JP2006215484A - 量子ドットを用いた光接続装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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、周波数が多重された伝搬光につきそのまま所望の演算処理を行う。
【解決手段】 光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ形成された複数の入力側の量子ドット１２,１３と、入力側の量子ドット１２,１３から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させた励起子のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する出力側の量子ドット１４とを基板１１上に形成させ、これに対して互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナノスケールの周波数多重光通信システムに適用される量子ドットを用いた光接続装置に関する。

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。

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、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光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
M. Ohtsu,K. Kobayashi,T. Kawazoe,S. Sangu,and T. Yatsui, IEEE J. Sel. Top. Quantum. Electron., Vol. 8 ,pp. 839-862 (2002). P. S. Guilfoyle and D. S. McCallum, Opt. Eng., Vol.35, pp. 436-442 (1996). M. J. O’Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, and A. Tzanakaki, IEEE Commun.Mag., Vol. 39, pp. 128-135 (2001).

ところで、大量のデータ情報を伝送可能な光通信システムにおいて、より高速かつ高密度な情報伝送技術の改善が特に近年において望まれている。その中でも特に、光ファイバの広い低損失波長領域を効果的に使用する周波数（波長）多重通信方式は、伝送容量を大幅に増大できる通信方式として注目されている。この周波数多重通信方式は、周波数の異なる多数の光を波長合成器により多重化して１本の光ファイバに結合し、長距離伝送した後に波長分波器で周波数毎に分離して信号を取り出す方式である。すなわちｎ波の異なる周波数の光を多重することにより、各周波数の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得ることできる。

図１０は、従来における周波数多重通信システムにおいて適用される光接続装置１０１を示している。この光接続装置１０１では、複数の演算を同時に実行することが可能であり、互いに異なる周波数からなる入力信号間の接続につき、自由空間を伝搬する光を利用して行うものである（例えば、非特許文献２参照。）。この光接続装置１０１は、入力信号としての伝搬光が供給される入力側レンズアレイ１０２と、この入力側レンズアレイ１０２から出射した光が入射されるマトリクス型モジュール１０３と、このマトリクス型モジュール１０３から出射した光を電気信号に光電変換する受光部１０４とを備えている。

入力側レンズアレイ１０２は、複数の小さなレンズ素子をアレイ状に設けた構造とされており、伝搬光に多重化された互いに異なる周波数からなる光信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、・・、Ｓ_Ｎが各レンズ素子に供給される。このレンズ素子に供給された光信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、・・、Ｓ_Ｎは、マトリクス型モジュール１０３へむけて光束が拡大された状態で出射されることになる。

マトリクス型モジュール１０３は、光変調素子をマトリクス状に配列させたものであって、例えば図１０に示すように、Ｍ行Ｎ列に並べられて構成されている。即ち、左上において光変調素子ｄ_１１が形成され、その右方向へ向かって光変調素子ｄ_２１、ｄ_３１、・・・、ｄ_Ｍ１が順に設けられている。また、その下方向に向かってｄ_１２、ｄ_１３、・・・、ｄ_１Ｎが形成され、最終的にｄ_ＭＮに至るまでマトリクスが形成されている。なお、このマトリクス型光モジュール１０３は、光を遮蔽するか、或いは透過させることにより、スイッチング機能を持たせるようにしてもよい。

受光部１０４は、少なくともマトリクス型モジュール１０３における行数と同じく、Ｍ個に亘り一列に配設された受光素子で構成されている。この受光部１０４における受光素子ａ_１、ａ_２、・・・、ａ_Ｍは、それぞれ光電変換した信号を外部のデバイスへ送信する。

光信号Ｓ_１は、変調素子ｄ_１１、ｄ_２１、ｄ_３１、・・・、ｄ_Ｍ１へ入射され、光信号Ｓ_２は、変調素子ｄ_１２、ｄ_２２、ｄ_３２、・・・、ｄ_Ｍ２へ入射される。以降も同様に、光信号Ｓ_Ｎは、変調素子ｄ_１Ｎ、ｄ_２Ｎ、ｄ_３Ｎ、・・・、ｄ_ＭＮへ入射される。

また、変調素子ｄ_１１、ｄ_１２、ｄ_１３、・・・、ｄ_１Ｎにおいて変調された出射光は、受光素子ａ_１へ入射され、変調素子ｄ_２１、ｄ_２２、ｄ_２３、・・・、ｄ_２Ｎにおいて変調された出射光は、受光素子ａ_２へ入射される。以降も同様に、変調素子ｄ_Ｍ１、ｄ_Ｍ２、ｄ_Ｍ３、・・・、ｄ_ＭＮにおいて変調された出射光は、受光素子ａ_Ｍへと入射される。

ここで、受光素子ａ_１、ａ_２、・・・、ａ_Ｍにより、それぞれ光電変換される信号をｆ_１、ｆ_２、・・・ｆ_Ｍとし、各光変調素子ｄ_１１、ｄ_１２、ｄ_１３、・・、ｄ_ＭＮにおける変調処理に基づく係数をそれぞれＤ_１１、Ｄ_１２、Ｄ_１３、・・、Ｄ_ＭＮとしたとき、その信号ｆ_１、ｆ_２、・・・ｆ_Ｍは、以下の式により定義される。
[式１]

このような構成からなるマトリクス演算装置では、このマトリクス型光モジュールを構成するマトリクスに所望の係数Ｄ_１１、Ｄ_１２、Ｄ_１３、・・・、Ｄ_ＭＮを入れておくことにより、波長多重通信する光信号Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、・・、Ｓ_Ｎにつき所望の演算処理を施すことも可能となる。

ところで、この周波数多重通信方式において、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、演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。

しかしながら、かかるナノスケールの回路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。例えば、主要データを電気領域に変換せずに処理することができる光パケットスイッチング（例えば、非特許文献３参照。）も提案されている。しかしながら、かかるスイッチング技術については、解決しなければならない様々な課題が存在する。例えばパケットのヘッダーとの照合演算に特定の導波路デバイスを多数実装しなければならず、必要な固体デバイスの規模が大きく集積性に難がある。

また、周波数が多重化された伝搬光につき、ナノスケールの回路で所望の演算を行う場合には、各周波数を構成する光信号を、例えば近接場光プローブ等を使用してナノスケールの回路へ供給しなければならなかった。このため、デバイス全体の構成が複雑化してしまい、作製コストが大幅に上昇してしまうという問題点もあった。従って、周波数が多重された伝搬光を構成する各光信号につきそのまま所望の演算処理を施すことが可能なデバイスが従来より望まれていた。

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、周波数が多重された伝搬光につきそのまま所望の演算処理を行うことが可能な量子ドットを用いた光接続装置を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ形成された複数の入力側の量子ドットと、入力側の量子ドットから光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する出力側の量子ドットとを基板上に形成させ、これに対して互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光を供給する、量子ドットを用いた光接続装置を発明した。

即ち、本発明に係る量子ドットを用いた光接続装置は、互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光が供給される誘電性の基板と、伝搬光に多重化された光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ上記基板上に形成された複数の入力側の量子ドットと、入力側の量子ドットから基板を介して光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する出力側の量子ドットとを備える。

また、本発明に係る量子ドットを用いた光接続装置は、互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光が供給される誘電性の基板と、伝搬光に多重化された光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ基板上に形成された第１の量子ドット並びに第２の量子ドットと、第１の量子ドット並びに第２の量子ドットから基板を介して光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有する第３の量子ドットとからなる量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける上記共鳴エネルギー準位と同一準位を有する第４の量子ドットとを備え、第４の量子ドットは、当該準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する。

本発明に係る量子ドットを用いた光接続装置は、光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ基板上に形成された複数の入力側の量子ドットと、入力側の量子ドットから光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する出力側の量子ドットとを基板上に形成させ、これに対して互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光を供給する。

このため、本発明に係る量子ドットを用いた光接続装置では、光の回折限界に支配されることなく、周波数が多重された伝搬光につきそのまま所望の演算処理を行うことが可能となる。

特に、この量子ドットを用いた光接続装置では、各量子ドットに対して近接場プローブにより光信号を供給することなく、周波数が多重化された伝搬光を供給することにより動作可能な構成であるため、デバイス全体の構成が複雑化することがなくなり、作製コストを大幅に低減させることも可能となる。

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。

先ず、本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置１の構成について説明をする。光接続装置１は、例えば図１に示すように、互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光Ｍが供給されるものであり、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の材料により構成される誘電性の基板１１と、この基板１１上に形成された量子ドット１２,１３,１４からなる量子ドットグループ２０とを備えている。

量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４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１２,１３,１４においては、励起子の閉じ込め系により、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、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。なお、この量子ドット１２,１３,１４において扱う励起子は、電子、正孔等のいかなる光励起担体に代替することが可能となる。

量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット１２,１３,１４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１２,１３,１４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。この各量子ドット１２,１３,１４の辺長や径は、それぞれ４ｎｍ〜１０ｎｍ程度で構成することも可能となり、光の波長λと比較してより小さいサイズで基板１１上に形成させることも可能となる。

この量子ドットグループ２０は、基板１１上において複数グループに亘り離散的に複製されてなる。この量子ドットグループ２０が形成された基板１１上には、光ファイバ等で伝送可能な遠視野光としての伝搬光がそのまま供給されてくる。このため、かかる伝搬光に多重化された各光信号は、そのまま量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４へと供給されることになる。

図２は、かかる量子ドットグループ２０の詳細を示している。この量子ドットグループ２０は、上述した伝搬光に多重化された光信号がそれぞれ供給される第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３と、これらの近傍に形成された第３の量子ドット１４とを備えている。即ち、これら光信号が供給される第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３をいわゆる入力側の量子ドットとした場合に、この第３の量子ドット１４は、これらとの近接場−近接場相互作用に基づいて発光する、いわゆる出力側の量子ドットとして定義することが可能となる。

この量子ドットグループ２０を構成する量子ドット１２,１３,１４がそれぞれ立方体として構成されている場合において、第１の量子ドット１２の辺長Ｌとしたとき、第２の量子ドット１３の辺長は２Ｌであり、第３の量子ドット１４の辺長は、√２Ｌとなる。

これら各量子ドット１２,１３,１４は以下のブリッジマン法を用いることにより、例えば母結晶として構成される基板１１上に形成させることができる。各量子ドット１２,１３,１４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１２,１３,１４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１２,１３,１４のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。

なお、これら各量子ドット１２,１３,１４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。

各量子ドット１２,１３,１４における量子準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）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（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）

なお、本発明では、量子ドットの形状や材質に応じて、この式（１）で定義される量子準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）の式以外に、他の一般的な量子準位の式が適用される場合もある。

この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１３,１４のＥ（n_x,n_y,n_z）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と、第３の量子ドット１４との辺長比は、上述の如く１：２：√２であるとき、図３に示すように、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３の量子ドット１４における量子準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２,２,２）であるときのＥ（２２２）とが等しくなる。また第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、第３の量子ドット１４における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）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）は、第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）及び第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）と、また第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）は、第３の量子ドット１４における各量子準位（１,１,１）と、それぞれ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は、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１の光信号Ａ、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω２の光信号Ｂをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。

仮に周波数ω１の光信号Ａ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（１,１,１）へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第３の量子ドット１４の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらに第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ遷移する。この結果、見かけ上第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４へ励起子が移動することになる。

また、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）と第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（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（２,２,２）へ移動し、さらにこの第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）、（１,１,１）へと遷移していくことになる。即ち、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。

これに対して、周波数ω２の光信号Ｂを供給した場合には、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）のみに対して励起子が励起される。換言すれば、かかる光信号Ｂを受けたときには、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）のみ励起子が埋められることになる。かかる場合には、第１の量子ドット１２における量子準位（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（２，２，２）に移動しても、後述する励起子の伝送原理に基づき、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）に移動することはできない。

ここで第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）を経て量子準位（１,１,１）へ移動した励起子は、かかる準位から発光することになる。この第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）からの発光は、出力信号としての出力光として取り出されることになるが、その周波数ω１１は、周波数ω１より低く、周波数ω２より高くなる。これは、第３の量子ドット１４のサイズが、第１の量子ドット１２より大きく、第２の量子ドット１３より小さいからである。従って、この周波数ω１１の出力光のみを選択的に検出することで、他の周波数成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。

ここで、仮に周波数ω１の光信号Ａが伝搬光Ｍに多重化される一方で、周波数ω２の光信号Ｂが伝搬光Ｍに多重化されていない場合には、かかる周波数ω１からなる光信号Ａを受けて第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）のみへ励起子が励起される。この第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ励起された励起子は、第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）へ移動するとともに、第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）へ移動することになる。ここで、第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）へ移動した励起子は、下位にある量子準位（１,１,１）へ遷移する。

ちなみに、この第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）から周波数ω１１からなる出力光として放出され得るが、かかる量子準位（１,１,１）は、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）とも近接場による相互作用があるため、第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）から第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）へ励起子が移動することになる。

この第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）から第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）への励起子の移動速度は、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）からの出力光の放出過程より高速である。そのため、第３の量子ドット１４の量子準位（１，１，１）の励起子は、さらに第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に移動し、さらに第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）に緩和し、かかる準位より、周波数ω２の出力光となる。

ちなみに、第１の量子ドット１２において励起された励起子のうち、全てが第２の量子ドット１３における量子準位（１，１，１）へ移動するわけではなく、第３の量子ドット１４における量子準位（１，１，１）より発光する確率も存在する。しかしながら、この第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）から発光する確率は、かかる量子準位から第２の量子ドット１３へ励起子が移動する確率と比較して著しく小さい。

これに対して、周波数ω１の光信号Ａと周波数ω２の光信号Ｂがともに伝搬光Ｍに多重化されている場合には、かかる周波数ω１からなる光信号Ａを受けて第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるとともに、周波数ω２からなる光信号Ｂを受けて第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ励起子が励起される。

その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ励起された励起子は、第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）へ移動し、さらにこの第３の量子ドット１４における量子準位（１，１，１）に移動した後、第３の量子ドット１４の量子準位（１，１，１）と第２の量子ドット１３の（２，１，１）の間の近接場−近接場相互作用により第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に移動することは可能である。しかしながら、第２の量子ドット１３では、光信号Ｂに基づいて励起された励起子が既に量子準位（１，１，１）において埋められているため、かかる第３の量子ドット１４から第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）へ移動した励起子は、その下位準位としての量子準位（１,１,１）への緩和ができない。このため、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ移動してきた励起子は、第３の量子ドットの量子準位（１，１，１）より出力光として発光する確率がより高くなる。

同様に、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３の量子準位（２，２，２）へ移動した励起子は、かかる第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ緩和することになるが、さらに下位にある量子準位（１，１，１）は光信号Ｂに基づく励起子で既に埋められているため、当該量子準位へ緩和されることはない。しかしながら、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）と第３の量子ドット１４の量子準位（１，１，１）は共鳴準位であることから、第２の量子ドット（２，１，１）の励起子は、第３の量子ドット１４の量子準位（１，１，１）に移動し、かかる準位より出力光として発光することになる。

即ち、この第３の量子ドット１４からの出力光の光強度は、第３の量子ドット１４における下位準位への励起子の放出量に応じたものであり、かかる励起子の放出量は第１の量子ドット１２から伝送される励起子の量に支配される。即ち、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３の双方に光信号Ａ,Ｂがそれぞれ供給された場合には、第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４へ伝送される励起子の多くをこの第３の量子ドット１４から放出させることができ、さらにこの第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の多くを第３の量子ドット１４へ移動させて放出させることも可能となる。その結果、かかる第３の量子ドット１４からの励起子の放出に基づく、出力光の光強度は大きくなる。

これに対して、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３の何れかにしか光信号Ａ,Ｂが供給されなかった場合には、第３の量子ドット１４の量子準位（１，１，１）からの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、光信号Ａ,Ｂの入力側の量子ドット１２、１３に対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。

この光接続装置１では、周波数ω１からなる光信号Ａを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズを制御された第１の量子ドット１２と、周波数ω２からなる光信号Ｂを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズを制御された第２の量子ドット１３とを基板１１上に形成させる。このとき、この第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３間において、ともに共鳴する量子準位ができるようにサイズを制御する。さらに、これら第１の量子ドット１２、第２の量子ドット１３と同一の量子準位を持つ第３の量子ドット１４をその近傍に形成させる。これにより、第１の量子ドット１２に対して、第２の量子ドット１３と第３の量子ドット１４内に共鳴準位を持たせることが可能となる。その結果、光信号Ａ、Ｂの供給状態に応じて第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４へ伝送させる励起子の量を制御することが可能となり、ひいては第３の量子ドット１４からの出力光の光強度を変化させることができる。

この第３の量子ドット１４では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成するが、この生成する出力光は、近接場光として生成される場合もあり、又は伝搬光として生成される場合もある。出力光が近接場光として発光される場合には、第３の量子ドット１４へ図示しない近接場光プローブを近接してこれを取り出す。また、出力光が伝搬光として発光される場合には、そのまま基板１１を介してこれを取り出すことになる。

また、光接続装置１に供給される伝搬光に多重化される各光信号をデジタル信号の各ビットを表すものとした場合に、各光信号を構成する周波数の光が供給されている状態をＨレベルとし、当該各周波数の光が供給されていない状態をＬレベルとした場合に、供給されている光信号の数に応じて出力光の光強度が増加することから、これを識別することにより、供給されてきた伝搬光に多重化された光信号の数をカウントすることができる。

このため、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３に対して光信号Ａ,光信号Ｂが共に供給された場合における第３の量子ドット１４における出力光の光強度を予め調査しておき、光信号Ａ,光信号Ｂの双方が供給されたときのみ閾値を越えるように予め設定しておく。実際の演算時において第３の量子ドット１４からの出力光の光強度を測定し、これが上記設定した閾値を越えた場合には、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３に対してそれぞれ光信号Ａ,光信号Ｂが供給されたものと識別し、出力があったものとみなす。これにより、基板１１に対して光信号Ａ,光信号Ｂが共に供給されてきた場合のみ出力信号を発生させる、いわゆる積算回路として光接続装置１を構成することが可能となる。

このように、本発明を適用した光接続装置１では、積算すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる波長の光信号が供給され、当該供給された光信号に応じてそれぞれ励起子が励起される複数の第１の量子ドット１２と、これらの量子準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する第２の量子ドット１３を基板１１上に形成させ、さらにこれらの近傍において第３の量子ドット１４を配置させている。

このため、積算すべきデジタル信号のビットに対応した光信号の供給状態を制御することにより、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３や第３の量子ドット１４へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出される出力信号としての出力光の光強度がこれに支配され、かかる出力光の光強度を識別することにより、光信号Ａ,光信号Ｂがともに基板１１上に供給されたこと判別することが可能な積算回路を実現することが可能となる。

特に本発明を適用した光接続装置１では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で積算を行うことができ、これを用いることにより、周波数多重光通信における演算回路をナノ寸法で実現することも可能となる。

また、本発明を適用した光接続装置１は、近接場光プローブ等を用いて各量子ドット１２,１３,１４に対してピンポイントで互いに周波数の異なる光信号をそれぞれ供給するのではなく、これら光信号をあくまで伝搬光Ｍに重畳させて供給する。このため、伝搬光Ｍに多重化させられた互いに異なる周波数からなる光信号のうち、第１の量子ドット１２、又は第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）に対応する周波数からなる光信号Ａ、Ｂは、これら第１の量子ドット１２、又は第２の量子ドット１３により吸収されることになり、上述の励起子の励起へ寄与することになる。

このため、伝搬光に周波数を多重化させてこれをそのまま上記基板１１上へ供給するのみで、上記第１の量子ドット１２、第２の量子ドット１３のバンドギャップに対応する周波数ω１、ω２の光信号をそのまま光接続装置１によって演算処理させることが可能となる。即ち、本発明では、入力側の量子ドット１２,１３に対して近接場プローブにより光信号を供給することなく、周波数が多重化された伝搬光を供給することにより動作可能な構成であるため、デバイス全体の構成が複雑化することがなくなり、作製コストを大幅に低減させることも可能となる。

また、本発明を適用した光接続装置１では、例えば図１に示すように量子ドットグループ２０につき、基板１１上において複数グループに亘り離散的に複製されている。このため、基板１１上の何れの方向から伝搬光が供給されてきても、又は何れの箇所から伝搬光が供給されてきても、基板１１上に形成された少なくとも一の量子ドットグループでこれらを受けることが可能となる。また、各量子ドットグループ２０からの出力光を合計すると、大きな光出力を得ることが可能となることから、後段における回路のＳ／Ｎ比の改善をも図ることが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、あくまで周波数ω１と周波数ω２の光信号が多重化された伝搬光が供給される場合を例にとり説明をしたが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば図４に示すように多数の周波数帯域が多重化された伝搬光が供給されるものであってもよい。

この図４の例では、周波数ω１〜周波数ω６の光信号Ａ〜Ｆが多重化された伝搬光Ｍが基板１１上に供給される。この基板上１１には、互いに入力側の量子ドットにおいて励起子を励起させる光信号の周波数が互いに異なる複数の量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃが形成されている。量子ドットグループ２０ａは、この周波数ω１、ω２からなる光信号を演算するものであり、量子ドットグループ２０ｂは、この周波数ω３、ω４からなる光信号を演算するものであり、さらに、この量子ドットグループ２０ｃは、周波数ω５、ω６からなる光信号を演算するものである。

量子ドットグループ２０ａは、周波数ω１、周波数ω２の光信号を演算処理するために基板１１上に形成されたものであり、第１の量子ドット１２ａと、第２の量子ドット１３ａと、第３の量子ドット１４ａとからなる。第１の量子ドット１２ａは、周波数ω１からなる光信号Ａを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第２の量子ドット１３ａは、周波数ω２からなる光信号Ｂを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第３の量子ドット１４ａは、上述と同様のプロセスに基づき、周波数ω１１からなる出力光を発光する。

量子ドットグループ２０ｂは、周波数ω３、周波数ω４の光信号を演算処理するために基板１１上に形成されたものであり、第１の量子ドット１２ｂと、第２の量子ドット１３ｂと、第３の量子ドット１４ｂとからなる。第１の量子ドット１２ｂは、周波数ω３からなる光信号Ｃを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第２の量子ドット１３ｂは、周波数ω４からなる光信号Ｄを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第３の量子ドット１４ｂは、上述と同様のプロセスに基づき、周波数ω１２からなる出力光を発光する。

量子ドットグループ２０ｃは、周波数ω５、周波数ω６の光信号を演算処理するために基板１１上に形成されたものであり、第１の量子ドット１２ｃと、第２の量子ドット１３ｃと、第３の量子ドット１４ｃとからなる。第１の量子ドット１２ｃは、周波数ω５からなる光信号Ｅを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第２の量子ドット１３ｃは、周波数ω６からなる光信号Ｆを受けて量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるようにサイズが制御されてなる。第３の量子ドット１４ｃは、上述と同様のプロセスに基づき、周波数ω１３からなる出力光を発光する。

この第１の量子ドット１２ａ,１２ｂ,１２ｃ、第２の量子ドット１３ａ,１３ｂ,１３ｃ、第３の量子ドット１４ａ,１４ｂ,１４ｃの詳細な構成は、上述した説明を引用することにより、ここでの説明を省略する。

図５は、これら各量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃを構成する量子ドットの各量子準位に対応する周波数ωの関係を示している。量子ドットグループ２０ａは、辺長Ｌからなる第１の量子ドット１２ａと、辺長２Ｌからなる第２の量子ドット１３ａと、辺長√２Ｌからなる第３の量子ドット１４ａとからなる。斜線で示されている量子準位は、励起子が励起可能な準位を示している。即ち、周波数ω１の光信号Ａの供給に応じて、励起子が励起されるのは、この辺長Ｌからなる第１の量子ドット１２ａの量子準位（１,１,１）であることが、また周波数ω２の光信号Ｂの供給に応じて励起子が励起されるのは、辺長２Ｌからなる第２の量子ドット１３ａの量子準位（１,１,１）であることが示されている。

この量子ドットグループ２０ａにおいては、上述したメカニズムに基づき、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）から第３の量子ドット１４ａにおける量子準位（２,１,１）を経て第３の量子ドットにおける量子準位（１,１,１）へ矢印の順で励起子が遷移していくことになる。同様に、第２の量子ドット１３ａに対して周波数ω２からなる光信号が供給された場合には、第２の量子ドット１３ａにおける量子準位（１,１,１）に励起子が満たされる。その結果、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）にある励起子は、第２の量子ドット１３ａにおける量子準位（２,２,２）へ移動した後、その下位準位にあたる量子準位（２,１,１）を介して第３の量子ドット１４ａにおける量子準位（１,１,１）へ移動し、さらには、第３の量子ドット１４ａにおける量子準位（１,１,１）にある励起子は、第２の量子ドット１３ａにおける量子準位（２,１,１）へ移動することなく、その殆どは下位準位へ発光されることになる。

同様に、量子ドットグループ２０ｂは、辺長２√２Ｌからなる第１の量子ドット１２ｂと、辺長４√２Ｌからなる第２の量子ドット１３ｂと、辺長４Ｌからなる第３の量子ドット１４ｂとからなる。周波数ω３からなる光信号Ｃの供給に応じて、励起子が励起されるのは、この辺長２√２Ｌからなる第１の量子ドット１２ｂの量子準位（１,１,１）であることが、また周波数ω４の光信号Ｄの供給に応じて励起子が励起されるのは、辺長４√２Ｌからなる第２の量子ドット１３ｂの量子準位（１,１,１）であることが示されている。この量子ドットグループ２０ｂにおいても、上述した量子ドットグループ２０ａと同様に、出力側の辺長４Ｌからなる第３の量子ドット１４から周波数ω１２の出力光が量子準位（１,１,１）から発光されることになる。

このように各量子ドットグループ２０ａ,２０ｂを構成する入力側の量子ドット１２ａ,１３ａ, １２ｂ,１３ｂの各量子準位（１,１,１）において励起子が励起される周波数ω１,ω２,ω３,ω４が互いに異なるように、量子ドットの辺長（サイズ）が最適化されている。また、これに応じた第３の量子ドット１４ａ,１４ｂからの出力光の周波数ω１１,ω１２も互いに異なるように、量子ドットの辺長を最適化されている。

このため、光信号Ａ〜Ｄの間で互いに周波数ω１〜ω４が干渉することがなくなる。その結果、光信号Ａ,Ｂは、量子ドットグループ２０ａの入力側の量子ドット１２ａ,１３ａに、また、光信号Ｃ,Ｄは、量子ドットグループ２０ｂの入力側の量子ドット１２ｂ,１３ｂに着実に吸収されることになる。従って、これらの周波数ω１〜ω４の光信号Ａ〜Ｄをそれぞれ伝搬光に多重化させ、これを伝搬光のまま基板１１に供給してもこれら光信号同士で影響を及ぼし合うこともなくなる。

なお、量子ドットグループ２０ｃに関しても、同様に量子ドットグループ２０ａ,２０ｂを構成する量子ドットとの間で励起子を励起させる周波数を異ならせるべく、その量子ドットのサイズを互いに異ならせ、ひいては互いに周波数が重複することによる相互干渉を抑える必要がある。このとき、量子ドットグループ２０ｃを構成する量子ドットにつき、辺長√４/３Ｌからなる第１の量子ドット１２ｃと、辺長√１６/３Ｌからなる第２の量子ドット１３ｃと、辺長√８/３Ｌからなる第３の量子ドット１４ｃで構成するようにしてもよい。

この第１の量子ドット１２ｃにおける量子準位（１,１,１）は、（１）式より、辺長２Ｌの量子ドットにおける量子準位（２,２,１）と同エネルギーレベルとなり、この第２の量子ドット１３ｃにおける量子準位（１,１,１）は、辺長４Ｌの量子ドットにおける量子準位（２,２,１）と同エネルギーレベルとなり、第３の量子ドット１４ｃにおける量子準位（１,１,１）は、辺長２√２Ｌの量子ドットにおける量子準位（２,２,１）と同エネルギーレベルとなる。

一般的に量子準位（n_x,n_y,n_z）を構成する各量子数n_x,n_y,n_zのうち一つでも偶数が含まれている場合には、当該量子準位において励起子を励起させることはできない。従って、辺長２Ｌの量子ドットにおける量子準位（２,２,１）、辺長２√２Ｌの量子ドットにおける量子準位（２,２,１）、辺長４Ｌからなる量子ドットにおける量子準位（２,２,１）を構成する各量子数には、偶数が含まれているところ、励起子を励起させることができない。

しかしながら、量子準位を構成する量子数を全て奇数とし、かつ上述した各量子準位と同エネルギーレベルとなるようにサイズ調整された第１の量子ドット１２ｃ、第２の量子ドット１３ｃでは、それぞれ周波数ω５の光信号Ｅ、周波数ω６の光信号Ｆを受けて、励起子を励起させることが可能となる。この周波数ω５は、周波数ω１より低く、周波数ω１１より高い。また、この周波数ω６は、周波数ω２より低く、周波数ω３より高い。このように、量子ドットグループ２０ａ,２０ｂにおいて使用される周波数帯域の間にある周波数ω５,ω６を、光信号Ｅ，Ｆの周波数として利用し、かかる周波数の光に対して励起子を励起させることができるようにサイズ制御された第１の量子ドット１２ｃ、第２の量子ドット１３ｃを基板１１上に形成させることにより、他の量子ドットとの間で互いに周波数が重複することがなくなり、ひいてはこれらの相互干渉を抑えることも可能となる。また、他の量子ドットグループにおいて使用している周波数の中間帯域を利用することも可能となるため、より高密度に光信号を多重化することも可能となる。さらにこれら量子ドットの内部に介在している周波数の光との間で干渉をも回避させることが可能となる。

また、第３の量子ドット１４ｃから発光される出力光についても、その周波数ω１３は、周波数ω２より高く、周波数ω１１より低い。このため、他の量子ドットとの間で周波数が相互に干渉することを防ぐことも可能となる。

なお、この量子ドットグループ２０ｃにおける入力側量子ドット１２ｃ,１３ｃの例として、あくまで量子準位（１,１,１）に対して励起子を励起させる場合を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、量子準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）を構成する各量子数n_x,n_y,n_zが、奇数からなるものであれば、いかなる量子準位で構成されていてもよい。また、量子ドットグループ２０ｃに限らず、他の量子ドットグループ２０ａ,２０ｂに関しても同様に、各量子数n_x,n_y,n_zが奇数からなるものであれば、いかなる量子準位で構成されていてもよい。

さらに、上述した例では、ω１〜ω６を多重化させた伝搬光Ｍを基板１１上に供給する場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、複数であれば、いかなる数の光信号が多重化されていてもよい。かかる場合には、かかる多重化された光信号の周波数に応じて励起子が励起されるように量子ドットのサイズ等が微調整されていることが必要となる。

このように入力側の量子ドット１２、１３において励起子を励起させる光信号の周波数が互いに異なる複数の量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃに対して近接場プローブにより光信号を供給することなく、各量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃの入力側の量子ドット１２,１３に対応する周波数ω１〜ω６が多重化された伝搬光を供給することにより所定の演算を行うことが可能となり、デバイス全体の構成が複雑化することがなくなり、作製コストを大幅に低減させることも可能となる。

ちなみに、各量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃは、基板１１上において複数に亘り離散的に複製されていてもよい。これにより、基板１１上の何れの方向から伝搬光Ｍが供給されてきても、又は何れの箇所から伝搬光Ｍが供給されてきても、基板１１上に形成された何れかの量子ドットグループ２０ａ,２０ｂ,２０ｃでこれらを受けることが可能となる。

なお、本発明は、上述の如き複数の入力信号の積を求める積算回路としての光接続装置１に限定されるものではなく、例えば、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する光接続装置２に適用してもよい。

光接続装置２は、例えば図６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１１と、基板１１の表面上において形成されている１つの出力側の第３の量子ドット１４と、当該第３の量子ドット１４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１２、第２の量子ドット１３からなる量子ドットグループ２０とを備え、さらにこの量子ドットグループ２０の近傍において、第４の量子ドット１５が形成されている。

この量子ドットグループ２０は、周波数ω１の光信号Ａ、周波数ω２の光信号Ｂをそれぞれ上述の如く積算するための演算処理を行う。

第４の量子ドット１５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。この第４の量子ドット１５において、励起子の閉じ込め系により、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、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。

ちなみに、この量子ドットグループ２０を構成する量子ドット１２,１３,１４がそれぞれ立方体として構成されている場合において、第１の量子ドット１２の辺長Ｌとしたとき、第２の量子ドット１３の辺長は２Ｌであり、第３の量子ドット１４の辺長は、√２Ｌとなる。さらに、この第４の量子ドット１５における辺長を４Ｌで構成する。

この量子ドットグループ２０を構成する入力側の量子ドット１２,１３には、伝搬光として多重化された光信号がそれぞれ供給される。この供給された光信号のうち、光信号Ａは、この第１の量子ドット１２により吸収され、光信号Ｂは、第２の量子ドット１３により吸収されることになる。

その結果、図７、８に示すように、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）において励起された励起子は、第２の量子ドット１３と第３の量子ドット１４とに供給される可能性があるが、第２の量子ドット１３において励起子が蓄積されている場合には、第１の量子ドット１２から最終的に第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）へ励起子の殆どが移動することになる。

この第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）は、第４の量子ドット１５における量子準位（４,２,２）と同準位であるため、励起子は、かかる第４の量子ドット１５へと移動することになる。そして、この第４の量子ドット１５における量子準位（４,２,２）に移動した励起子は、その下位準位としての量子準位（１,１,１）へ遷移する。その結果、第４の量子ドット１５から周波数ω２１の出力光が量子準位（１,１,１）から発光されることになる。

この光接続装置２において、供給される光信号として用いられる周波数は、周波数ω１と周波数ω２であり、また、出力信号としての出力光は、周波数ω２１である。このため、第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１３は、入力にも出力にも用いられていない、いわゆる内部的に介在する周波数といえる。

逆に、この内部的に介在する周波数ω１３につき、供給される光信号の周波数として用いた場合には、この周波数ω１３に基づくエネルギーレベルと伝搬光との光信号とが結合することになり、かかる第３の量子ドット１４に対して、伝搬光が直接的に飛び込んでくることになる。その結果、上述の如く２変数の積を得ることができなくなってしまう。

このため、これら内部的に介在する周波数ω１３はあえて、供給される光信号の周波数ω１、ω２や出力光の周波数ω２１と互いに異なるように、量子ドットのサイズが調整されることになる。

ちなみに、この光接続装置２は、図９に示すような積和回路に適用することも可能となる。この図９に示す例においては、第４の量子ドット１５の近傍において、量子ドットグループ２０ａ＿１、量子ドットグループ２０ａ＿２、量子ドットグループ２０ａ＿３を形成させる。量子ドットグループ２０ａ＿１は、供給される光信号Ａ_１、Ｂ_１を吸収して演算処理を行うものであり、量子ドットグループ２０ａ＿２は、供給される光信号Ａ_２、Ｂ_２を吸収して演算処理を行うものであり、量子ドットグループ２０ａ＿３は、供給される光信号Ａ_３、Ｂ_３を吸収して演算処理を行うものである。ちなみに、これら光信号Ａ_１、Ｂ_１、Ａ_２、Ｂ_２、Ａ_３、Ｂ_３は、互いに異なる周波数を構成するものであってもよく、かかる場合において量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２，１３は、これら光信号を吸収することができるようにサイズが適宜調整されている。

量子ドットグループ２０ａ＿１は、第１の量子ドット１２ａ＿１と、第２の量子ドット１３ａ＿１と、第３の量子ドット１４ａ＿１とを備えている。また、量子ドットグループ２０ａ＿２は、第１の量子ドット１２ａ＿２と、第２の量子ドット１３ａ＿２と、第３の量子ドット１４ａ＿２とを備えている。量子ドットグループ２０ａ＿３は、第１の量子ドット１２ａ＿３と、第２の量子ドット１３ａ＿３と、第３の量子ドット１４ａ＿３とを備えている。これら量子ドットグループ２０ａを構成する量子ドット１２、１３、１４の辺長比は、上述と同様に１：２：√２である。

これらの量子ドットグループ２０ａ＿１〜量子ドットグループ２０ａ＿３は、それぞれ入力される光信号を上述と同様のメカニズムに基づいて積算する。このため、これら量子ドットグループ２０ａ＿１〜量子ドットグループ２０ａ＿３から第４の量子ドット１４への励起子の供給は、積算された演算結果が反映されたものといえる。即ち、量子ドットグループ２０ａ＿１からは、光信号Ａ_１、Ｂ_１の積が、量子ドットグループ２０ａ＿２からは、光信号Ａ_２、Ｂ_２の積が、さらに量子ドットグループ２０ａ＿３からは、光信号Ａ_３、Ｂ_３の積が、それぞれ第４の量子ドット１５へ供給されることになる。

第４の量子ドット１５は、これら各量子ドットグループ２０ａ＿１〜量子ドットグループ２０ａ＿３から供給される励起子の量に応じて出力光の光強度はほぼ線形に増加していく。これはつまり、第４量子ドット１５からの出力光の光強度は、供給される信号の数を加算した和として表されることを示唆しており、これを出力信号として取り出すことができれば、上記量子ドットグループ２０ａ＿１〜量子ドットグループ２０ａ＿３との間で、光信号Ａ_１，Ｂ_１の積、光信号Ａ_２，Ｂ_２の積、光信号Ａ_３，Ｂ_３の積をそれぞれ和算するいわゆる積和演算回路として動作させることも可能となる。

このため、この第４の量子ドット１５から出力される出力光の光強度は、下記（２）式で表すことが可能となる。
[式２]

このように、本発明を適用した光接続装置２では、積和演算すべき信号に対応した互いに異なる周波数の信号光が多重化された伝搬光として供給され、当該供給された信号光に応じてそれぞれ励起子が励起される第１の量子ドット１２、第２の量子ドット１３と、これらの量子ドット１２,１３から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する第３の量子ドット１４からなる量子ドットグループ２０を基板１１上に形成させている。また、この量子ドットグループ２０における第３の量子ドット１４における共鳴エネルギー準位と同一準位を有する第４の量子ドットを形成させている。

このため、積和演算すべき信号に対応した信号光の供給状態を制御することにより、各量子ドットグループ２０から第４の量子ドット１５へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出される出力信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、供給される信号数をカウントした積和演算回路を実現することができる。

特に本発明を適用した光接続装置２では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で和算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。

また、本発明を適用した光接続装置２は、伝搬光に周波数を多重化させてこれをそのまま上記基板１１上へ供給するのみで、上記第１の量子ドット１２、第２の量子ドット１３のバンドギャップに対応する周波数の光信号をそのまま光接続装置２によって積和演算処理させることが可能となる。即ち、この光接続装置２によっても、量子ドットグループ２０を構成する各量子ドットに対して近接場プローブにより光信号を供給することなく、周波数が多重化された伝搬光を供給することにより動作可能な構成であるため、デバイス全体の構成が複雑化することがなくなり、作製コストを大幅に低減させることも可能となる。

本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置の構成を示す図である。 本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置における詳細な構成を示す図である。 量子ドットグループを構成する各量子ドットの量子準位につき説明するための図である。 本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置につき、特に周波数ω１〜周波数ω６の光信号Ａ〜Ｆを演算処理する構成につき示す図である。 各量子ドットグループを構成する量子ドットの各量子準位に対応する周波数ωの関係を示す図である。 本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置の他の構成を示す図である。 光接続装置の他の構成における各量子準位に対応する周波数ωの関係を示す図である。 本発明を適用した量子ドットを用いた光接続装置の他の構成における量子準位を示す図である。 光接続装置を積和回路した例を示す図である。 従来例につき説明するための図である。

符号の説明

１,２ 光接続装置
１１ 基板
１２,１３,１４,１５ 量子ドット
２０ 量子ドットグループ

Claims (10)

1. 互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光が供給される誘電性の基板と、
   上記伝搬光に多重化された光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ上記基板上に形成された複数の入力側の量子ドットと、
   上記入力側の量子ドットから上記基板を介して上記光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光する出力側の量子ドットとを備えること
   を特徴とする量子ドットを用いた光接続装置。
2. 上記複数の入力側の量子ドットと、上記出力側の量子ドットとからなる量子ドットグループは、上記基板上において複製されてなること
   を特徴とする請求項１記載の量子ドットを用いた光接続装置。
3. 入力側の量子ドットにおいて光励起担体を励起させる光信号の周波数が互いに異なる複数の上記量子ドットグループが上記基板上において形成されていること
   を特徴とする請求項２記載の量子ドットを用いた光接続装置。
4. 上記入力側の量子ドットにおいて光励起担体が励起される、以下の（１）式で定義される量子準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）を構成する各量子数n_x,n_y,n_zは、奇数からなり、
   また、入力側の一の量子ドットと、入力側の他の量子ドットと、出力側の量子ドットとのサイズ比は、１：２：√２であること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の量子ドットを用いた光接続装置。
   Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）
   但し、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとし、プランク定数をhとする。
5. 上記入力側の一の量子ドットは、光信号の供給に基づいて励起させた光励起担体を上記入力側の他の量子ドット、並びに上記出力側の量子ドットとの共鳴に応じて注入可能な量子準位を有し、
   さらに上記入力側の他の量子ドットにおいて光励起担体を励起可能な周波数からなる光信号の供給状態に応じて上記出力側の量子ドットにおける下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量を変化させること
   を特徴とする請求項４記載の量子ドットを用いた光接続装置。
6. 互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光が供給される誘電性の基板と、
   上記伝搬光に多重化された光信号における何れか一の周波数に応じてそれぞれ光励起担体が励起されるようにサイズを互いに異ならせつつ上記基板上に形成された第１の量子ドット並びに第２の量子ドットと、上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットから上記基板を介して上記光励起担体が注入される共鳴エネルギー準位を有する第３の量子ドットとからなる量子ドットグループと、
   上記第３の量子ドットにおける上記共鳴エネルギー準位と同一準位を有する第４の量子ドットとを備え、
   上記第４の量子ドットは、当該準位から下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量に基づき、伝播光としての出力光を発光し、或いは近接場光としての出力光を発光すること
   を特徴とする量子ドットを用いた光接続装置。
7. 上記量子ドットグループは、一の第４の量子ドット周囲において複数に亘り形成されてなること
   を特徴とする請求項６記載の量子ドットを用いた光接続装置。
8. 第１の量子ドット並びに第２の量子ドットは、光励起担体を励起させる光信号の周波数が上記量子ドットグループ間において互いに異なること
   を特徴とする請求項７記載の量子ドットを用いた光接続装置。
9. 上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットにおいて光励起担体が励起される、以下の（１）式で定義される量子準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）を構成する各量子数n_x,n_y,n_zは、奇数からなり、
   また、上記第１の量子ドット、上記第２の量子ドット、上記第３の量子ドット、上記第４の量子ドットとのサイズ比は、１：２：√２：４であること
   を特徴とする請求項６〜８のうち何れか１項記載の量子ドットを用いた光接続装置。
   Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）
   但し、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとし、プランク定数をhとする。
10. 上記入力側の一の量子ドットは、光信号の供給に基づいて励起させた光励起担体を上記入力側の他の量子ドット、並びに上記出力側の量子ドットとの共鳴に応じて注入可能な量子準位を有し、
    さらに上記入力側の他の量子ドットにおいて光励起担体を励起可能な周波数からなる光信号の供給状態に応じて上記出力側の量子ドットにおける下位準位へ遷移させた光励起担体のエネルギー放出量を変化させること
    を特徴とする請求項９記載の量子ドットを用いた光接続装置。

Images