguide 25 may be replaced with an optical coupling quantum dot (not shown). This quantum dot for optical coupling is a quantum dot arranged in the longitudinal direction from the second quantum dot 23 to the output side optical fiber 26, and the size of the quantum dot gradually increases as approaching the output side optical fiber 26. As a result, light is propagated based on the resonance effect described later. As an alternative to the above-described optical probe 24, an input-side waveguide (not shown) having the same configuration as the output-side waveguide 25 may be provided near the second quantum dot 23. Accordingly, light can be supplied from an external light source to the input side waveguide via the optical fiber, and light can be easily input to the second quantum dots 23 without using the optical probe 24.
[0047]
Each of the quantum dots 22 and 23 constituting the quantum dot group 20 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. Each of the quantum dots 22 and 23 is made of a material system such as CuCl, GaN or ZnO. When the material system forming each of the quantum dots 22 and 23 is CuCl, these are formed as a cube and When the material system forming the dots 22 and 23 is GaN or ZnO, these are formed as a spherical shape or a disk shape. The details of the shapes of the quantum dots 22 and 23 are referred to the description of the quantum dots 12 and 13, respectively, and the description is omitted.
[0048]
In the optical amplifier 2 having such a configuration, when the above-described resonance occurs, as shown in FIG. 6, excitons existing at the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 22 are converted into the second exciton. Apparently moves to the quantum level (2, 1, 1) of the quantum dot 23 of FIG. That is, the optical amplifier 2 can produce quantum levels having substantially the same state density function by providing the quantum dots 22 and 23 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 21. By causing a resonance effect between the quantum dots, excitons can be injected into the quantum levels (2, 1, 1) of the second quantum dots 23. The injected excitons transition to the quantum levels (1,1,1) of the second quantum dots 23 as shown in FIG. Thereby, the density of excitons at the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 23 can be higher than the ground level of the second quantum dot 23, and these two quantum levels A population inversion can be generated between them.
[0049]
Incidentally, the above-described resonance effect between the quantum dots 22 and 23 is based on the near-field interaction due to discrete energy levels formed by confining the excitons three-dimensionally. Strength can be further increased. In addition, since the transition probability between two quantum levels in the second quantum dot 23 can be improved, optical amplification can be performed with higher efficiency. The resonance effect includes a resonance tunnel effect by electrons.
[0050]
The method of manufacturing the quantum dots 22 and 23 in the optical amplifier 2 will be described with reference to the description of the method of manufacturing the quantum dots 12 and 13 and will not be described.
[0051]
Next, the operation of the optical amplifier 1 to which the present invention is applied will be described.
[0052]
First, light is supplied to the second quantum dots 23 from the protruding portions 142 constituting the optical probe 24. Since excitons have already been injected from the first quantum dots 22 distributed around the second quantum dots 23 to which the light is supplied, the inverted quantum distribution has already been injected between the two quantum levels. Is formed. Therefore, in the second quantum dot 23, the exciton (electron) existing at the quantum level (1,1,1) undergoes stimulated emission transition to the ground level. That is, when the light that resonates with the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 23 is supplied from the optical probe 24, the light is amplified by the light emitted according to the population inversion. Become. The light amplified by the second quantum dots 23 is supplied to the output side waveguide 25 and further propagated to the outside via the output side optical fiber 26.
[0053]
As described above, by providing the quantum dots 22 and 23 having different sizes on the substrate 21, the optical amplifier 2 to which the present invention is applied can create a quantum level having a state density function substantially equal. By causing a resonance effect between them, an exciton can be injected into the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 23, and these excitons can be injected into the quantum level of the second quantum dot 23. Since the transition to the level (1,1,1) occurs, a population inversion can be formed between the quantum level (1,1,1) and the ground level in the second quantum dot 23. Thus, the nano-scale light injected into the second quantum dot 23 causes the induced emission transition from the quantum level (1, 1, 1) to the ground level, thereby amplifying the light.
[0054]
In particular, the population inversion generated between the two quantum levels is based on the near-field interaction resulting from the discrete energy levels formed by confining the exciton three-dimensionally. The vibrator strength can be further increased, and optical amplification can be performed with high efficiency. As a result, the realization of an optical communication system capable of performing optical communication on a single-electron level and on a nanoscale can be promoted.
[0055]
The optical amplifier 2 to which the present invention is applied can freely control the intensity of the amplified light by adjusting the number of the first quantum dots 22 formed. This is because by increasing the number of the first quantum dots 22, it is possible to increase the number of excitons injected into the second quantum dots 23, and to increase the stimulated emission light.
[0056]
Note that the optical amplifier 1 according to the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the first quantum dots 22 are not limited to the case where they are formed in a ring shape, but may be formed in a linear or curved shape in the vicinity of the second quantum dots 23.
[0057]
Further, the present invention may be applied to an optical amplifier 3 that amplifies light that is propagated by, for example, a plurality of quantum dot groups.
[0058]
FIG. 7 shows a configuration of the optical amplifier 3. The optical amplifier 3 includes a substrate 21 made of a conductive crystal, one second quantum dot 23 formed on the surface of the substrate 21, and discretely formed around the second quantum dot 23. And a plurality of quantum dot groups 40 comprising the first quantum dots 22. In the optical amplifier 3, the same components as those of the optical amplifier 1 are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted.
[0059]
A plurality of quantum dot groups 40 are randomly formed on the substrate 21. Each quantum dot group 40 amplifies the light propagating through the second quantum dot 23 and outputs the amplified light.
[0060]
Incidentally, the optical amplification method in the quantum dot group 40 is the same as that of the quantum dot group 20 in the optical amplifier 1. That is, the quantum dot group 40 injects excitons into the respective quantum levels (2, 1, 1) of the formed second quantum dots 23 via the first quantum dots 22. Next, the quantum dot group 40 causes the population inversion between the quantum level (1,1,1) and the ground level in the second quantum dot 23. Then, based on the stimulated emission transition of the exciton to the ground level at the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 23, the light input to each second quantum dot 23 can be amplified. it can.
[0061]
Light is supplied from an input side optical fiber (not shown) onto the substrate on which the quantum dot group 40 is formed. The light amplified by the quantum dot group 40 is supplied to an output side optical fiber (not shown) and propagated to the outside.
[0062]
Next, the operation of the optical amplifier 3 to which the present invention is applied will be described.
[0063]
First, light is supplied from the input side optical fiber to the surface of the substrate 21. The supplied light propagates on the substrate 21 in the propagation direction shown in FIG. 7 and is supplied to the second quantum dots 23 in each quantum dot group 40. Since excitons have already been injected into the second quantum dots 23 to which this light is supplied from the first quantum dots 22 scattered around, the population inversion has already been achieved between the two levels described above. Is formed. Therefore, in the second quantum dot 23, the exciton (electron) existing at the quantum level (1,1,1) undergoes stimulated emission transition to the ground level. That is, when the light that resonates with the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 23 is supplied from the surface of the substrate 21, they are amplified according to the population inversion.
[0064]
The amplified light exits the second quantum dot, propagates again on the substrate 21 in the propagation direction shown in FIG. 7, is supplied to the second quantum dot 23 in another quantum dot group 40, and is amplified again. . The light on the substrate 21 amplified a plurality of times as described above is condensed on the output side optical fiber and supplied to the outside.
[0065]
As described above in detail, the optical amplifier 3 to which the present invention is applied can amplify the propagated light a plurality of times by the plurality of quantum dot groups 40, so that the light intensity can be significantly improved. it can. Also, by changing the number and arrangement of the quantum dot groups 40 formed on the substrate 21, the light intensity to be amplified can be set freely.
[0066]
Further, in the optical amplifier 3 to which the present invention is applied, it is possible to utilize the quantum dots 22 and 23 to form a population inversion between two quantum levels based on near-field interaction generated from discrete energy levels. it can. As a result, the oscillator strength of the exciters can be further increased, so that optical amplification can be performed with higher efficiency.
[0067]
Next, the optical oscillator 9 to which the present invention is applied will be described.
[0068]
FIG. 8A shows a configuration of the optical oscillator 9. The optical oscillator 9 includes a substrate 21 made of a conductive crystal, a first quantum dot line 91 in which first quantum dots 22 are arranged in two rows in a longitudinal direction on the surface of the substrate 21, and a surface of the substrate 21. In the above, a second quantum dot line 92 in which the second quantum dots 23 are arranged in the longitudinal direction between the first quantum dot lines 91 arranged in the two rows, and both ends of the second quantum dot line 92 And a reflective film 93 located there. In the optical oscillator 9, the same components as those of the optical amplifier 2 are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted.
[0069]
The first quantum dot line 91 changes the quantum level (1,1,1) in the arranged first quantum dots 22 to the quantum level in the second quantum dots 23 in the second quantum dot line 92. Resonate with (2,1,1). The first quantum dot line 91 transfers the excitons of the quantum level (1,1,1) in each first quantum dot 22 to the quantum levels (2,1,1) of the second quantum dot 23. ). The first quantum dot line 91 is irradiated with light having a wavelength corresponding to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 22 from an irradiation system (not shown).
[0070]
The second quantum dot line 92 starts from the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 23 into which the exciton is injected, and the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 23 Transition of excitons to 1). Then, a population inversion is generated between the quantum level (1, 1, 1) in the second quantum dot 23 and the ground level. Further, the second quantum dot line 92 causes the exciton at the quantum level (1, 1, 1) to undergo spontaneous emission transition to the ground level. The light emitted for each second quantum dot 23 propagates on the second quantum dot line 92 in the longitudinal direction.
[0071]
The reflection film 93 is a so-called reflection mirror formed on each end face of the substrate 21, and resonates by reciprocatingly reflecting light propagating through the second quantum dot line 92. The distance between the reflection films 93 is set to be an integral multiple of the wavelength of the propagating light so as to satisfy the resonance condition of the propagating light. Incidentally, the reflection film 93 is a dielectric multilayer film having a reflectance close to 100%, for example, and is obtained by alternately depositing thin films having different refractive indices.
[0072]
The optical oscillator 9 having such a configuration emits light in accordance with the population inversion between the two quantum levels formed in the second quantum dot 23, and the emitted light has the population inversion. It can reciprocate in the second quantum dot line 92 that has been set. As a result, the light intensity gradually increases and laser oscillation can be performed.
[0073]
That is, the optical oscillator 9 to which the present invention is applied utilizes the quantum dots 22 and 23 to form a population inversion between two quantum levels based on near-field interaction generated from discrete energy levels. Can be. This makes it possible to further increase the oscillator strength of the exciters, so that light oscillation can be performed with high efficiency.
[0074]
The quantum dot lines 91 and 92 in the optical oscillator 9 are not limited to the above-described embodiment. For example, as shown in FIG. Needless to say, the dots 22 may be formed. Thereby, the number of excitons that move to the second quantum dot 23 by resonance can be increased, and the oscillator strength of the excitons can be further increased, so that light can be oscillated with higher efficiency.
[0075]
Next, the wavelength multiplexing device 43 and the wavelength demultiplexing device 45 to which the present invention is applied will be described.
[0076]
FIG. 9 shows a configuration of an optical communication system 4 to which the wavelength multiplexing device 43 and the wavelength demultiplexing device 45 according to the present invention are applied. The optical communication system 4 includes a first nano optical device 42, a wavelength multiplexing device 43, an optical fiber 44, a wavelength separating device 45, and a second nano optical device 46.
[0077]
The first nano-optical device 42 generates a large number of lights having different wavelengths from each other under a wavelength division multiplexing (WDM: Wavelength Division Multiplexing, DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing) communication system, and uses the generated light as a carrier wave to perform phase modulation. By applying the signal, an optical modulation signal is generated and supplied to the wavelength multiplexing device 43. The first nano-optical device 42 may be composed of a plurality of device units and generate a carrier having a different wavelength for each device unit. The first nano-optical device 42 is an element that operates even with a dimension equal to or smaller than the diffraction limit by using quantum dots, and can emit the above-described optical modulation signal through a region on the nanoscale order. Incidentally, a quantum dot is an element that can control a single electron (exciton) based on discrete energy levels formed by confining excitons three-dimensionally.
[0078]
The wavelength multiplexing device 43 multiplexes each optical modulation signal supplied from the first nano optical device 42 and transmits the multiplexed optical modulation signal to the optical fiber 44. The optical fiber 44 is connected to the wavelength multiplexing device 43 and the wavelength demultiplexing device 45, and transmits each optical modulation signal multiplexed in the wavelength multiplexing device 43 to the wavelength demultiplexing device 45. The wavelength separation device 45 separates the optical modulation signal transmitted via the optical fiber 44 on a nano scale for each wavelength and supplies the separated signal to the second nano optical device 46. The details of the wavelength multiplexing device 43 and the wavelength separating device 45 will be described later.
[0079]
The second nano-optical device 46 is an element that operates even at a dimension smaller than the diffraction limit by using quantum dots. The second nano-optical device 46 photoelectrically converts and reads an optical modulation signal supplied from the wavelength separation device 45 after being wavelength-separated on a nanoscale. Incidentally, the second nano optical device 46 may be composed of a plurality of device units, and read out an optical modulation signal having a different wavelength for each device unit.
[0080]
That is, in the optical communication system 4, by multiplexing light of n different wavelengths, a transmission capacity of n times the transmission capacity of each wavelength can be obtained.
[0081]
Next, a specific configuration of the wavelength multiplexing device 43 to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. The wavelength multiplexing device 43 is, for example, NaCl, KCl or CaF ₂ And a second quantum dot 434 formed on the substrate 431 and discretely formed so as to form a pair with the second quantum dot 434. And a quantum dot group 432 including one or more first quantum dots 433. Incidentally, in the quantum dot group 432, the second quantum dots 434 are formed on the optical fiber 44 side, and the first quantum dots 433 are formed on the first nano optical device 42 side.
[0082]
Further, a plurality of quantum dot groups 432 are arranged in parallel according to the wavelength of the carrier supplied from the first nano-optical device 42. The quantum dot group 432a is supplied with a carrier having a wavelength λa supplied from the first nano-optical device 42. The quantum dot group 432b is supplied with a carrier having a wavelength λb supplied from the first nano-optical device 42. Further, the quantum dot group 432c is supplied with the carrier having the wavelength λc supplied from the first nano-optical device 42. The quantum dot group 432 propagates the supplied carrier waves from the first quantum dots 433 to the second quantum dots 434 via excitons, multiplexes the carriers in the multiplexed light generation region 435, and transmits the multiplexed light to the optical fiber 44. Emit.
[0083]
Each of the quantum dots 433 and 434 constituting the quantum dot group 432 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. Each of the quantum dots 433 and 434 is made of a material system such as CuCl, GaN, or ZnO. When the material system that constitutes each of the quantum dots 433 and 434 is CuCl, these are formed as cubes. When the material system forming the dots 433 and 434 is GaN or ZnO, these are formed as a spherical shape or a disk shape. In the quantum dot group 432, the quantum dots 433 and 434 may be made of a material system such as InGaAs so as to correspond to the communication band.
[0084]
Each of the quantum dots 433 and 434 constituting the quantum dot group 432 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. Each of the quantum dots 433 and 434 is made of a material such as CuCl, GaN, or ZnO. The details of the shapes of the quantum dots 433 and 434 are referred to the description of the quantum dots 12 and 13, respectively, and the description is omitted.
[0085]
That is, the quantum dot group 432 can receive the light modulation signal from the first nano optical device 42 via the nanoscale region by configuring each of the quantum dots 433 and 434 on the nanoscale.
[0086]
FIG. 11 shows an energy band diagram when the material system constituting each of the quantum dots 433 and 434 is CuCl. E (n) in each quantum dot 433, 434 _x , N _y , N _z ) Is defined by the above equation (1).
[0087]
Based on this equation (1), E (n) of each quantum dot 43, 434 _x , N _y , N _z ) Is calculated, since the side length ratio between the first quantum dot 433 and the second quantum dot 434 is approximately 1: √2, the quantum level of the first quantum dot 433 is (1,1,2). E when 1) ₁ (111) and E when the quantum level of the second quantum dot 434 is (2, 1, 1). ₂ (211). That is, the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 433 and the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 434 are related to the resonance of the energy level of the exciton. It is in.
[0088]
When such resonance occurs, the excitons existing at the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 433 move to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 434. Move apparently. Then, the exciton that has moved to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 434 has a lower quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 434. ).
[0089]
In addition, the first quantum dot 433 receives an optical modulation signal including a carrier having a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1, thereby excitons are excited. It can be excited from the ground level b1 to the quantum level (1,1,1). The first quantum dot 433 sequentially injects excitons excited at the quantum level (1,1,1) into the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 434 as described above. Can be done.
[0090]
That is, the quantum dot group 432 generates the excitons only when a carrier having a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1 in the first quantum dot 433 is incident. Can be excited to the quantum level (1,1,1) and moved to the second quantum dot 434. However, when a carrier of another wavelength is incident, the exciton is excited to the quantum level (1,1). 1,1) cannot be excited. For this reason, by setting the energy gap difference between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1 in the first quantum dot 433 freely, the second quantum dot Wavelength selectivity can be provided for the transfer of excitons to 434. Thereby, the quantum dot group 433 can selectively propagate a carrier wave having a single wavelength.
[0091]
For example, the quantum dot group 432a sets the energy gap Eg1 according to the wavelength λa of the carrier supplied from the first nano optical device. As a result, an exciton can be excited to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 433 as described above only when a carrier having the wavelength λa is supplied, and this is excited by the second quantum dot. 434. Similarly, in the quantum dot group 432b, the energy gap Eg1 is set according to the wavelength λb of the supplied carrier, and in the quantum dot group 432c, the energy gap Eg1 is set according to the wavelength λc of the supplied carrier. As a result, only the carrier having a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 can excite the excitons and move them to the second quantum dot group 434.
[0092]
That is, in the wavelength multiplexing device 43 to which the present invention is applied, by utilizing the wavelength selectivity in the quantum dot group 432, the optical modulation signal composed of the carrier waves having different wavelengths from the first nano-optical device 42 is input. , And can be multiplexed by highly efficient propagation at the nanoscale.
[0093]
Incidentally, in the quantum dot group 432, the energy gap Eg1 described above may be set for each quantum level by changing the volume of the quantum dots 433 and 434 or changing the material.
[0094]
That is, by changing the volume and material of the quantum dots 433 and 434 formed between the quantum dot groups 432, the energy gap Eg1 can be changed between the quantum dot groups. Thus, each quantum dot group 432 can excite an exciton only when a carrier having a wavelength corresponding to the set energy gap Eg1 is incident. Incidentally, when the material is changed, for example, when InGaAs is used as the material system, the content of In may be changed to a very small amount between the quantum dot groups 432.
[0095]
Further, in the wavelength multiplexing device 43 to which the present invention is applied, by forming the quantum dots 433 and 434 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 32, the quantum levels at which the state density functions become substantially equal are obtained. Can be created, and by causing a resonance effect therebetween, excitons can be injected into the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 434. The injected excitons transition to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 434. Accordingly, the density of excitons at the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 434 can be higher than the ground level b1 of the second quantum dot 434, and these two quantum levels can be increased. A population inversion can be generated between the positions.
[0096]
Incidentally, the resonance effect between the quantum dots 433 and 434 described above is based on the near-field interaction due to discrete energy levels formed by confining the excitons three-dimensionally. Strength can be further increased. Further, since the transition probability between the two quantum levels in the second quantum dot 433 can be improved, each carrier can be propagated with higher efficiency. The resonance effect includes a resonance tunnel effect by electrons.
[0097]
The wavelength multiplexing device 43 having the above configuration can operate, for example, as follows.
[0098]
First, carrier waves having different wavelengths are incident from the first nano-optical device 42 to the first quantum dots 433 constituting each quantum dot group 432. Since the energy gap Eg1 in each quantum dot group 432 is set according to the wavelength of the carrier supplied from the first nano-optical device 42, the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 433 is set. ) To excite an exciton, which can be transferred to the second quantum dot 434. The exciton moved to the quantum level (2,1,1) in the second quantum dot 434 directly transits to the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 434 and is inverted as described above. A distribution is formed. Then, in accordance with the formed population inversion, the exciton (electron) makes a spontaneous emission transition to the ground level, and is emitted to the multiplex light generation region 435. In the multiplexed light generation region 435, the carriers supplied from the plurality of quantum dot groups 432 and having different wavelengths are multiplexed and combined and output to the optical fiber 44.
[0099]
As described above, the wavelength multiplexing device 43 to which the present invention is applied receives the carrier waves having different wavelengths from the first nano optical device 42 via the nanoscale region, and the carrier wave having the wavelength according to the energy gap Eg1 is received. Excitons can be excited only when they are incident, and can be multiplexed by moving them via the quantum dots 433 and 434. This makes it possible to efficiently multiplex and multiplex each carrier input at the nanoscale, and to perform wavelength division multiplexing between nano-optical devices that can operate even at dimensions smaller than the diffraction limit. Wavelength multiplex communication system can be proposed.
[0100]
The wavelength multiplexing device 43 to which the present invention is applied is not limited to the above-described embodiment. For example, as shown in FIG. 12, a quantum dot 437 may be added to each quantum dot group 432. A plurality of quantum dots 437 are discretely formed on the first nano-optical device 42 side so as to be paired with the first quantum dots 433. The quantum dots 437 are supplied with carriers of different wavelengths from the first nano-optical device 42 and move the excitons excited from the ground level to the first quantum dots 433 by the above-described resonance. Of course, the quantum dots 437 may be formed over a plurality of rows.
[0101]
The quantum dot groups 432 are not limited to three groups as shown in FIGS. For example, by multiplexing n wavelengths of light having different wavelengths, n groups may be juxtaposed in order to obtain a transmission capacity n times the transmission capacity of each wavelength.
[0102]
Next, a specific configuration of the wavelength separation device 45 to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. The same components and members as those of the wavelength multiplexing device 43 described above are denoted by the same reference numerals, and the description will be referred to.
[0103]
The wavelength separation device 45 is, for example, NaCl, KCl or CaF ₂ And a second quantum dot 434 formed on the substrate 431 and discretely formed so as to form a pair with the second quantum dot 434. And a quantum dot group 452 composed of one or more first quantum dots 433. Incidentally, in the quantum dot group 452, the first quantum dots 433 are formed on the optical fiber 44 side, and the second quantum dots 434 are formed on the second nano optical device 46 side.
[0104]
Further, a plurality of quantum dot groups 452 are formed according to the wavelength of the carrier supplied to the second nano-optical device 46. The quantum dot group 452 propagates the multiplexed light supplied from the optical fiber 44 from the first quantum dot 433 to the second quantum dot 434 via the excitons by the plurality of quantum dot groups 452, and The carrier is separated into carriers having different wavelengths and supplied to the second nano-optical device 46. For example, the quantum dot group 452a separates the carrier having the wavelength λa from the multiple light incident area 455 and supplies the carrier to the second nano-optical device 46. The quantum dot group 452b separates the carrier having the wavelength λb from the multiple light incident area 455 and supplies the carrier to the second nano-optical device 46. The quantum dot group 452c separates the carrier having the wavelength λc from the multiple light incidence area 455 and supplies the carrier to the second nano-optical device 46.
[0105]
Since the quantum dots 433 and 434 constituting the quantum dot group 452 are each configured on a nanoscale as described above, it is possible to receive a light modulation signal from the first nano-optical device 42 via a nanoscale region. It becomes.
[0106]
As shown in FIG. 11, the first quantum dot 433 receives a carrier light having a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1, thereby exciting the first quantum dot 433. Can be excited from the ground level b1 to the quantum level (1,1,1). The first quantum dot 433 sequentially moves the excitons excited at the quantum level (1,1,1) to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 434 as described above. Can be done.
[0107]
That is, the first quantum dot 433 is only generated when a carrier having a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1 in the first quantum dot 433 is incident. The exciton can be excited to the quantum level (1,1,1) and moved to the second quantum dot 434. However, when a carrier of another wavelength is incident, the exciton is moved to the quantum level ( 1, 1, 1) cannot be excited. For this reason, by setting the energy gap difference between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1 in the first quantum dot 433 freely, the second quantum dot Wavelength selectivity can be provided for the transfer of excitons to 434. Thereby, the quantum dot group 452 can selectively propagate a carrier wave having a single wavelength.
[0108]
For example, the quantum dot group 452a sets the energy gap Eg1 according to the wavelength λa of one carrier of the multiplexed light supplied from the optical fiber 44. As a result, an exciton can be excited to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 433 as described above only when a carrier having the wavelength λa is supplied, and this is excited by the second quantum dot. 434. Similarly, in the quantum dot group 452b, the energy gap Eg1 is set according to the wavelength λb of one of the supplied multiplexed light beams, and the energy gap Eg1 is set in the quantum dot group 452c. By setting according to the wavelength λc of one carrier, excitons can be excited only in the carrier having a wavelength corresponding to each energy gap Eg1, and can be moved to the second quantum dot 434.
[0109]
That is, in the wavelength separation device 45 to which the present invention is applied, by using the wavelength selectivity in the quantum dot group 433, multiplexed light including carrier waves having different wavelengths is propagated with high efficiency on a nanoscale, and Can be separated.
[0110]
Incidentally, in the quantum dot groups 452, the respective energy gaps Eg1 may be freely set by changing the volumes of the quantum dots 433 and 434 or changing the material.
[0111]
That is, the energy gap Eg1 can be set by changing the volume and material of the quantum dots 433 and 434 formed between the quantum dot groups 52. Thus, each quantum dot group 452 can excite an exciton only when a carrier having a wavelength corresponding to the set energy gap Eg1 is incident.
[0112]
Further, in the wavelength separation device 45 to which the present invention is applied, by forming the quantum dots 433 and 434 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 431, the quantum levels at which the state density functions become substantially equal are obtained. Can be created, and by causing a resonance effect therebetween, excitons can be injected into the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 434. The injected excitons transition to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 434. Accordingly, the density of excitons at the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 434 can be higher than the ground level b1 of the second quantum dot 434, and these two quantum levels can be increased. A population inversion can be generated between the positions.
[0113]
Incidentally, the resonance effect between the quantum dots 433 and 434 described above is based on the near-field interaction due to discrete energy levels formed by confining the excitons three-dimensionally. Strength can be further increased. Further, since the transition probability between the two quantum levels in the second quantum dot 433 can be improved, each carrier can be propagated with higher efficiency.
[0114]
The wavelength separation device 45 having the above configuration can operate, for example, as follows.
[0115]
First, carriers having different wavelengths are incident from the optical fiber 44 to the first quantum dots 433 constituting each quantum dot group 452 via the multiple light incident area 455. Since the energy gap Eg1 in each quantum dot group 452 is set according to the wavelength of the carrier supplied to the first nano-optical device 42, only the component of the carrier at the wavelength is the quantum level of the first quantum dot 433. An exciton can be excited to (1,1,1) and moved to the second quantum dot 434. The exciton moved to the quantum level (2,1,1) in the second quantum dot 434 directly transits to the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 434 and is inverted as described above. A distribution is formed. Then, in accordance with the formed population inversion, the exciton (electron) makes a spontaneous emission transition to the ground level and is transmitted to the second nano-optical device 46.
[0116]
As described above, the wavelength separation device 45 to which the present invention is applied receives the multiplexed light including the carrier waves having different wavelengths from the optical fiber 44, and outputs the multiplexed light only when the carrier wave having the wavelength corresponding to the energy gap Eg1 is incident. Can be excited and displaced via the quantum dots 433, 434 to provide to the second nano-optical device 46. As a result, multiplexed light including each carrier can be separated at high efficiency on a nano scale, so that wavelength multiplex communication can be performed between nano optical devices operable even at dimensions equal to or less than the diffraction limit, and ultra-miniaturized. A wavelength division multiplexing communication system can be proposed.
[0117]
The wavelength separation device 45 to which the present invention is applied is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 14, quantum dots 457 may be added to each quantum dot group 452. A plurality of quantum dots 457 are discretely formed on the optical fiber 44 side so as to be paired with the first quantum dots 433. The quantum dot 457 is supplied with multiplexed light including carrier waves of different wavelengths from the optical fiber 44, excites excitons only when a carrier wave of a wavelength corresponding to the energy gap Eg1 is incident, and causes the first resonance by the above-described resonance. Move to quantum dot 433. Of course, the quantum dots 457 may be formed over a plurality of rows.
[0118]
Further, the quantum dot group 432 is not limited to three groups as shown in FIGS. For example, by multiplexing n wavelengths of light having different wavelengths, n groups may be provided in order to obtain a transmission capacity n times the transmission capacity of each wavelength.
[0119]
Next, the near-field collector 5 to which the present invention is applied will be described. The same components and members as those of the optical amplifier 2 described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0120]
As shown in FIG. 15, the near-field concentrator 5 is made of, for example, NaCl, KCl or CaF. ₂ And the like, a second quantum dot 13 formed on the surface of the substrate 511, and one discretely formed around the second quantum dot 13. And a quantum dot group 520 comprising one or more first quantum dots 12. An irradiation optical system 518 is provided above the substrate 511 on which the quantum dots 12 and 13 are formed, and the irradiation optical system 518 irradiates the substrate 511 with light.
[0121]
That is, in the near-field concentrator 5, for example, as shown in FIG. 6, by providing the quantum dots 12 and 13 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 511, the state density functions become substantially equal. Quantum levels can be created, and by causing a resonance effect therebetween, excitons can be injected into the quantum levels (2, 1, 1) of the second quantum dots 13. The injected excitons transition to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 13. Thereby, the density of excitons at the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 13 can be higher than the ground level of the second quantum dot 13, and these two quantum levels A population inversion can be generated between them. Light is emitted by the exciton undergoing spontaneous emission transition according to the generated population inversion.
[0122]
The light emitted from the nanoscale second quantum dots 13 will be distributed in a very narrow region of nanometer size. Thereby, energy can be supplied from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13 via excitons, and light emitted based on the energy is distributed in a nano-scale region, so that the apparent Light can be collected. In the present invention, the size of each quantum dot can be changed according to the application, so that the size of light to be condensed can be freely adjusted.
[0123]
Further, the more the first quantum dots 12 are formed around the second quantum dots 13, the larger the amount of excitons injected into the second quantum dots 13, and thus the more the two quantum dots The inversion distribution generated between the positions can be strengthened. As a result, the light intensity of the emitted light can be increased, and further, the emitted light intensity can be changed by adjusting the number of the first quantum dots 12 formed on the substrate 11 according to the application. You can also.
[0124]
Incidentally, the above-described resonance effect between the quantum dots 12 and 13 is based on the near-field interaction due to discrete energy levels formed by confining the excitons three-dimensionally. Strength can be further increased. In addition, since the above-described energy transfer can be realized by using the transfer of excitons through the quantum level, it is possible to reduce the optical loss and realize a very efficient near-field focusing. it can. For example, in a conventional near-field optical probe, about 10 ^-6 While near-field focusing can be performed only with a degree of efficiency, the near-field focusing device 5 to which the present invention is applied can perform near-field focusing with nearly 100% efficiency in the same nanoscale region.
[0125]
Thus, by using the near-field concentrator 5 to which the present invention is applied, it is possible to improve the spatial resolution of the near-field nano-optical device composed of quantum dots.
[0126]
Note that the near-field concentrator 5 according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the first quantum dot 12 is not limited to the case where the first quantum dot 12 is formed in a curved shape around the second quantum dot 13 as shown in FIG. It may be formed on an arc.
[0127]
In the near-field concentrator 5 to which the present invention is applied, an outer quantum dot 531 may be further formed on the outer edge of the first quantum dot 12 as shown in FIG. The plurality of outer quantum dots 531 are discretely formed so as to be paired with the first quantum dots 12. The side length ratio between the outer quantum dots 531 and the first quantum dots 12 is approximately 1: √2, and the energy levels of excitons resonate with each other. Into the outer quantum dots 531, excitons excited by irradiating light from the irradiation optical system 518 to the substrate 511 are sequentially injected into quantum levels (1,1,1) in the first quantum dots 12. Can be. The excitons sequentially injected into the quantum levels (1,1,1) in the first quantum dots 13 are injected into the second quantum dots 13 as described above.
[0128]
That is, the more extrinsic quantum dots 531 formed around the first quantum dot 12, the greater the amount of excitons injected into the first quantum dot 12, and consequently, the more the exciton is injected between the two quantum levels. Can be strengthened. Thereby, the light intensity of the emitted light can be increased. Further, by adjusting the number of the outer quantum dots 531 formed on the substrate 511 according to the application, it is possible to change the emitted light intensity in smaller steps.
[0129]
In addition, it is needless to say that quantum dots may be formed in the outer periphery of the outer quantum dots 531 in the same manner.
[0130]
Next, the optical gate element 6 to which the present invention is applied will be described.
[0131]
The optical gate element 6 is made of, for example, NaCl, KCl or CaF ₂ And the like, a second quantum dot 613 formed on the surface of the substrate 611, and a first quantum dot formed discretely around the second quantum dot 613. An incident side light in which a quantum dot group 620 including a quantum dot 612 and a third quantum dot 614 and a projection 212 for emitting signal light are arranged near the first quantum dot 612. A probe 621, an emission-side optical probe 641 in which a projecting portion 312 for receiving signal light is located near the third quantum dot 14, and a voltage control unit 616 laminated on the substrate 611. And a PN junction layer 615 to which a control voltage V is applied.
[0132]
As shown in FIG. 17, the incident side optical probe 621 further includes an optical waveguide 211 in addition to the protrusion 212, and the optical waveguide 211 is formed of an optical fiber in which a clad 231 is provided around a core 230. . The core 230 and the cladding 231 are made of SiO 2, respectively. ₂ Made of glass, F, GeO ₂ , B ₂ O ₃ By adding such a material, the structure is controlled such that the refractive index of the clad 231 is lower than that of the core 230. The protruding portion 212 is configured by sharpening a core 230 protruding from the cladding 231 at one end of the optical waveguide portion 211.
[0133]
The incident side optical probe 621 having such a configuration is supplied with signal light from an external light source (not shown) via the optical waveguide 211. The incident side optical probe 621 can input a signal light to the first quantum dot 612 via the protrusion 212 on a nano scale.
[0134]
The emission side optical probe 641 further includes an optical waveguide 311 in addition to the protruding portion 312 as shown in FIG. 17, and the optical waveguide 311 is configured by an optical fiber in which a clad 331 is provided around a core 330. . The emission-side optical probe 641 having such a configuration can take out the signal light emitted from the third quantum dot 614 having a nano-scale size and convey it to the outside.
[0135]
The incident side optical probe 621 and the exit side optical probe 641 may be replaced by an optical waveguide (not shown). The optical waveguide (not shown) propagates light supplied from the light source and supplies the light to the first quantum dots 612, or propagates light supplied from the third quantum dots 614 to the outside. The optical waveguide (not shown) may be formed of a metal waveguide using a thin wire such as Al or Au, and the propagating light may be propagated as plasmons.
[0136]
Each of the quantum dots 612, 613, and 614 constituting the quantum dot group 620 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. The first quantum dot 612 converts the signal light input from the incident-side optical probe 621 into an exciton, and injects the exciton into the second quantum dot 613. The second quantum dot 613 is formed on the PN junction layer 615, and excites the exciton injected from the first quantum dot 613 according to the control voltage V applied from the voltage control unit 616. 614, or exciton is spontaneously emitted to the ground level and emitted as light. The third quantum dot 614 causes exciton injected from the second quantum dot 613 to undergo spontaneous emission transition, converts the exciton into light, and supplies this to the output side optical probe 641 as signal light.
[0137]
Each of the quantum dots 612, 613, 614 is made of a material system such as CuCl, InGaN or ZnO. When the material system constituting each of the quantum dots 612, 613, 614 is CuCl, these are formed as cubes. When the material system constituting each of the quantum dots 612, 613, and 614 is InGaN or ZnO, these are configured as a spherical shape or a disk shape.
[0138]
In each of the quantum dots 612, 613, and 614, when the constituent material system is CuCl, the side length of the first quantum dot 612 and the third quantum dot 614 is about 4.6 nm, and Has a side length of about 6.3 nm. When the material system is InGaN or ZnO, the radius of the first quantum dot 612 and the third quantum dot 614 is about 7.0 nm, and the radius of the second quantum dot 613 is about 10 nm. 0.0 nm. That is, the second quantum dot 613 has a larger volume than the first quantum dot 612 and the third quantum dot 614, and the second quantum dot 613 is formed of the first and third quantum dots 612 and 614 and the second quantum dot 613. The ratio of the side length (radius) is approximately represented by 1: √2. In addition, the first quantum dots 612 and the third quantum dots 614 are usually discretely formed in a region within a radius of 25 nm around the second quantum dots 613 in order to efficiently exhibit a resonance effect described later. Have been.
[0139]
FIG. 18 shows an energy band diagram when the material system forming each of the quantum dots 612, 613, and 614 is CuCl. Since the side length ratio between the first quantum dot 612 and the second quantum dot 613 is approximately 1: √2, when the quantum level of the first quantum dot 612 is (1,1,1). E ₁ (111) and E when the quantum level of the second quantum dot 613 is (2, 1, 1). ₂ (211). That is, the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 612 and the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613 are related by the resonance of the excitation energy level of the exciton. It is in.
[0140]
In the case where such resonance occurs, the excitons existing at the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 612 shift to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613. The excitons that move and are present at the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613 move to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 612, Since the former has a higher moving speed, the exciton apparently moves from the first quantum dot 612 to the second quantum dot 613. Then, the excitons that have moved to the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 613 have a lower quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 613. ).
[0141]
Incidentally, the first quantum dot 612 receives signal light having a wavelength corresponding to the energy gap between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1, thereby excitons are quantized from the ground level b1. It can be excited to the level (1,1,1). The first quantum dots 612 sequentially inject excitons excited at the quantum level (1,1,1) into the quantum levels (2,1,1) of the second quantum dot 613 as described above. Can be done.
[0142]
Also, E (n) of the third quantum dot 614 based on the equation (1) _x , N _y , N _z ) Is calculated, since the side length ratio between the third quantum dot 614 and the second quantum dot 613 is approximately 1: √2, the quantum level of the third quantum dot 614 is (1,1,2). E when 1) ₃ (111) and E when the quantum level of the second quantum dot 613 is (2, 1, 1). ₂ (211). That is, the excitation energy level of the exciton resonates between the quantum level (1,1,1) of the third quantum dot 614 and the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613. In a relationship.
[0143]
That is, in the optical gate element 6, by providing the quantum dots 612, 613, and 614 having the side length ratios of 1: √2 on the substrate 611, it is possible to generate a quantum level having a substantially equal state density function. The exciton can be injected into the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613 by causing a resonance effect between them. The injected excitons generally transition to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 613. Thereby, the density of excitons at the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 613 can be higher than the ground level b2 of the second quantum dot 613, and these two quantum levels can be increased. A population inversion can be generated between the positions, and further, the exciton that has transitioned to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 613 can be spontaneously emitted to the ground level b2. it can.
[0144]
The PN junction layer 615 has a rectifying function according to the polarity of the control voltage V applied from the voltage controller 616. This PN junction layer 615 is obtained by, for example, joining p-GaN and n-GaN as shown in FIG.
[0145]
In the PN junction layer 615 having such a configuration, the depletion layer can be expanded by applying a so-called reverse bias voltage in which n-GaN is positive and p-GaN is negative from the voltage control unit 616. . On the other hand, in the PN junction layer 615, a current can be caused to flow by applying a so-called positive bias voltage in which the n-GaN is negative and the p-GaN is positive from the voltage control unit 616, and the exciton is propagated. Can be done.
[0146]
Therefore, the second quantum dot 613 is formed near the PN junction surface as shown in FIG. 19, for example, and is made of a material having a lower energy state than GaN, such as InGaN, so that a positive bias is applied. Sometimes excitons can be injected. On the other hand, when a reverse bias is applied, the vicinity of the PN junction surface where the second quantum dots 613 are formed is depleted, so that excitons do not move. Exciton injection can be suppressed.
[0147]
That is, in the PN junction 615, the current can be ON / OFF controlled in the region where the second quantum dots 613 are formed by changing the polarity of the voltage applied by the voltage control unit 616. The injection of excitons into the second quantum dots 613 can be controlled.
[0148]
Note that when excitons are injected into the second quantum dots 613, the excitons are gradually arranged from the ground level b2, so that the quantum levels (1,1,1) of the second quantum dots 613 are obtained. There is no difference between the exciton densities of the two and the ground level b2, and no population inversion occurs between these two quantum levels. As a result, a spontaneous emission transition of excitons does not occur from the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 613 to the ground level b2.
[0149]
Here, when excitons are sequentially injected from the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 612 to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613, If the population inversion cannot be formed, excitons are accumulated without being able to make a spontaneous emission transition, resulting in a supersaturated state. In such a case, the exciton further moves to the quantum level (1,1,1) of the third quantum dot 614 that has a resonance relationship with the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 613. Will do. In the third quantum dot 614 into which such excitons are injected, an inversion distribution can be formed between the quantum level (1,1,1) and the ground level b3, and the signal light is generated by spontaneous emission transition. And can be supplied to the emission side optical probe 641.
[0150]
As described above, the optical gate element 6 to which the present invention is applied converts the incident signal light into an exciton by the first quantum dot 612 and injects the exciton into the second quantum dot 613. In addition, by forming the second quantum dots 613 on the PN junction layer 615 having a rectifying action, an inversion distribution is formed between two levels according to the control voltage V applied from the voltage control unit 16 to excite the excitation. The element can be spontaneously emitted to the ground level and emitted as light. Accordingly, the number of excitons moving to the third quantum dot 614 can be reduced, so that the intensity of the signal light emitted from the third quantum dot 614 can be suppressed, and the optical device can function as a so-called optical gate. Becomes possible. These quantum dots 612, 613, and 614 are each formed on a nanoscale, and can function as an optical gate for signal light input at the nanoscale. It is also possible to further reduce the size.
[0151]
Incidentally, the above-described resonance effect between the quantum dots 612, 613, and 614 is based on the near-field interaction due to discrete energy levels formed by confining the excitons three-dimensionally. The vibrator strength can be further increased. Further, since the transition probability between the two quantum levels in the second quantum dot 613 can be improved, the above-described optical gate function can be realized while reducing light loss. The resonance effect includes a resonance tunnel effect by electrons.
[0152]
The method of manufacturing the quantum dots 612, 613, and 614 is referred to the description of the method of manufacturing the quantum dots 12 and 13 described above, and the description is omitted.
[0153]
The optical gate element 6 to which the present invention is applied is not limited to the above-described embodiment. For example, as shown in FIG. 20, the optical gate element 6 is directly connected to another nano-optical device including a plurality of quantum dots. You may. In other words, realization of a nanoscale-sized optical communication system can be realized by freely forming an optical gate element to which the present invention is applied on a substrate on which a minute nano-optical device that operates even at dimensions smaller than the diffraction limit is formed. It is also possible to promote.
[0154]
Next, the wavelength conversion element 7 to which the present invention is applied will be described.
[0155]
As shown in FIG. 21, this wavelength conversion element 7 is made of NaCl, KCl or CaF ₂ And the like, a first quantum dot 712 formed on the surface of the substrate 711, and two first discrete dots formed around the first quantum dot 712. And a quantum dot group 720 including two quantum dots 713.
[0156]
Each of the quantum dots 712 and 713 constituting the quantum dot group 720 controls a single electron (exciton) based on a discrete energy level formed by confining the exciton three-dimensionally. The first quantum dot 712 converts the input light having the wavelength λ1 into excitons, and injects the excitons into the second quantum dots 713. The second quantum dot 713 causes the exciton injected from the first quantum dot 713 to undergo spontaneous emission transition to the ground level and emits this as light, or exchanges the exciton with each other.
[0157]
Each of the quantum dots 712, 713 is made of a material system such as CuCl, GaN, or ZnO. When the material system constituting each of the quantum dots 712, 713 is CuCl, they are formed as a cube. When the material system constituting 712 and 713 is GaN or ZnO, these are configured as a spherical shape or a disk shape. Incidentally, each of the quantum dots 712 and 713 constituting the quantum dot group 720 may be made of a material system such as InGaAs so as to correspond to a communication band.
[0158]
In each of the quantum dots 712 and 713, when the constituent material system is CuCl, the side length of the first quantum dot 712 is about 4.6 nm, and the side length of the second quantum dot 713 is about 4.6 nm. 6.3 nm. When the material system is GaN or ZnO, the radius of the first quantum dot 712 is about 7.0 nm, and the radius of the second quantum dot 713 is about 10.0 nm. That is, the second quantum dot 713 has a larger volume than the first quantum dot 712, and the ratio of the side length (radius) of the first quantum dot 712 to the second quantum dot 713 is approximately 1 : Represented by $ 2. In addition, the second quantum dots 713 are generally discrete in a region within a radius of 30 nm around the first quantum dot 712, preferably in a region within a radius of 10 nm, in order to efficiently exhibit a resonance effect described later. Are formed. One of the two formed second quantum dots 713 is defined as a second quantum dot 713a, and the other is defined as a second quantum dot 713b.
[0159]
As described above, the quantum dot group 720 can convert the wavelength of light input at the nanoscale by configuring each of the quantum dots 712 and 713 at the nanoscale, or can convert the wavelength of the converted light at the nanoscale. Can be released.
[0160]
The method of manufacturing these quantum dots 712 and 713 will not be described with reference to the description of the quantum dots 12 and 13 described above.
[0161]
Incidentally, light is input / output to / from each of the quantum dots 712 and 713 constituting the quantum dot group by the incident side optical probe 621 and the exit side optical probe 641 as shown in FIG.
[0162]
The incident side optical probe 621 is supplied with light from an external light source (not shown). As shown in FIG. 21, the incident side optical probe 621 can input light to the first quantum dot 712 via the protrusion 212 on a nanoscale. Similarly, the emission-side optical probe 621 can take out nanoscale light emitted from the second quantum dot 713 and convey it to the outside.
[0163]
The incident side optical probe 621 and the exit side optical probe 641 may be replaced with an optical waveguide (not shown). The optical waveguide (not shown) propagates light supplied from a light source and supplies it to the first quantum dots 712, or propagates light supplied from the second quantum dots 712 to the outside. The optical waveguide (not shown) may be formed of a metal waveguide using a thin wire such as Al or Au, and the propagating light may be propagated as plasmons.
[0164]
Next, the energy levels of the quantum dots 712 and 713 will be described. FIG. 22 shows an energy band diagram when the material system constituting each of the quantum dots 712 and 713 is CuCl.
[0165]
Based on equation (1), E (n) of each quantum dot 712, 713 _x , N _y , N _z ) Is calculated. At this time, since the side length ratio between the first quantum dot 712 and the second quantum dot 713 is approximately 1: √2, the quantum level of the first quantum dot 712 is (1,1,1). E at a certain time ₁ (111) and E when the quantum level of the second quantum dot 713 is (2, 1, 1). ₂ (211). That is, the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 712 and the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 713 are related by the energy level of the exciton resonating. It is in.
[0166]
When such resonance occurs, the excitons apparently move from the first quantum dots 712 to the second quantum dots 713. The exciton that has moved to the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 713 is the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 713 which is a lower level. ). That is, the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 712 and the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 713 are mutually coupled.
[0167]
Further, in the first quantum dot 712, a wavelength λ corresponding to the energy gap Eg1 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b1. ₁ , Excitons can be excited from the ground level b1 to the quantum level (1,1,1). Then, the excitons excited to the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 712 are coupled to the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 713. .
[0168]
That is, the density of excitons at the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 713 can be higher than the ground level of the second quantum dot 713, and the distance between these two quantum levels can be increased. Can generate a population inversion, and the exciton that has transited to the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 713 can be spontaneously emitted to the ground level. When such a spontaneous emission transition of excitons occurs, light having a wavelength corresponding to the energy difference between the quantum level (1,1,1) and the ground level is emitted. Note that the wavelength of light emitted from the second quantum dot 713a is λ ₂ And the wavelength of light emitted from the second quantum dot 713b is λ ₃ And
[0169]
Here, from the viewpoint of the law of conservation of energy, Eg1 in the first quantum dot 712 to which light is supplied is equal to the quantum level (1,1,1) and the ground level of the second quantum dot 713a emitting light. It is necessary to be equal to the sum of the energy gap Eg2 with b2 and the energy gap Eg3 between the quantum level (1,1,1) of the second quantum dot 713b and the ground level b3. Here, since the energy E is represented by E = hc / λ, the wavelength λ corresponding to Eg1 is required to maintain the energy balance. ₁ And a wavelength λ corresponding to Eg2 ₂ And wavelength λ corresponding to Eg3 ₃ It is necessary that the relationship shown in the following expression (2) be established between
1 / λ ₁ = 1 / λ ₂ + 1 / λ ₃ ・ ・ ・ ・ ・ ・ (2)
Incidentally, since the first quantum dot 712 has a smaller volume than the second quantum dot 713, even if the quantum level is the same (1, 1, 1), λ ₁ <Λ ₂ It becomes. Therefore, one exciton excited by one photon moves to the second quantum dot 713a and the wavelength λ ₂ Is emitted, this second quantum dot 713a is in a state where the energy to be emitted is excessive. For this reason, the excitons in the second quantum dot 713a move further to the second quantum dot 713b, and form an inversion distribution between the two quantum levels as described above to form the wavelength λ. ₃ Emits light.
[0170]
That is, the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 712 is mutually coupled with the quantum level (1,1,1) in the plurality of second quantum dots 713a, 713b, and The exciton excited in the quantum dot 712 moves to the second quantum dot 713a and the wavelength λ ₂ And the exciton corresponding to the energy surplus moves to the second quantum dot 713b, and the wavelength λ ₃ By emitting light, energy balance can be maintained. As a result, the wavelength λ input on the nano scale ₁ Light of different wavelengths λ ₂ , Λ ₃ It can be converted into light and emitted.
[0171]
As described above, in the wavelength conversion element 1 to which the present invention is applied, by forming the quantum dots 712 and 713 having different volumes on the substrate 711, it is possible to create quantum levels having a state density function substantially equal. By causing a resonance effect between, the quantum level of the first quantum dot 712 and the quantum levels of the plurality of second quantum dots 713 can be coupled. Thereby, one exciton excited by one photon is moved to a plurality of second quantum dots 713 so as to satisfy the law of conservation of energy, and different excitons having different wavelengths according to the population inversion formed in each of the excitons. Since light can be emitted, wavelength conversion can be performed with high efficiency while suppressing loss of input light. In addition, since the quantum dots 712 and 713 constituting the wavelength conversion element 1 are configured to have a nanometer size, it is possible to efficiently convert the wavelength of light input on a nanoscale.
[0172]
Note that the wavelength conversion element 7 to which the present invention is applied is not limited to the above-described embodiment. As described above, the quantum level (1,1,1) in the first quantum dot 712 and the quantum level (1,1,1) in the second quantum dot 713 are coupled to move excitons. In addition to the case, the exciton may be moved through another quantum level or a sub-level.
[0173]
Further, not only the case where two second quantum dots 713 are formed on the substrate 711 but also the case where three or more second quantum dots 713 are formed. As a result, coupling between quantum levels can be created with a certain probability, and light can be generated over multiple bands by wavelength conversion with these.
[0174]
Further, the side length ratio between the first quantum dot 712 and the second quantum dot 713 is not limited to 1: √2 as described above, and the volume of the first quantum dot 712 is Any side length ratio may be used as long as it is smaller than the volume of. The level of the quantum level may be set not only by changing the volume between the quantum dots 712 and 713 but also by changing the material. At this time, for example, when InGaAs is used as the material of the quantum dots, the quantum dots may be configured by changing the In content.
[0175]
The second quantum dot 713 changes the energy gaps Eg2 and Eg3 between the quantum level (1,1,1) and the ground level b2 by changing the volume and the material, respectively, so that the wavelength λ of the emitted light is λ. ₂ , Λ ₃ Can be set again. Thus, the wavelength λ of the emitted light is ₂ , Λ ₃ May of course be equivalent.
[0176]
【The invention's effect】
As described in detail above, the optical transmission line using the quantum dots according to the present invention can produce quantum levels having approximately equal state density functions by providing quantum dots having different sizes on a substrate. The exciton can be injected from the first quantum dot to the second quantum dot by causing a resonance effect between them.
[0177]
As described above in detail, the optical amplifier according to the present invention provides the first quantum dot and the second quantum dot having different sizes on the substrate, so that the quantum states between the quantum levels at which the state density functions become equal to each other are provided. Causes a resonance effect, and amplifies the input light according to the population inversion generated by injecting excitons into the quantum level of the second quantum dot. Accordingly, the optical amplifier according to the present invention can form a population inversion between two quantum levels based on the near-field interaction generated from the discrete energy levels. It is possible to amplify the input nanoscale light with high efficiency.
[0178]
As described above in detail, the optical oscillator according to the present invention provides the first quantum dot and the second quantum dot having different sizes on the substrate, so that the quantum level between the quantum levels at which the state density functions are equal to each other is obtained. , A resonance effect is generated, and light emitted based on the population inversion generated by injecting excitons into the quantum level of the second quantum dot can resonate and further oscillate. Accordingly, the optical oscillator according to the present invention can form a population inversion between two quantum levels based on the near-field interaction generated from the discrete energy levels, and can further increase the oscillator strength of the exciton. Therefore, light oscillation can be performed with high efficiency.
[0179]
As described in detail above, the wavelength multiplexing apparatus to which the present invention is applied receives carrier waves of different wavelengths from the first nano optical device via the nanoscale region, and receives carrier waves of wavelengths corresponding to the energy gap. Only when the exciton is excited, the exciton can be excited and moved through each quantum dot to perform multiplex synthesis. As a result, it is possible to efficiently combine and multiplex each carrier input at the nanoscale.
[0180]
As described in detail above, the wavelength separation device to which the present invention is applied receives multiplexed light including carrier waves of mutually different wavelengths from an optical fiber, and excites only an exciton when a carrier wave of a wavelength according to an energy gap is incident. It can be excited and displaced through each quantum dot and provided to a second nano-optical device. As a result, multiplexed light including each carrier can be separated with high efficiency on a nanoscale.
[0181]
As described above in detail, the near-field concentrator 1 to which the present invention is applied forms the first quantum dots and the second quantum dots having different sizes on the substrate made of the conductive crystal. As a result, a resonance effect occurs between the quantum levels having the same state density function as each other, and the excitons excited in the first quantum dot according to the wavelength of the light emitted from the irradiation optical system are converted into the second quantum dots. Inject into the quantum level of the dot. Then, light is emitted in accordance with the population inversion generated between the quantum levels of the second quantum dots by injecting excitons.
[0182]
As a result, the near-field concentrator to which the present invention is applied can converge the near-field with high efficiency in the nanoscale region, and thereby improve the spatial resolution of the near-field nano-optical device composed of quantum dots. It is also possible.
[0183]
As described in detail above, the optical gate element to which the present invention is applied converts the incident signal light into excitons by the first quantum dots and injects them into the second quantum dots. In addition, by injecting excitons into the ground level in the second quantum dot from the switch control means, a population inversion is formed between the two levels, and the exciton is spontaneously emitted to the ground level to make light transition. And acts as an optical gate that reduces the number of excitons moving to the third quantum dot and suppresses the intensity of the signal light emitted from the third quantum dot.
[0184]
Thereby, the optical gate element to which the present invention is applied can function as a so-called optical gate for signal light input at the nanoscale, and the entire optical gate element can be miniaturized to a nanoscale size. It becomes possible.
[0185]
As described above in detail, the wavelength conversion element to which the present invention is applied creates quantum levels having approximately the same state density function by forming quantum dots having different volumes on the substrate, and among them, By causing a resonance effect, the quantum level of the first quantum dot and the quantum levels of the plurality of second quantum dots are coupled. Then, the excitons excited in the first quantum dot are moved to a plurality of second quantum dots so as to satisfy the law of conservation of energy, and light of different wavelengths corresponding to the population inversion formed in each is emitted. I do.
[0186]
As a result, wavelength conversion can be performed with high efficiency while suppressing the loss of input light.Furthermore, by being composed of quantum dots of nanometer size, even light input at nanoscale can be efficiently used. The wavelength can be converted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a transmission line using quantum dots to which the present invention is applied.
FIG. 2 is an energy band diagram in a transmission line using quantum dots.
FIG. 3 is a diagram showing another configuration of a transmission line using quantum dots to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of manufacturing a quantum dot.
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of an optical amplifier to which the present invention is applied.
FIG. 6 is an energy band diagram in the optical amplifier.
FIG. 7 is a diagram for explaining another configuration of the optical amplifier to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an optical oscillator to which the present invention is applied.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an optical communication system to which the wavelength division multiplexing device and the wavelength separation device according to the present invention are applied.
FIG. 10 is a diagram for explaining a specific configuration of a wavelength multiplexing device to which the present invention is applied.
FIG. 11 is a diagram for explaining quantum levels in a wavelength multiplexing device.
FIG. 12 is a diagram for explaining another configuration of the wavelength division multiplexing device to which the present invention is applied.
FIG. 13 is a diagram illustrating a specific configuration of a wavelength separation device to which the present invention has been applied.
FIG. 14 is a diagram for explaining another configuration of the wavelength separation device to which the present invention is applied.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a near-field concentrator to which the present invention is applied.
FIG. 16 is a diagram for explaining another configuration of the near-field concentrator to which the present invention is applied.
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of an optical gate element to which the present invention is applied.
FIG. 18 is an energy band diagram of the optical gate element.
FIG. 19 is a diagram for describing details of a PN junction layer obtained by joining p-GaN and n-GaN.
FIG. 20 is a diagram for explaining another configuration of the optical gate element to which the present invention is applied.
FIG. 21 is a diagram for explaining a configuration of a wavelength conversion element to which the present invention is applied.
FIG. 22 is an energy band diagram of the wavelength conversion element.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 transmission line, 2,3 optical amplifier, 4 optical communication system, 5, near-field concentrator, 6 optical gate device, 7 wavelength conversion device, 9 optical oscillator, 43 wavelength multiplexing device, 45 wavelength separating device, 12, 22 , 433, 612, 712 First quantum dot, 13, 23, 434, 613, 713 Second quantum dot, 614 Third quantum dot, 11, 21, 431, 511, 611, 711 Substrate

Claims (23)

A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot having a first energy level in which an exciton is present and formed on the substrate;
A second quantum dot formed on the substrate with a larger volume than the first quantum dot, and excitons injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level; A transmission path using quantum dots, comprising a second quantum dot having an energy level of: A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot having a first energy level in which an exciton is present and formed at least one or more on the substrate;
A second quantum dot formed on the substrate with a larger volume than the first quantum dot, and excitons are injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level; And a third energy level lower than the second energy level, and the input light is formed between the third energy level and the ground level. An optical amplifier, comprising: a second quantum dot that amplifies based on the inverted population distribution. 3. The optical amplifier according to claim 2, wherein a side length of the second quantum dot is approximately √2 times a side length of the first quantum dot. The optical amplifier according to claim 2, wherein a plurality of the first quantum dots are discretely formed around the second quantum dot. A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot having a first energy level in which an exciton is present, a plurality of first quantum dots formed on the substrate, and a volume larger than the first quantum dot; A second energy level at which excitons are injected from the first quantum dot through the substrate in response to the resonance of the first energy level, and a third energy level lower than the second energy level. A plurality of second quantum dots that emit light based on the population inversion formed between the third energy level and the ground level are provided in the longitudinal direction on the substrate. Quantum dot line,
An optical oscillator comprising two reflecting mirrors provided at both ends of the quantum dot line, and comprising a resonance means for resonating the emitted light. 6. The optical oscillator according to claim 5, wherein said resonance means sets an interval between said two reflecting mirrors to an integral multiple of a wavelength of said emitted light. 6. The optical oscillator according to claim 5, wherein a side length of the second quantum dot is about √2 times a side length of the first quantum dot. The optical oscillator according to claim 5, wherein a plurality of the first quantum dots are discretely formed around the second quantum dot. A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot having a first energy level at which an exciton is excited in accordance with a wavelength of a supplied carrier wave, and a first quantum dot having a larger volume than the first quantum dot, The second energy level at which an exciton is injected from the first quantum dot through the substrate according to the resonance of the first quantum dot and the second energy level are lower than the second energy level and the exciton is transited. A second quantum dot having a third energy level and emitting light based on the population inversion formed between the third energy level and the ground level; With
The wavelength multiplexing apparatus, wherein a plurality of the quantum dot groups are arranged in parallel on the substrate for each wavelength of each carrier wave that excites the excitons to the first energy level. 10. The wavelength multiplexing apparatus according to claim 9, further comprising a multiplexing unit that multiplexes the emitted light. The wavelength multiplexing apparatus according to claim 9, wherein each energy level in the quantum dot group is set by changing a volume of the first and second quantum dots. The wavelength multiplexing apparatus according to claim 9, wherein each energy level in the quantum dot group is set by changing a material of the first and second quantum dots. A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot having a first energy level at which an exciton is excited according to the wavelength of one carrier wave of the supplied multiplexed light; A second energy level at which excitons are injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level, and a second energy level lower than the second energy level; A second quantum dot having a third energy level to which an exciton is transited and emitting light based on a population inversion formed between the third energy level and the ground level; With a quantum dot group consisting of
A plurality of the quantum dot groups are formed on the substrate for each wavelength of each carrier wave that excites the excitons to the first energy level. 14. The wavelength separation device according to claim 13, wherein each energy level in the quantum dot group is set by changing a volume of the first and second quantum dots. The wavelength separation device according to claim 13, wherein each energy level in the quantum dot group is set by changing a material of the first and second quantum dots. A substrate composed of a conductive crystal;
Light irradiation means for irradiating light,
A first quantum dot formed on the substrate and having a first energy level at which an exciton is excited according to a wavelength of light irradiated from the light irradiation means;
A second quantum dot formed on the substrate with a larger volume than the first quantum dot, and excitons injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level; And a third energy level which is lower than the second energy level and to which the exciton is transited, and between the third energy level and the ground level. And a second quantum dot that emits light based on the population inversion formed in the near-field light collector. 17. The near-field concentrator according to claim 16, wherein a plurality of the first quantum dots are discretely formed around the second quantum dot. An exciton formed on the substrate in a smaller volume than the first quantum dot and excited according to the wavelength of light emitted from the light irradiating unit is caused to resonate with the first energy level. 17. The near-field concentrator according to claim 16, comprising a third quantum dot to be injected accordingly. 19. The near-field concentrator according to claim 18, wherein a plurality of the third quantum dots are discretely formed around the first quantum dot. A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot formed on the substrate and having a first energy level at which excitons are excited according to the wavelength of the incident signal light;
A second energy level which is formed in a larger volume than the first quantum dot and in which excitons are injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level; And a second quantum dot having a third energy level lower than the second energy level and to which the exciton is transited,
A fourth energy level formed on the substrate, in which excitons are injected from the second quantum dot through the substrate in response to resonance with the second energy level; A third quantum dot that emits light emitted from the energy level of No. 4 as signal light;
Switch control means for injecting excitons into the ground level in the second quantum dot;
The second quantum dot forms a population inversion between the third energy level and the ground level according to excitons injected into the ground level, and An optical gate element which emits light from a quantum level of 21. The optical gate device according to claim 20, wherein said switch control means is a PN junction for injecting excitons into said ground level according to an applied voltage. A substrate composed of a conductive crystal;
A first quantum dot formed on the substrate and having a first energy level at which an exciton is excited according to a wavelength of input light;
A second quantum dot formed on the substrate with a larger volume than the first quantum dot, and excitons injected from the first quantum dot through the substrate in response to resonance with the first energy level; And a third energy level at which an energy difference between the energy level and the ground level is set in accordance with the wavelength of the input light and excitons transition from the second energy level. A plurality of second quantum dots that emit light having a wavelength corresponding to the set energy difference based on the population inversion formed between the third energy level and the ground level,
The wavelength conversion element, wherein the plurality of second quantum dots exchange excitons at the third energy level with each other according to the set energy difference. 23. The sum of the set energy differences in the plurality of second quantum dots is equal to the energy difference between the first energy level of the first quantum dots and the ground level. The wavelength conversion element as described in the above.

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