JP2005064200A - Optical accumulator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical accumulator which finds an optical physical phenomenon peculiar to particles of quantum dots disposed in a nanometer region, and accumulates lights without being controlled by an optical diffraction limit. <P>SOLUTION: An even number of quantum dots which have energy levels resonant with each other are formed on a substrate constituted of a dielectric material, and a size and a gas of such quantum dots are adjusted so as to be not more than a wavelength of a near field light to be supplied. Further, the energy levels are resonant with each other based on an antiparallel dipole interaction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、量子ドットを用いた光蓄積器に関し、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等に好適な光蓄積器に関する。   The present invention relates to an optical accumulator using quantum dots, and more particularly to an optical accumulator suitable for a nanoscale optical communication network, optical measurement, and the like.

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。   With the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size at which a quantum mechanical effect appears noticeably has been realized (for example, see Non-Patent Document 1). As semiconductor elements utilizing this quantum mechanical effect, for example, HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and quantum well lasers have been put into practical use. In addition, nanoscale quantum dots that take advantage of the particle properties of electrons by controlling single electrons using quantum mechanical effects have attracted attention.

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用した近接場相互作用により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における近接場エネルギー移動を利用する単一格子のナノスケール光スイッチが実現化されつつある。   Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box with a potential that is so fine that it gives three-dimensional quantum confinement to excitons. By the near-field interaction using the exciton confinement system, the energy level of the carriers in the quantum dot becomes discrete, and the state density is sharpened in a delta function. Single-lattice nanoscale optical switches are being realized that utilize near-field energy transfer between sharpened states in the quantum dots.

M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862M. Ohtsu, K. Kobayashi, T. Kawazoe, S. Sangu, T. Yatsui, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., To be published Vol8.No4 2002 July-Aug, P839-P862

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく光を蓄積することができるナノスケールの光蓄積器の実現が望まれている。特に、供給される光に基づくエネルギーを、電気信号等に変換することなく高効率に蓄積することができる光蓄積器につき実現化への要請が高まっている。   By the way, in order to meet the demand for future large-capacity information processing, it is desired to realize a nanoscale optical accumulator capable of accumulating light without being controlled by the diffraction limit of light. In particular, there is an increasing demand for realizing an optical accumulator that can store energy based on supplied light with high efficiency without converting it into an electrical signal or the like.

しかしながら、供給される光に基づくエネルギーを高効率に蓄積できる技術そのものが従来より提案されていないのが実情である。また、ナノスケールの光蓄積器を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの光蓄積器が未だ案出されていないのが現状である。   However, the actual situation is that no technology that can store energy based on the supplied light with high efficiency has been proposed. In addition, there is a problem that quantum fluctuations occur when trying to realize a nanoscale optical accumulator with an electronic device, and when it is attempted to realize it with an optical device, the diffraction limit of light is still present. Therefore, there is a problem that miniaturization is limited. Furthermore, when trying to realize this with a quantum device, there is a problem that it is difficult to ensure long-term reliability in coherence. For this reason, a practical nanoscale optical accumulator has not yet been devised.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく供給される光に基づくエネルギー自体を蓄積することができる光蓄積器を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and finds a unique photophysical phenomenon between quantum dots arranged in the nanometer region, and is supplied without being governed by the light diffraction limit. An object of the present invention is to provide an optical accumulator capable of storing energy itself based on light.

本発明を適用した光蓄積器では、上述した課題を解決するために、誘電性の基板上に互いに共鳴するエネルギー準位を有する偶数個の量子ドットを形成させ、かかる量子ドットのサイズ並びにその間隔を供給される近接場光の波長以下となるように調整した。   In the optical accumulator to which the present invention is applied, in order to solve the above-described problem, an even number of quantum dots having energy levels that resonate with each other are formed on a dielectric substrate, and the size of the quantum dots and the interval between the quantum dots are formed. Was adjusted to be less than or equal to the wavelength of the near-field light supplied.

即ち、本発明を適用した光蓄積器は、誘電性の基板と、供給された近接場光に基づいて互いに共鳴するエネルギー準位を有し上記近接場光の波長以下のサイズからなる偶数個の量子ドットとを備え、上記偶数個の量子ドットは、その間隔が上記近接場光の波長以下となるように上記基板上に形成されている。   That is, the optical accumulator to which the present invention is applied has an even number of dielectric substrates and energy levels that resonate with each other based on the supplied near-field light and have a size equal to or smaller than the wavelength of the near-field light. The even-numbered quantum dots are formed on the substrate so that the distance between them is equal to or less than the wavelength of the near-field light.

本発明を適用した光蓄積器では、誘電性の基板上に互いに共鳴するエネルギー準位を有する偶数個の量子ドットを形成させ、かかる量子ドットのサイズ並びにその間隔を供給される近接場光の波長以下となるように調整する。   In an optical accumulator to which the present invention is applied, an even number of quantum dots having energy levels that resonate with each other are formed on a dielectric substrate, and the size of the quantum dots and the wavelength of the near-field light supplied thereto are supplied. Adjust so that:

これにより、本発明を適用した光蓄積器は、量子ドット間において反平行の双極子相互作用を起こさせて放射寿命を長くすることができるため、当該近接場光の蓄積時間を大幅に延長させることが可能となる。特に本発明を適用した光蓄積器は、近接場光の回折限界に支配されることなく光を蓄積することができるナノスケールのデバイスとして提供されることが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。更に本発明を適用した光蓄積器では、供給される光を光電変換することなく高効率に蓄積することができる。   As a result, the optical accumulator to which the present invention is applied can cause the anti-parallel dipole interaction between the quantum dots to increase the radiation lifetime, thereby greatly extending the near-field light accumulation time. It becomes possible. In particular, an optical accumulator to which the present invention is applied can be provided as a nanoscale device capable of accumulating light without being controlled by the diffraction limit of near-field light. Can be met. Furthermore, in the optical accumulator to which the present invention is applied, the supplied light can be accumulated with high efficiency without photoelectric conversion.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明を適用した光蓄積器１は、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の誘電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍において形成されている第２の量子ドット１３とを備えている。 For example, as shown in FIG. 1, the optical accumulator 1 to which the present invention is applied is a substrate 11 made of a dielectric material such as NaCl, KCl, or CaF 2 and a first layer formed on the surface of the substrate 11. 1 quantum dot 12 and a second quantum dot 13 formed in the vicinity of the first quantum dot 12.

各量子ドット１２,１３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。この量子ドット１２,１３間において、励起子の閉じ込め系による近接場相互作用が生じる結果、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。   Each quantum dot 12 and 13 controls a single electron (exciton) based on discrete energy levels formed by confining excitons three-dimensionally. As a result of the near-field interaction caused by the exciton confinement system between the quantum dots 12 and 13, the energy level of carriers in the quantum dot becomes discrete, and the state density is sharpened in a delta function. it can.

この誘電性の基板上１１に形成された各量子ドット１２,１３には、蓄積すべき近接場光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第１の量子ドット１２に供給される近接場光Ａとし、第２の量子ドット１３に供給される近接場光Ｂとする。これら近接場光Ａ, 近接場光Ｂは、基板１１に形成されたプラズモン導波路３１,３２を介してそれぞれ各量子ドット１２,１３に供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１２,１３に近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。   Near field light to be accumulated is independently supplied to the quantum dots 12 and 13 formed on the dielectric substrate 11. Here, the near-field light A supplied to the first quantum dots 12 and the near-field light B supplied to the second quantum dots 13 are used. The near-field light A and the near-field light B are supplied to the quantum dots 12 and 13 through the plasmon waveguides 31 and 32 formed on the substrate 11, respectively. However, the present invention is not limited to this case. For example, the quantum dots 12 and 13 may be supplied via a near-field optical probe (not shown) adjacent to the quantum dots 12 and 13.

第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３とは、互いに状態密度関数がほぼ等しい量子準位を有する。これら各量子ドット１２,１３は、供給された近接場光Ａ又は近接場光Ｂに応じて双極子相互作用が生じる結果、互いに共鳴することになる。これらに供給される近接場光Ａ,Ｂは、基底準位にある励起子をそれぞれ励起させることにより、各量子ドット１２,１３内へ順次蓄積されることになる。   The first quantum dot 12 and the second quantum dot 13 have quantum levels that have substantially the same state density functions. These quantum dots 12 and 13 resonate with each other as a result of the occurrence of dipole interaction according to the supplied near-field light A or near-field light B. The near-field lights A and B supplied to these are sequentially accumulated in the quantum dots 12 and 13 by exciting the excitons at the ground level.

ちなみに量子ドット１２,１３内に蓄積された近接場光を事後的に取り出す場合には、図示しない近接場プローブを何れかの量子ドット１２,１３に近接させることにより、これを実現することができる。   Incidentally, when the near-field light accumulated in the quantum dots 12 and 13 is taken out later, this can be realized by bringing a near-field probe (not shown) close to one of the quantum dots 12 and 13. .

各量子ドット１２,１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット１２,１３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。各量子ドット１２,１３を構成する材料系として、例えば上記ＣｕＣｌを用いる場合には、それらの辺長はナノメータサイズとなるように、換言すれば近接場光Ａ,Ｂの波長以下となるように基板１１上に形成させる。また量子ドット１２,１３は、その間隔Ｌａについても同様に近接場光Ａ,Ｂの波長以下となるように基板１１上に形成される。 Each quantum dot 12 and 13 consists of material systems, such as CuCl, GaN, or ZnO. Incidentally, when the material system constituting each quantum dot 12, 13 is CuCl, these are constituted in a cubic shape called a quantum box, and the material system constituting each quantum dot 12, 13 is GaN or ZnO. In some cases, these are configured as spherical or disk-shaped. For example, when using CuCl as a material system constituting each of the quantum dots 12 and 13, the side lengths thereof are nanometer-sized, in other words, not more than the wavelength of the near-field light A and B. It is formed on the substrate 11. The quantum dots 12 and 13 are similarly near-field light A also the interval L a, it is formed on the substrate 11 so that the following wavelengths B.

これら各量子ドット１２,１３は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１１上に形成させることができる。各量子ドット１２,１３を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、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。   Each of these quantum dots 12 and 13 can be formed on the substrate 11 by using the following Bridgman method. In the case of using the above-mentioned CuCl as a material system constituting each quantum dot 12, 13, CuCu powder and NaCl powder are first mixed and melted at a temperature of about 800 ° C. Next, the molten mixed powder is suspended in a furnace having a temperature gradient in the vertical direction, and moved up and down in the furnace at a speed of several mm / h, thereby creating a temperature gradient inside the mixed powder gradually. To crystallize. When heat treatment is performed at a temperature of about 200 ° C. for several minutes to several tens of minutes, a NaCl crystal including CuCl quantum dots 12 and 13 can be produced. Incidentally, in the Bridgman method, the size of the generated quantum dots 12 and 13 can be freely controlled by changing the heat treatment temperature and the heat treatment time.

なお、これら各量子ドット１２,１３は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。   Each of these quantum dots 12 and 13 may be further formed on the substrate 11 based on a molecular epitaxy (MBE) growth method, and the formation position of the quantum dots with high precision using near-field light CVD. You may control.

図２は、各量子ドット１２,１３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１２,１３における量子閉じ込め準位Ｅ（nx,ny,nz）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx 2+ny 2+nz 2）・・・・・（１）
この式（１）に基づき、各量子ドット１２、１３のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長比が、およそ１：√２であるとき、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。即ち、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近接場光Ａを、第１の量子ドット１２へ照射する。 FIG. 2 shows an energy band diagram in the case where the material system constituting each of the quantum dots 12 and 13 is CuCl. The quantum confinement level E ( nx , ny , nz ) in each quantum dot 12,13 is expressed by the following equation (1) when the mass of the particle is m and the side length of the quantum dot is L. Defined by
E (n x , n y , n z ) = h 2 / 8π 2 m (π / L) 2 (n x 2 + ny 2 + n z 2 ) (1)
Based on this formula (1), E (n x , n y , n z ) of each quantum dot 12, 13 is calculated. Here, when the side length ratio between the first quantum dot 12 and the second quantum dot 13 is approximately 1: √2, the quantum level in the first quantum dot 12 is (1, 1, 1). E (111) at the time is equal to E (211) when the quantum level in 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. There is a relationship. Actually, in order to cause resonance between them, the first quantum dot 12 is irradiated with near-field light A having a wavelength corresponding to the quantum level (1, 1, 1) in the first quantum dot 12. .

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。   When 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 exciton that has moved and exists in the quantum level (2,1,1) of the second quantum dot 13 moves to the quantum level (1,1,1) of the first quantum dot 12, Since the former has a higher moving speed, the excitons apparently move from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13. Then, excitons that have moved to the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 13 transition to the quantum level (1, 1, 1) of the second quantum dot 13.

即ち、この光蓄積器１は、辺長比がそれぞれ１：√２である量子ドット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。   That is, the optical accumulator 1 can create quantum levels having substantially equal density of states by providing quantum dots 12 and 13 on the substrate 11 having side length ratios of 1: √2 respectively. By causing a resonance effect between them, excitons can be injected into the quantum level (2, 1, 1) of the second quantum dot 13. In other words, excitons can be transmitted between quantum dots.

上述した共鳴効果を確認するために、量子ドット１２,１３が隣接している領域を近接場光学顕微鏡で分光観測した結果を図３(a)に示す。基板１１上に形成された各量子ドット１２，１３において、構成される材料系がＣｕＣｌであり、また第１の量子ドット１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の辺長が約６．３ｎｍである場合において、近接場光Ａを当該領域に対して照射すると、辺長が約６．３ｎｍである第２の量子ドット１３において強い発光スペクトルが観測される。   In order to confirm the resonance effect described above, FIG. 3A shows the result of spectroscopic observation of the region where the quantum dots 12 and 13 are adjacent with a near-field optical microscope. In each quantum dot 12, 13 formed on the substrate 11, the material system configured is CuCl, the side length of the first quantum dot 12 is about 4.6 nm, and the second quantum dot 13 When the near-field light A is applied to the region in the case where the side length is about 6.3 nm, a strong emission spectrum is observed in the second quantum dots 13 having the side length of about 6.3 nm.

これは、第１の量子ドット１２における量子準位と第２の量子ドット１３における量子準位との間で互いに共鳴する結果、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よるいわばエネルギー移動が起こるためであり、第２の量子ドット１３へ蓄積された励起子が下位準位へ放出されて発光するからである。   This is because, as a result of the resonance between the quantum level in the first quantum dot 12 and the quantum level in the second quantum dot 13, excitons are transferred from the first quantum dot 12 to the second quantum dot 13. This is because energy transfer occurs due to movement, and excitons accumulated in the second quantum dot 13 are emitted to a lower level and emit light.

また第２の量子ドット１３における量子準位に対応する波長をもつ近接場光Ｂを、当該第２の量子ドット１２へ供給した場合において、図３(b)に示すように、第１の量子ドット１２において強い発光スペクトルが観測される。これは、第２の量子ドット１３に供給された近接場光Ｂに基づいて励起子が励起される結果、励起子準位が飽和するため、これに共鳴する第１の量子ドット１２における量子準位からの励起子の移動が制限されるためである。即ち、第１の量子ドット１２における量子準位において移動の制限された励起子が飽和し、かかる量子準位からエネルギーの放出が生じて、第１の量子ドット１２からの発光が生じることになる。   Further, when the near-field light B having a wavelength corresponding to the quantum level in the second quantum dot 13 is supplied to the second quantum dot 12, as shown in FIG. A strong emission spectrum is observed at the dots 12. This is because the exciton level is saturated as a result of excitation of the exciton based on the near-field light B supplied to the second quantum dot 13, so that the quantum level in the first quantum dot 12 that resonates with the exciton level is saturated. This is because exciton movement from the position is limited. That is, excitons whose movement is limited in the quantum levels in the first quantum dots 12 are saturated, energy is emitted from the quantum levels, and light emission from the first quantum dots 12 occurs. .

以下に説明する光蓄積器１の動作では、上記図３(b)において示される共鳴効果を利用する場合を例にとり説明する。即ち、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給することにより、第１の量子ドット１２における量子準位において励起子を飽和させ、かかる近接場光Ｂに基づくエネルギー自体を電気信号等に変換することなく高効率に蓄積する。   In the operation of the optical accumulator 1 described below, a case where the resonance effect shown in FIG. 3B is used will be described as an example. That is, by supplying the near-field light B to the second quantum dot 13, the exciton is saturated at the quantum level in the first quantum dot 12, and the energy itself based on the near-field light B is converted into an electric signal. Accumulate with high efficiency without converting to etc.

図４(a)は、図３(b)に示す差分発光スペクトルの立ち上がり時間を示している。第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３から構成される組を、その間隔Ｌａが狭いほうから順にＰ１,Ｐ２,Ｐ３とするとき、第１の量子ドット１２からの発光が立ち上がるまでの時間は、Ｐ１が２５ｐｓであり、Ｐ２が９０ｐｓであり、Ｐ３は１８０ｐｓとなる。即ち、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３との間隔Ｌａが狭くなるほど立ち上がり時間が短くなることが示されている。この立ち上がり時間は、量子ドット間における励起子（エネルギー）の移動時間に対応し、これは量子ドット１２,１３間の近接場相互作用に基づくものである。即ち、立ち上がり時間が短いほど、換言すればエネルギー移動時間が短いほど量子ドット１２,１３における近接場相互作用が大きいことが示されている。 FIG. 4 (a) shows the rise time of the differential emission spectrum shown in FIG. 3 (b). Sets of composed of first quantum dots 12, and the second quantum dot 13, when the P 1, P 2, P 3 in order from the better the interval L a narrow, light emitted from the first quantum dot 12 the time to rise, a P 1 is 25 ps, P 2 is 90 ps, P 3 becomes 180 ps. That is, as the rise time interval L a is narrowed between the first quantum dot 12 and the second quantum dot 13 is shown to be short. This rise time corresponds to the exciton (energy) transfer time between quantum dots, which is based on the near-field interaction between the quantum dots 12 and 13. That is, the shorter the rise time, in other words, the shorter the energy transfer time, the greater the near-field interaction in the quantum dots 12 and 13.

また図４(b)は、上記差分発光スペクトルの緩和時間を示している。この緩和時間は、第１の量子ドット１２の放射時間に対応し、Ｐ１が６．７ｎｓであり、Ｐ２が４．２ｎｓであり、Ｐ３が２．９ｎｓであった。また、この量子ドットの各組Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３における緩和時間は、近接場光以外の伝搬光を照射した場合と比較して長くなっていた。 FIG. 4B shows the relaxation time of the differential emission spectrum. The relaxation time corresponds to the radiation time of the first quantum dot 12 is P 1 is 6.7Ns is P 2 is 4.2ns, P 3 was 2.9 ns. Moreover, the relaxation time in each set P 1 , P 2 , P 3 of this quantum dot was longer than that in the case of propagating light other than near-field light.

通常の伝搬光を第２の量子ドット１３へ照射した場合には、図５(a)に示すように、互いに平行の双極子が各量子ドット１２,１３間に生じることになる。このような双極子が生じた各量子ドット１２,１３において、それぞれの遷移双極子の大きさは単独で存在する量子ドットと比較して√２倍となるため、遷移確率、放射確率は、ともに上昇し、放射寿命は１／２倍程度に短くなる。   When normal propagating light is irradiated to the second quantum dots 13, dipoles parallel to each other are generated between the quantum dots 12 and 13, as shown in FIG. In each of the quantum dots 12 and 13 in which such a dipole is generated, the size of each transition dipole is √2 times that of a single quantum dot, so both the transition probability and the radiation probability are As a result, the radiation lifetime is shortened to about 1/2 times.

これに対して、上述の如く第２の量子ドット１３へ近接場光を照射した場合には、図５(b)に示すように、互いに反平行の双極子が各量子ドット１２,１３間に生じることになる。このような反平行の双極子が生じた各量子ドット１２,１３において、それぞれの遷移双極子の大きさは、単独で存在する量子ドットと比較して小さくなり、放射寿命が長くなる。即ち、偶数個の量子ドットに対して近接場光を照射することにより、これらの間で反平行の双極子−双極子結合が常に生じることになる。   On the other hand, when the second quantum dot 13 is irradiated with near-field light as described above, an antiparallel dipole is formed between the quantum dots 12 and 13 as shown in FIG. Will occur. In each of the quantum dots 12 and 13 in which such antiparallel dipoles are generated, the size of each transition dipole is smaller than that of a single quantum dot, and the radiation lifetime is increased. That is, by irradiating an even number of quantum dots with near-field light, an antiparallel dipole-dipole coupling always occurs between them.

本発明を適用した光蓄積器１では、かかる現象を利用し、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給することにより、量子ドット１２,１３間において反平行の双極子−双極子相互作用を起こさせる。換言すれば、偶数の量子ドットのうちいずれか一の量子ドットに対して近接場光を照射することにより、このような反平行の双極子−双極子結合状態をあえて作り出す。これにより、供給される近接場光自体を励起子を介して蓄積することが可能となる。またこれらの放射寿命を長くすることができるため、当該近接場光の蓄積時間を大幅に延長させることが可能となる。   In the optical accumulator 1 to which the present invention is applied, the near-field light B is supplied to the second quantum dot 13 by utilizing such a phenomenon, so that the antiparallel dipole-dipole is present between the quantum dots 12 and 13. Cause child interaction. In other words, such an antiparallel dipole-dipole coupling state is created by irradiating near-field light to any one of even-numbered quantum dots. As a result, the supplied near-field light itself can be accumulated via excitons. Moreover, since these radiation lifetimes can be extended, the storage time of the near-field light can be greatly extended.

特に本発明を適用した光蓄積器１は、近接場光の回折限界に支配されることなく光を蓄積することができるナノスケールのデバイスとして提供されることが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。このため、蓄積時間の増大と相俟って特に顕著な効果が得られる。   In particular, the optical accumulator 1 to which the present invention is applied can be provided as a nanoscale device capable of accumulating light without being controlled by the diffraction limit of near-field light. It is possible to meet the demands of For this reason, a particularly remarkable effect is obtained in combination with an increase in the accumulation time.

また、本発明では、図３に示す共鳴効果を利用することにより、必要に応じて第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の間隔Ｌａを狭くすることで近接場光の蓄積時間を更に延長させるようにしてもよい。また、この光蓄積器１が配設されるシステムのスペックより、近接場光の蓄積時間が予め決定されている場合には、当該蓄積時間に合わせて間隔Ｌａを制御することもできる。 In the present invention, by utilizing the resonance effect as shown in FIG. 3, the first quantum dot 12 and the accumulation time of the near-field light by narrowing the distance L a of the second quantum dot 13 as required May be further extended. Further, from the specification of the system to which the optical storage device 1 is provided, if the storage time of the near-field light is determined in advance, it is also possible to control the spacing L a fit to the accumulation time.

本発明を適用した光蓄積器１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、図６に示すように、４以上の偶数個で構成される量子ドットを基板１１上に形成させるようにしてもよい。即ち、係る偶数個の量子ドットにつき、２個ずつの組に分けて、各組ごとに上述した第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の役割を担わせることにより、近接場光の蓄積時間を更に延長させることができる。かかる場合においても同様に、両端に形成されている偶数個の量子ドット４１,４２の間隔Ｌｂが、蓄積する近接場光の波長以下となるように調整される。 The optical accumulator 1 to which the present invention is applied is not limited to the above-described embodiment, and as shown in FIG. 6, quantum dots composed of an even number of four or more are formed on the substrate 11. It may be. In other words, the even-numbered quantum dots are divided into groups of two, and the roles of the first quantum dots 12 and the second quantum dots 13 described above are assigned to each group, so that the near-field light The accumulation time can be further extended. Similarly in this case, the interval L b of an even number of quantum dots 41, 42 are formed at both ends is adjusted to be equal to or less than the wavelength of the near-field light to accumulate.

また、本発明を適用した光蓄積器１は、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給する場合のみならず、第１の量子ドット１２に対して近接場Ａを供給して励起子を励起させることにより、これを蓄積するようにしてもよい。また、本発明を適用した光蓄積器１は、第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３の双方に対して近接場光Ａ,Ｂをそれぞれ供給して、これを蓄積してもよいことは勿論である。   In addition, the optical accumulator 1 to which the present invention is applied supplies not only the near-field light B to the second quantum dots 13 but also the near-field A to the first quantum dots 12. This may be accumulated by exciting the excitons. Further, the optical accumulator 1 to which the present invention is applied may supply near-field light A and B to both the first quantum dots 12 and the second quantum dots 13 and accumulate them. Of course.

本発明を適用した光蓄積器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical storage device to which this invention is applied. 本発明を適用した光蓄積器におけるエネルギバンド図である。It is an energy band figure in the optical storage device to which this invention is applied. 量子ドットが隣接している領域を近接場光学顕微鏡で分光観測した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having spectrally observed the area | region which a quantum dot adjoins with the near field optical microscope. 差分発光スペクトルの立ち上がり時間並びにその緩和時間を示す図である。It is a figure which shows the rise time of a difference emission spectrum, and its relaxation time. 互いに平行又は反平行の双極子が量子ドットに生じる場合につき説明するための図である。It is a figure for demonstrating about the case where a mutually parallel or antiparallel dipole arises in a quantum dot. ４以上の偶数個で構成される量子ドットを基板上に形成させる例を示す図である。It is a figure which shows the example which forms the quantum dot comprised by an even number 4 or more on a board | substrate.

符号の説明Explanation of symbols

１ 光蓄積器、１１ 基板、１２ 第１の量子ドット、１３ 第２の量子ドット、３１,３２ プラズモン導波路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical accumulator, 11 Substrate, 12 1st quantum dot, 13 2nd quantum dot, 31, 32 Plasmon waveguide

Claims (3)

誘電性の基板と、
供給された近接場光に基づいて互いに共鳴するエネルギー準位を有し、上記近接場光の波長以下のサイズからなる偶数個の量子ドットとを備え、
上記偶数個の量子ドットは、その間隔が上記近接場光の波長以下となるように上記基板上に形成されていること
を特徴とする光蓄積器。 A dielectric substrate;
Having energy levels that resonate with each other based on the supplied near-field light, and comprising an even number of quantum dots having a size equal to or smaller than the wavelength of the near-field light,
The even-numbered quantum dots are formed on the substrate so that the distance between them is equal to or less than the wavelength of the near-field light. 上記偶数個の量子ドットにおける上記エネルギー準位は、反平行の双極子−双極子相互作用に基づいて互いに共鳴すること
を特徴とする請求項１記載の光蓄積器。 The optical accumulator according to claim 1, wherein the energy levels in the even number of quantum dots resonate with each other based on antiparallel dipole-dipole interaction. 上記偶数個の量子ドットは、上記近接場光を蓄積させる時間に応じてその間隔が調整されてなること
を特徴とする請求項１記載の光蓄積器。
2. The optical accumulator according to claim 1, wherein the even number of quantum dots has an interval adjusted according to a time during which the near-field light is accumulated.
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