JP2006513458A - 量子ドット、量子ドットを持つナノ複合材料、量子ドットを持つ光学デバイス、および関連した製造方法 - Google Patents

量子ドット、量子ドットを持つナノ複合材料、量子ドットを持つ光学デバイス、および関連した製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、量子ドット、量子ドットを持つナノ複合(nanocomposite)材料、量子ドットを持つ光学デバイス、および関連した製造方法に関する。一実施形態において、量子ドットは、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含むコアを備える。量子ドットはまた、コアを包囲するシェルを備える。量子ドットは、量子ドットが１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示すように、実質的に欠陥フリーである。

Description

本発明は、一般には量子ドットに関する。より詳しくは、本発明は、量子ドット、量子ドットを持つナノ複合(nanocomposite)材料、量子ドットを持つ光学デバイス、および関連した製造方法に関する。
遠距離通信ネットワークは、バンド幅の要求拡大が続くにつれて、成長する需要に追従するために、新しい技術を導入することがますます必要になってくる。これらの技術は、バンド幅の要求を促進するだけでなく、今日のネックワーク基盤へ組み込みが容易でなければならない。同時に、将来の要求に適合するのに充分な柔軟性と多用性を有するべきである。現在の遠距離通信システムは、電子的および光学的なデータ伝送の組合せを備えるが、高いビットレートおよび波長分割多重によるパラレル伝送によって提供されるバンド幅の増加により、全光ネットワークへ向かう圧力が存在している。
現在、光ネットワークは、光回路でのノード間のデータ伝送の大部分で光を使用している。光クロスコネクト(cross-connect)は、１つの入力ポートに届いた信号を種々の出力ポートの１つに経路設定(routing)することによって、ノードでのスイッチとして機能する。現在の光クロスコネクトシステムの多くは、高速な電子コアを備えるが、これらは複雑、冗長かつ高価である。これらのスイッチは、典型的には、光信号を電子信号へ変換する必要があり、電子信号は光信号に再変換される前に出力ポートへ交換または経路設定される。こうした光−電子−光（ＯＥＯ）のコンポーネントの複雑さ、サイズおよび費用は、電子コンポーネントのコストが減少する場合であってもクロストークおよびＲＦ輸送(transport)問題によって、より高いビットレートおよびポート回数とともに、より問題視される。
ＯＥＯデバイスは、典型的には、光ネットワークにおいてレートを制限するコンポーネントである。光ネットワークコンポーネントで処理される電子信号と同様に、それ自体、両方のＯＥＯ変換の要求を低減するための多くのオプションが検討されている。このことは、スイッチを通過する光信号が電子信号への変換なしで適当な宛先へ迂回される「全光」スイッチング技術の開発に重点を置くことをもたらした。
現在の多くの応用に関して、電子制御され、光コアを持つ光クロスコネクトは、全光スイッチとして使用可能である。これらのデバイスにおいて、光の経路設定は、ＯＥＯ変換を必要としないが、スイッチの動作は電子制御される。現在、こうしたシステムを支える種々の全光スイッチング技術は、電気機械スイッチ（例えば、ＭＥＭＳやバルク光学部品）、熱−光スイッチ（例えば、位相シフト、毛管(capillary)、「バブル」）、電気−光スイッチ（例えば、LiNbO3や液晶）を含む。さらに、種々の非線形光スイッチ（例えば、半導体光増幅器）は、電子回路ではなく、光ビームを使用してスイッチを動作させる。
多くの全光スイッチング技術は比較的低速であるため、一般には、静的な構成(configuration)制御に制限される。例えば、基本的なファイバ／波長の経路設定、供給(provisioning)、回復などの応用では、典型的には、約１ｍｓのスイッチング速度を必要とする。これらの比較的低速な全光スイッチは、一般に、動的パケットスイッチング（〜１ｎｓ）、光変調（〜１００ｐｓ）、パケットスイッチネットワークでのヘッダ読み取り（〜２５ｐｓ）、全光データ処理（〜１ｐｓ）などの高速スイッチング応用には不充分である。
現在、電気光学効果（χ（２）効果）、電子吸収（χ（３）効果）などの電界誘導光変化は、光変調および光スイッチングに利用される。しかしながら、これらのデバイスは、高速な電子信号に依存して光処理や光変調を実行するため、急速にこれらの速度限界に近づいており、これらの電子信号は、高速な電気的伝搬の基本的な限界に起因して、ますますより大きな損失を受ける。非線形光学現象をベースとしたデバイス、例えば、半導体光増幅器でのクロスゲイン変調(XGM)、χ（２）をベースとした現象（例えば、差周波混合(DFM)）、χ（３）（またはカー(Kerr)効果）をベースとした現象（例えば、クロス位相変調(XPM)）や四波混合 (FWM)）は、パケットスイッチング、光データ処理、将来の他の高速スイッチング応用に必要なレートでスイッチを行う潜在能力を有する。こうした現象をベースとしたデバイスは、１秒当り１０テラビット(Tbit/s)、または１秒当り１０兆ビットに近い（あるいは超過する）スイッチング速度の潜在能力を有する（機構に依存する）。これらの非線形光学現象のうち、χ（３）をベースとした現象は最も柔軟性を有するが、現在では、高い非線形性と比較的低い損失を持つ実用的な材料の欠落に苦しんでいる。
χ（３）ベースの全光デバイスに関係する研究は、１９８０年代半ばから広範に追求されており、主にシリカファイバをベースとしたデバイスに焦点が当てられていた。これは、シリカの非線形光スイッチングについて比較的大きな性能指数(FOM: figure of merit)によるものである。重要かつ全光スイッチングに関係し得る多くのパラメータを考慮した、ＦＯＭについて多くの実用的な定義が存在する。こうしたＦＯＭの一例は、Δｎ／（α・τ）で定義される。ここで、Δｎは誘導された屈折率変化、αは線形および非線形の吸収係数、τは材料の応答時間である。このＦＯＭは、光吸収が用いられる共鳴光学非線形性に特に関係するものであり、ＦＯＭが大きいほど、全光スイッチングの性能が良くなることになる。理想的には光吸収が皆無または殆ど無い非共鳴光学非線形性に有用なＦＯＭの定義は、２γ／βλとなる。ここで、γは非線形屈折率、βは２光子吸収係数、λは動作波長である。この場合、有用な全光スイッチングは、典型的には、ＦＯＭ＞１のときに生ずる。シリカ中の遠距離通信波長での低い線形および非線形の光損失により、シリカのＦＯＭは、たとえΔｎおよびγ（これらはＲｅ［χ（３） １１１１］に関係する）が小さくても、充分である。
多くの全光スイッチングデバイスは、シリカファイバを用いて実証されてきた（例えば、非線形方向性カプラ、非線形光ループミラー、ソリトンをベースとしたスイッチ）。しかしながら、シリカの小さいγにより、典型的な遠距離通信パワー（〜１０ｍＷ）でこれらのデバイスを動作させるには、非実用的なファイバ長（〜１０００ｋｍ）が必要となる。その結果、全体のデバイスサイズと待ち時間(latency)を低減するために、より大きなＦＯＭ及びより大きなγの両方を持つ材料を開発するのに多大な関心が生じている。ある応用では、デバイスサイズ〜１ｍｍ以下のものが多重デバイスの集積化にとって望ましく、温度変動および製造変動（例えば、長い距離に渡る厳しい誤差）への鈍感さを提供する。さらに、データレートの増加とともに、少ない待ち時間が必要となる。
大きいＦＯＭを伴う大きな非線形性に加えて、商業的な光スイッチングコンポーネントは、低コストで、高いスループットの自動化された製造に適合することが望ましい。歴史的には、マイクロプロセッサチップを製造するのに用いられる半導体プロセスは、最も費用対効果が高く、自動化された小型化のプロセスの１つであった。この技術は、マイクロエレクトロニクス分野で格段に進歩したが、光学部品に関しては初期段階のままである。例えば、χ（２）ベースのデバイスに関して、LiNbO3結晶は、これらの技術によって作成された導波路内には任意に挿入することはできない。さらに、ポリマーの非線形材料は、より容易に処理できるが、典型的には、有効なスイッチングにとってあまりに低いχ（３）の値を有する。
現在、χ（３）ベースの全光スイッチのサイズを低減するために、種々のアプローチがある。検討されているアプローチは、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を使用すること、非線形材料を持つフォトニックバンドギャップ構造を製造すること、局所的電界効果を用いて非共鳴光学非線形性を増強すること、高い光学非線形性を持つ新しい結晶材料およびポリマー材料を開発すること、等である。
ＳＯＡベースの全光スイッチについての概念の証明が示されているが、現在、増幅された自発発光の発達という問題が、これらの多くのスイッチ縦続を困難にしている。さらに、ＳＯＡに用いられる材料（典型的にはＩｎＰ）は、高価であり、標準的なシリカのファイバおよび導波路に結合する際に、固有の困難さを作り出している。フォトニックバンドギャップ材料は、別の有望なアプローチであるが、以前に提案した材料を用いて製造することは、現在の実用的な能力を未だ超えている。局所的電界効果を用いて非線形性を増強することは、興味深いアプローチであるが、今日まで、〜１０×程度の増強係数を達成しただけである。最後に、新しい非線形結晶材料が開発されているが（例えば、周期分極LiNbO3結晶、ｐ−トルエンスルホン酸塩(PTS)）、典型的には高価で、処理が困難であり、導波路デバイスへの組み込みが問題である。より魅力的な機械的特性を持つ非線形ポリマーが開発されているが、ポリマー鎖でのキンクなどの問題が、最大の非線形性を実用的な全光応用に適さない値に制限することがある。高い非線形性のポリマーを製造した場合（例えば、ポリアセチレン）、魅力的な機械的特性の大部分が消失し、結晶材料で判明したものと同様な問題を生み出す。
高い非線形性と処理容易性に加えて、非線形材料は、関心のある波長範囲で低損失であることが望ましい（例えば、吸収や散乱）。これらの材料は、使用する特定のデバイス構造と適合する線形屈折率を有することが望ましい（例えば、非線形導波路コアは、これを包囲するクラッドよりも高い屈折率を持つべきである）。それ自体、商業的なχ（３）ベースの非線形デバイスにとっての種々の要件を同時に満たす実用的な材料を見つけることが極めて困難である。
理想的なχ（３）ベースの非線形光学材料は、下記に示すような数多くの特性を有するべきである。
１．関心のある波長範囲での大きなＲｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］（Ｒｅ［χ（３） １１１１］は、Δｎおよびγに直接関係する）。
２．関心のある波長範囲でのシングルおよびマルチ光子吸収、及び／又は共鳴および非共鳴散乱から由来する低い光学損失。理想的には、関心のある波長範囲に対応する光子エネルギーが、２光子吸収の閾値を満たさないようなもので（例えば、２光子エネルギーの合計が共鳴エネルギーより低い）、２光子吸収およびより高次のマルチ光子吸収が無視できるものである。
３．χ（３）の共鳴および近接共鳴増強が生ずるような、関心のある波長範囲近傍でのマルチ光子遷移（しかし、理想的には、マルチ光子吸収は皆無または殆ど生じない）。
４．精度良く選択され、所望の応用（例えば、導波路）および意図したデバイス構造に適合する線形屈折率。
５．特定のデバイス構造および用いられる材料との物理的、化学的な適合性。
６．光学デバイスへの組み込みのための処理能力。
７．材料を製造し、組み込む際の低いコスト。
多くの材料は、これらの望ましい特性のうちの１つ又はそれ以上を有するが、現在、最適なχ（３）ベースの光学スイッチに必要なこれらの特性のうちのかなり多くを備えるものは存在しない。実際、主に適切な非線形光学材料の不足に起因して、ＳＯＡを除いて商業的なデバイスは現時点で利用可能なものがない。
適切な非線形光学材料の候補は、量子ドットを用いて形成されるものである。過去数年間は、量子ドットに関連する特異な特性を探索することに関心が高まっていた。量子閉じ込め効果の結果、量子ドットの特性は、対応するバルクの値と相違し得る。これらの量子閉じ込め効果は、３次元に関する電子と正孔の閉じ込めによって生ずる。例えば、量子閉じ込め効果は、量子ドットのサイズが減少するにつれて、エネルギーギャップの増加を導くことが可能になる。その結果、量子ドットのサイズが減少すると、量子ドットにより放出される光は、より高いエネルギーまたはより短い波長にシフトする。量子ドットを形成する材料とともに、量子ドットのサイズを制御することによって、量子ドットの特性が特定の応用について同調可能になる。
量子ドットを形成する以前の試みは、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料などの直接バンドギャップ半導体材料の量子ドットにかなり焦点が当てられていた。こうした直接バンドギャップ半導体材料とは対照的に、ＳｉやＧｅなどのＩＶ族半導体材料は、いろいろな応用についてより有望なものとするエネルギーギャップや化学特性、その他の特性を有する。しかしながら、量子ドットをＳｉやＧｅで形成する以前の試みは、一般には、多くの短所に悩まされた。特に、ＳｉやＧｅでの量子ドット形成は、時には温度および圧力の極端な条件が必要とされ、低い歩留まりおよび再現性に悩まされる。そして、生産された量子ドットは、一般には、幅広いスペクトル範囲に渡って同調可能となる充分なレベルのフォトルミネセンスを示さなかった。さらに、以前の試みは、一般に、周囲条件下で充分に安定であったり、種々のマトリクス材料に充分に溶解可能であったりするＳｉやＧｅの量子ドットを生産する際、成功しなかった。
この背景により、ここに説明する量子ドット、ナノ複合材料および光学デバイスを開発する必要性が生ずる。
発明の概要
革新的な一態様において、本発明は量子ドットに関する。一実施形態では、量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含むコアを備える。量子ドットはまた、コアを包囲するシェルを備える。量子ドットは、実質的に欠陥フリーであり、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示すようになる。
他の実施形態では、量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含むコアを備える。量子ドットはまた、コアを包囲する配位子(ligand)層を備える。配位子層は、複数の表面配位子を含む。量子ドットは、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。
革新的な別の態様において、本発明はナノ複合材料に関する。一実施形態では、ナノ複合材料は、複数の量子ドットを備える。複数の量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含み、複数の量子ドットのうちの少なくとも１つの量子ドットは、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。ナノ複合材料はまた、複数の量子ドットと結合する複数の分子を備え、リニアアレイ、二次元アレイおよび三次元アレイのうちの１つを形成する。
他の実施形態では、ナノ複合材料は、二次元アレイおよび三次元アレイのうちの１つで配列した複数の量子ドットを備える。複数の量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含み、複数の量子ドットのうちの少なくとも１つの量子ドットは、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。
更なる革新的な態様において、本発明は光学デバイスに関する。一実施形態では、光学デバイスは、導波コアと、導波コアに光学的に結合したナノ複合材料とを備える。ナノ複合材料は、複数の量子ドットを備える。複数の量子ドットのうちのある量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含むコアを含み、該量子ドットは、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。ナノ複合材料は、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長λを持つ活性化(activation)光で照射したとき、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗである非線形屈折率γを有する。
他の実施形態では、光学デバイスは、ナノ複合材料で形成された部分を含む導波コアを備える。ナノ複合材料は、マトリクス材料と、マトリクス材料に分散した複数の量子ドットとを備える。複数の量子ドットのうちのある量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含むコアを含む。該量子ドットは、実質的に欠陥フリーであり、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。
更なる実施形態では、光学デバイスは、ナノ複合材料で形成された膜を備える。ナノ複合材料は、複数の量子ドットを含む。複数の量子ドットのうちのある量子ドットは、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含むコアを含み、該量子ドットは、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す。
いっそう更なる革新的な態様において、本発明は量子ドットの形成方法に関する。一実施形態では、該方法は、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含む粒子を用意することを備える。該方法はまた、音響(sound)エネルギーおよび光エネルギーを粒子に印加して、１０％より大きな量子効率を持つフォトルミネセンスを示す量子ドットを形成する。量子ドットはコアを含み、コアはＹを含む。
他の実施形態では、該方法は、約−７８℃と約３００℃の間の温度で維持される反応媒質(medium)において、ＳｉおよびＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙの原料を、還元剤(reducing agent)とを反応させて、コアを含む粒子を形成することを備える。コアはＹを含み、還元剤は、ＩＩＡ族金属、遷移金属、ランタン系列元素からなるグループから選択される。該方法はまた、該粒子と表面配位子のソースを反応させて、コアを包囲する配位子層を形成して、量子ドットを形成することを備える。配位子層は、少なくとも１つの表面配位子を含む。
本発明の性質および対象をより理解するため、添付図面とともに下記の詳細な説明が参照される。
（定義）
下記の定義は、本発明の幾つかの実施形態に関して記載した要素の幾つかに適用可能である。これらの定義は、同様にここにおいて拡張可能である。
本明細書および添付クレームで用いたように、内容が別のものと明確に規定していない限り、単数形"a", "an", "the"は複数形の言及を含む。例えば、「量子ドット」の言及は、２つ以上のこうした量子ドットの混合を含み、こうした量子ドットの群を含むものでもよい。
「任意の(optional)」や「任意に(optionally)」とは、続いて記載されたイベントや事情が生じても生じなくてもよく、該記載は、イベントや事情が生じる場合と生じない場合を含むことを意味する。例えば、文言「シェルで任意に包囲された」とは、シェルは存在してもしなくてもよく、該記載はこうしたシェルの存在および不存在の両方を含むことを意味する。
本発明の実施形態は、量子ドットを備える、あるクラスの新規な材料に関する。ここで用いたように、用語「量子ドット」、「ドット」、「ナノクリスタル(nanocrystal)」は同義語であり、３つの直交次元に関してサイズ依存の特性（例えば、化学特性、光学特性、電気特性）を持つ何れの粒子にも言及している。量子ドットは、せいぜい１次元および２次元に関してサイズ依存の特性をそれぞれ有する量子ワイヤおよび量子井戸と区別可能である。
量子ドットは、回転楕円体(spheroid)、ロッド、ディスク、ピラミッド、立方体(cube)、複数の幾何学的および非幾何学的な形状を非限定的に含むような、いろいろな形状で存在し得ることは、当業者によって理解されよう。これらの形状は、量子ドットの物理的、光学的、電子的な特性に影響を及ぼし得るが、特定の形状は、量子ドットとして粒子の資格に影響を与えるものでない。
都合上、量子ドットのサイズは「直径」で記述可能である。球状の量子ドットの場合、直径は通常の理解のように用いられる。非球状の量子ドットについては、用語「直径」は、別に定義していない限り、非球状量子ドット全体と適合する回転(revolution)の半径（例えば、回転の最小半径）を称する。
量子ドットは、典型的には、１つ又はそれ以上の第１の材料からなる「コア」を備え、任意に第２の材料からなる「シェル」で包囲され得る。シェルで包囲された量子ドットコアは、「コア−シェル」量子ドットと称する。
用語「コア」は、量子ドットの内側部分を称する。コアは、実質的には単一の均質な単原子(monoatomic)または多原子(polyatomic)の材料を含むことができる。コアは、結晶、多結晶またはアモルファスのものとすることができる。コアは、「欠陥」フリーまたは、ある範囲の欠陥密度を含むものでもよい。この場合、「欠陥」とは、コアを形成する材料内部に置かれた、結晶積み上げエラー、空孔(vacancy)、挿入、不純物の存在（例えば、ドーパント）などを称する。不純物は、原子または分子のものである。
コアは、ここでは時には「結晶」と称することがあるが、コア表面は多結晶またはアモルファスとすることができ、この非結晶表面は測定可能な深さをコア内部に延長できることは当業者に理解されよう。「コア表面領域」の潜在的な非結晶性質は、実質的に結晶コアとしてここで記載したものを変化させるものでない。コア表面領域は、任意に欠陥を含むことがある。コア表面領域は、好ましくは、１原子層と５原子層の間の深さの範囲に及び、実質的に均質なもの、実質的に不均質なもの、コア表面領域内での位置の関数として連続的に変化するものとなり得る。
量子ドットは、コアを包囲する、第２の材料からなる「シェル」を任意に備えてもよい。シェルは、量子ドットのコア表面を被覆する、１層の有機または無機の材料を含むことができる。シェルは、結晶、多結晶またはアモルファスのものとすることができ、任意にドーパントまたは欠陥を含む。シェル材料は、好ましくは、コア材料より大きいバンドギャップを持つ無機半導体である。さらに、好ましいシェル材料は、コアに関して良好な伝導帯および価電子帯のオフセットを有し、コアと比べて、伝導帯は望ましくはより高く、価電子帯は望ましくはより低い。その代替として、シェル材料は、コア材料よりも小さいバンドギャップを有してもよく、及び／又は、価電子帯または伝導帯のバンドオフセットは、コアと比べてそれぞれより低いまたはより高いものでもよい。シェル材料は、コア材料に接近した原子間隔を有するように任意に選択できる。
シェルは、シェルがコアの外表面をほぼ完全に包囲することを示す「完全」なものでもよい（例えば、コアのほぼ全ての表面原子がシェル材料で被覆されている）。その代替として、シェルは、シェルがコアの外表面を部分的に包囲するような「不完全」なものでもよい（例えば、表面コア原子の部分的な被覆がなされている）。さらに、いろいろな厚さのシェルを作成することが可能であり、これは各コアに結合したシェル材料の「単層(monolayer)」の数に換算して定義できる。「単層」は、シェル材料の単一の完全なコーティングを称する公知の用語である（完全な被覆を超えて添加された追加材料が無い）。ある応用では、シェルは、約０単層と約１０単層の間の厚さのものが好ましくもここではこの範囲が非整数な層数の単層を含むと理解される。非整数な層数の単層は、不完全な単層が存在する状態に対応付けられる。不完全な単層は、均質または不均質のいずれかでもよく、量子ドットの表面に、島状または群れ状のシェル材料を形成する。シェルは、厚さに関して均一でも不均一でもよい。不均一な厚さを有するシェルの場合、１つの単層シェル材料より多く含む「不完全シェル」を有することが可能である。ある応用では、シェル厚さは、約１Åと約１００Åの間の範囲であることが好ましい。
ここでは「界面領域」と称する、コアとシェルの間の領域が存在することは当業者に理解されよう。界面領域は、コア材料とシェル材料の間で原子的に分離した遷移(transition)を備えてもよく、あるいはコア材料とシェル材料の合金を備えてもよい。界面領域は、格子整合でも格子不整合でもよく、結晶または非結晶でもよい。界面領域は、１つ又はそれ以上の欠陥を含んでもよく、欠陥フリーでもよい。界面領域は、均質でも不均質でもよく、コア材料とシェル材料の間で傾斜した化学的特性を備え、コアとシェルの間で段階的または連続的な遷移が行われていてもよい。その代替として、遷移は不連続でもよい。界面領域の幅は、原子的に分離した遷移から、連続的に傾斜したコア材料とシェル材料の合金への範囲に及ぶことが可能であり、量子ドットの中心では純粋なコア材料となり、外表面では純粋なシェル材料となる。好ましくは、界面領域は、１原子層と５原子層の間の厚さであろう。
シェルは、タマネギ状の構造で複数の材料からなる多重層を任意に備えてもよく、各材料は、隣接した最内側層に対するシェルとして機能する。各層の間は、界面領域が任意に存在する。ここで、用語「シェル」は、例えば、多層シェルとして配列し得る複数の材料とともに、実質的に１つの材料から形成されるシェルを記述するために用いられる。
量子ドットは、量子ドットのコアを包囲する１つ又はそれ以上の表面配位子（例えば、有機分子）を備える「配位子層」を任意に備えてもよい。配位子層を備える量子ドットは、シェルを備えても、あるいは備えていなくてもよい。それ自体、配位子層の表面配位子は、コアまたはシェル材料と、あるいはその両方（不完全シェルの場合）と共有結合または非共有結合していてもよい。配位子層は、単一タイプの表面配位子（例えば、単一の分子種）、あるいは２つ又はそれ以上のタイプの表面配位子の混合（例えば、２つ又はそれ以上の異なる分子種）を備えてもよい。表面配位子は、量子ドットのコア、シェルまたは両方に対して親和性(affinity)を有することができ、あるいは表面配位子の少なくとも１点で選択的に結合することができる。表面配位子は、表面配位子に沿った複数の点で任意に結合してもよい。表面配位子は、量子ドットの表面とは特異的に相互作用しない、１つ又はそれ以上の追加の活性基を任意に含んでもよい。表面配位子は、実質的に親水性、実質的に疎水性、または実質的に両親媒性であってもよい。表面配位子の例は、単離した有機分子、ポリマー（または重合反応用のモノマー）、無機複合体(complex)、延長した結晶構造を非限定的に含む。
特定の「サイズ」を持つ量子ドットの群と称する場合、その意味するところは、群が、記述した「サイズ」回りのサイズ分布で構成されるということは、当業者に理解されるであろう。別に記述していない限り、特定の量子ドット群を記述するために用いた「サイズ」とは、サイズ分布のモード（例えば、ピークサイズ）ということになる。
ここで用いたように、量子ドットの「サイズ」は、量子ドットのコアの直径を称することになる。適切であれば、個々の数値は、コアを包囲するシェルの厚さを記述するために用いられる。例えば、１．５ｎｍのＳｉＯ２シェルを持つ３ｎｍのシリコン量子ドットとは、厚さ１．５ｎｍのＳｉＯ２層で包囲された直径３ｎｍのシリコンコアを備え、総直径６ｎｍの量子ドットである。
ある応用では、配位子層の厚さは、単一の単層またはそれ以下であり、時には、実質的に単一の単層より小さくなることがある。
ここで用いたように、用語「フォトルミネセンス」とは、第２の波長（または波長範囲）の光で照射された物質（例えば、量子ドット）による第１の波長（または波長範囲）の光の放出を称する。第１の波長（または波長範囲）および第２の波長（または波長範囲）は、同一であったり、異なることもある。
ここで用いたように、用語「量子効率」とは、物質（例えば、量子ドット）に吸収された光子の数に対する物質が放出した光子の数の比率を称する。
ここで用いたように、用語「単分散(monodisperse)」とは、群の少なくとも約６０％、好ましくは群の７５％〜９０％、あるいはそれらの間の整数または非整数が、特定の粒子サイズ範囲内に入っている量子ドット群を称する。単分散粒子の群は、直径で２０％の２乗平均平方根（ＲＭＳ）より小さく、より好ましくは１０％ＲＭＳ未満、最も好ましくは５％ＲＭＳ未満で偏差している。
「光学的に純粋」とは、材料を通過する又は通過した光が、材料中の不均質性や材料間の界面での変調の結果としてのモード品質の点で実質的に変化しない状態を称する。これは、導波路の屈折率変化に起因するモード攪乱を含まない。例えば、光散乱が可能な量子ドットの大きな集合を持つ材料は、光学的に純粋ではないであろう。しかしながら、光を著しく散乱しないあるサイズの集合を持つ同じ材料は、光学的に純粋であろう。上記の「実質的に変化しない」の意味が特定の応用についての光学的条件に依存することは、当業者に明らかであろう。このため「光学的に純粋」とは、材料が用いられる応用に必要な光学純度のレベルを称する。
「光学的に均質」とは、光波にとって有意な長さスケール、好ましくは２５０ｎｍより大きく、より好ましくは４μｍより大きく、最も好ましくは〜１０００μｍより大きい長さスケールに渡って均質であると定義される。
「導波構造」は技術用語であり、光を１つの場所から他の場所へ伝送可能な光学デバイスを称する。導波構造は、局所的な実効屈折率差による導波の利用により光を伝送することができる。この一例は、屈折率ｎ２を持つ「クラッド(cladding)」によって包囲された、屈折率ｎ１を持つ「導波コア」内部での全内部反射に関連している（但し、ｎ１＞ｎ２）。導波構造の他の例は、フォトニックバンドギャップ材料などの、マイクロまたはナノ構造の材料に適切に関連しており、導波は、材料の周期的なマイクロまたはナノ構造から得られる。
「クラッド」とは、ｎ１＞ｎ２などの導波構造において、導波コアを包囲する材料である。典型的な導波構造では、光は、「導波コア」内部でその長さに沿って進行波として伝搬し、クラッド内部ではｎ１とｎ２の比に関係した減衰定数で次第に減衰する。内部にトラップされ、導波コアの長さに沿って進行する光は「導波」と称する。
導波コアまたはクラッドの形状は、典型的には、その「断面」という用語で記述可能である。断面は、導波コアまたはクラッドを導波構造の長手軸に垂直な軸に沿って切断することによって作成された形状である。長手軸は、導波された光が進行する軸である。
「光ファイバ」および「平面(planar)導波路」は、公知の導波構造のうちの２つのありふれた形態である。「光ファイバ」は、普通に用いられる用語であり、典型的には、実質的に円柱状のクラッドで包囲された実質的に円柱状の導波コアを備え、可撓性の保護用外側コーティングを任意に備える構造を称する。その代替として、あるいは接続点では、光ファイバは、台形、円、長円、三角、あるいは他の幾何学的または非幾何学的な形状の断面形状を持つ非円柱状の導波コアを備えることがある。
「平面導波路」は、種々の方法で基板上に組み立てた導波構造である。「平面導波路」は、典型的には、実質的に長方形の導波コアを備える。その代替として、あるいは接続点では、平面導波路は、台形、円、長円、三角、あるいは複数の他の幾何学的または非幾何学的な形状の断面形状を持つ非長方形の導波コアを備えることがある。用語「平面」はフラットな構造を示唆するが、用語「平面導波路」は、ここで用いるように、複数のフラット層を備える構造をも称する。任意であるが、平面導波路における１つ又はそれ以上の層はフラットでない。当業者は、「平面導波路」の重要な態様は、「基板」上に組み立てた導波構造であることを理解するであろう。別に言及していない限り、「導波構造」は、平面導波路を記述するために、ここでは用いている。
「導波基板」または「基板」は、平面導波路が配置された材料を記述するために、ここでは用いている。平面導波路が直接に基板表面上に組み立てられことは普通である。基板は、典型的には、例えば、シリコンウエハなどの固体支持部を備え、導波構造を固体支持部から分離する追加の「バッファ層」を任意に備える。バッファ層は、１つ以上の材料または材料の組合せを備える複数の層を任意に備える。バッファ層は、部分的にクラッドとして機能してもよい。その代替として、導波構造は、同じ目的を提供する可撓性の基板であってもよい。
「単一モード」導波構造は、典型的には、単一の光学モード（例えば、ＴＥＭ００）を維持する導波構造（平面あるいはファイバ光学部品）である。こうした導波構造は、本発明の幾つかの実施形態に従うのが好ましい。「マルチモード」導波構造は、典型的には、多重の光学モード同時に維持する導波構造である。
「導波直径」は、光ファイバの実質的に円柱状の導波コアの直径を記述するために、ここでは用いている。導波直径はまた、平面導波路上での実質的に円柱状のコアの直径を記述するためにも用いている。
「導波幅」または「幅」は、基板表面に平行に配向した、実質的に長方形の導波コアの断面寸法を記述するために、ここでは用いている。これは、導波コアの「水平寸法」とも称される。「導波高さ」または「高さ」は、基板表面に垂直に配向した、実質的に長方形の導波コアの断面寸法を記述するために、ここでは用いている。これは、導波コアの「垂直寸法」とも称される。ここで記述した「幅」および「高さ」の定義に基づいて、当業者は、これらの用語を別の幾何学的または非幾何学的な形状の導波コアに言い換えること理解できよう。別に言及しない限り、幾何学的に用いた幅および高さについての標準的な定義が、幾何学的な断面形状を記述するために、ここでは用いている。
「コアテーパー」は、導波コアの幾何が変化する導波コアの領域を称する。これは、導波コアのサイズ及び／又は形状を１次元または２次元で変化することを備えてもよい。コアテーパーは、例えば、１５μｍ×１５μｍの四角形断面を持つ導波コアから７μｍ×７μｍの四角形断面を持つ導波コアへの遷移を備えてもよい。コアテーパーはまた、例えば、１５μｍ×１５μｍの四角形断面を持つ導波コアから直径１０μｍの円形断面を持つ導波コアへの遷移を備えてもよい。コアテーパーの他の多くの形態が可能であり、上記定義から理解されるであろう。
「コアテーパー」は、典型的には、「テーパー長」と称される所定の距離に渡って、導波構造の特性を徐々に変化させるように設計される。理想的には、テーパー長は、該遷移がテーパーを通る光信号のモード構造を保存するように、充分に長いものになる。特に、テーパーに入る単一の光学モードが、テーパーを出た後も単一モードのままであることが好ましいが、必要ではない。モード構造についてのこの保持は、「断熱(adiabatic)遷移」と称される。用語「断熱遷移」は普通に用いられるが、典型的には、完全な断熱遷移を有することは不可能であり、この用語は、モード構造が実質的に攪乱されない遷移を記述するために用いられることは、当業者は認識するであろう。
「クラッドテーパー」は、ここで開示される新規な実施形態であり、コアテーパーと同様であるが、導波コア回りのクラッドの幅変化を称する。コアテーパーと同様に、クラッドテーパーは、クラッドのサイズ及び／又は形状を変化させるために用いることがあり、テーパー長を有するように定義可能である。テーパー長は、断熱遷移または非断熱遷移を生成するようにできる。
コアテーパーおよびクラッドテーパーの両方とも、コアまたはクラッドでの材料屈折率がテーパー長に渡って徐々に変化したり、あるいは「傾斜」している場合を任意に称してもよい。ここで用いたように、用語「徐々に」は、所定の非ゼロ距離に渡って、連続的または小さな段差で発生する変化を称する。コアテーパーおよびクラッドテーパーは、コアまたはクラッドの屈折率、サイズ及び／又は形状の変化を任意に備えてもよい。
「屈曲(bend)」は、平面導波路が少なくとも１次元でのある程度の湾曲を示す、平面導波路の一部を記述するために、ここでは用いている。典型的には、導波路の断面は、屈曲内で実質的に不変である。典型的には、屈曲は、滑らかで連続的であり、屈曲内の任意の点での曲率半径で記述できる。屈曲は、基板に対して平行および垂直な平面導波路を湾曲させるが（例えば、水平屈曲または垂直屈曲）、別に言及していない限り、用語「屈曲」とは、ここでは水平屈曲を称することになる。任意であるが、屈曲はテーパーを備えることもある。
「マルチモード干渉デバイス」またはマルチモード干渉計（ＭＭＩ）は、導波コアの断面が短い伝搬長の範囲で実質的に変化して（典型的には、増加している）、１つ以上のモード（しかし典型的には１０個のモードより少ない）が伝搬し得る導波コアの領域を導いている光学デバイスを称する。これらの伝搬する多重モードの相互作用は、ＭＭＩによって実施される機能を定義する。ＭＭＩデバイスは、固定した比の分割器／結合器、波長マルチプレクサ／デマルチプレクサを含む。
ここで用いたように、「導波路カプラ」「光カプラ」「方向性カプラ」は同義語であり、結合領域内で２つ又はそれ以上の導波コア間で光が徐々に結合して、個々のコア内での光強度が、結合領域の長さの関数で周期的に発振する導波構造を称する。導波路カプラのより詳しい説明は後述する。
「非線形導波路カプラ」は、２つ又はそれ以上の結合した導波コアの間及び／又はその回りの領域が、変化可能な屈折率を持つ材料（例えば「活性材料」）で充填されている導波路カプラである。活性材料の屈折率を変化させることによって、非線形導波路カプラの結合特性が変調可能である。その代替として、活性材料は、１つ又はそれ以上の結合した導波コア内部で（例えば、導波コアのうちの１つの断面として）、収容されていてもよい。
「マッハツェンダ干渉計」または「ＭＺ干渉計（ＭＺＩ）」は、導波コア（例えば「入力導波コア」）からの光が、２つ又はそれ以上の分離した導波コア（例えば「導波アーム」または「アーム」）に分割される導波構造である。光は、アーム内で所定の距離だけ進行し、導波コア（例えば「出力導波コア」）へと再結合される。ＭＺ干渉計では、各アームでの光信号の履歴が、出力導波コアで得られる信号に影響を及ぼす。ＭＺ干渉計のより詳しい説明は後述する。
「非線形ＭＺ干渉計」は、１つ又はそれ以上の導波アームが活性材料を備えるＭＺ干渉計である。活性材料は、導波アームのコア及び／又はクラッドの中にあってもよい。活性材料の屈折率の変更は、導波アームからの建設的及び／又は破壊的干渉の程度を変化させることによって、出力導波コアでの信号を変調する。
「活性材料」は、本発明の幾つかの実施形態に従って、光を操作するために使用可能な非線形光学特性を持つ材料を称する。用語「活性材料」は、典型的には、ここで説明するように、人工(engineered)非線形ナノ複合材料を称するために用いられるが、該用語は、公知の別の非線形材料を記述するためにも用いられる。
「活性領域」は、光を操作するために、活性材料の屈折率が変調される光学デバイスの領域を称する。電気−光変調器の場合、活性領域は、電圧が印加されるデバイスの場所である。χ（３）ベースのデバイスでは、活性領域は、トリガー信号が印加される場所である。活性領域は、光学特性の意図的な変化が生ずるデバイス領域のみであることがあるが、活性材料の場所を制限するものでなく、活性領域を超えて延びていてもよい点に留意する。活性領域の外側で活性材料を含む領域は、典型的には、通常のデバイス動作中は変調されない。「活性長」は、デバイスの長手軸に沿った活性領域の長さを記述する。
２つの導波コア間でエバネセント(evanescent)光結合を採用した光学デバイスの場合（例えば、導波路カプラ）、「相互作用領域」または「結合領域」は、結合が生ずる光学デバイス領域である。該技術分野で典型的に理解されるように、全ての導波路は、幾らかの、理論的には非ゼロのレベルで結合可能である。しかしながら、相互作用領域は、典型的には、導波路のエバネッセント場(evanescent field)がかなりの程度に重なり合う光学デバイス領域であると考えられる。ここで、相互作用領域は、活性領域または活性材料の範囲を制約するものではなく、これらは相互作用領域より大きい範囲でも小さい範囲であってもよい。
「相互作用長」は、相互作用領域の長さを記述する。「相互作用幅」は、相互作用領域内での２つの結合した導波路間での間隔である。別に言及しない限り、相互作用幅は、少なくとも相互作用長の部分を横切る方向に、実質的に一定であると想定される。
「トリガーパルス」「トリガー信号」「制御パルス」「制御信号」「制御ビーム」「活性化光」は同義語であり、本発明の幾つかの実施形態の材料での屈折率の過渡的な変化を作り出すために用いられる光を称する。トリガーパルスは、パルス状でも連続波（ＣＷ）でもよい。
「データパルス」「データ信号」「データビーム」は同義語であり、光学デバイス中に情報を伝送するために用いられる光を称する。データパルスは、任意にはトリガーパルスとなることがある。データパルスは、パルス状でも連続波（ＣＷ）でもよい。
「ＣＷ光」「ＣＷ信号」は同義語であり、パルス状でない光を称する。
「関心波長範囲」は、特定の光学デバイスとともに使用される波長の範囲を称する。典型的には、これは、トリガー信号およびデータ信号の両方を含み、トリガー信号およびデータ信号の範囲は、同一でも、異なっていてもよい。例えば、あるデバイスが１５５０ｎｍ通信範囲での使用に組み立てられた場合、データの関心波長範囲は１．５μｍ〜１．６μｍと定義してもよく、トリガーの関心波長範囲は１．５μｍ〜１．６μｍ（あるいは異なる範囲）と定義してもよい。１３００ｎｍ範囲でのデバイスについては、データの関心波長範囲は１．２５μｍ〜１．３５μｍと定義してもよい。これらは好ましい関心波長範囲ではあるが、特定の関心波長範囲は、特定の応用に依存して異なることがあることは理解されよう。本発明の実施形態の材料を同調させる能力は、どんな関心波長範囲も使用可能であることを暗示する。一般に、３００ｎｍ〜４０００ｎｍは、好ましい関心波長範囲であり、より好ましくは３００ｎｍ〜２０００ｎｍ、より好ましくは７５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、より好ましくは１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍ、最も好ましくは１３１０±５０ｎｍおよび１５８０±５０ｎｍである。
（量子ドット）
本発明の実施形態は、部分的に、量子ドットの異色な特性を活用している。量子ドットは、サイズおよび量子ドットを形成する材料の両方に依存する（時には強く依存する）光学的および電子的特性を有する。
本来、それは、原子および分子の量子力学的な特性がしばしば日常生活の古典力学に衝撃を与え、支配さえしてしまうような数ナノメータのオーダーのサイズ範囲である。このサイズ範囲では、材料の電子的および光学的特性が変化して、サイズに依存するようになる。さらに、材料のサイズが小さくなるほど、原子に似てくるようになり、振動子強度および状態密度の再分布に起因して、多くの特性が変化したり、増強される。これらの効果は「量子閉じ込め」効果と称する。例えば、量子閉じ込め効果は、量子ドットのサイズが減少するにつれて、量子ドットのエネルギーギャップまたは量子ドットから放出される光のエネルギーを増加させることが可能になる。これらの量子閉じ込め効果は、これらのサイズを慎重に制御することによって、量子ドットの多くの特性（例えば、光学的および電子的特性）をきめ細かく同調させる能力をもたらす。この制御は、本発明の幾つかの実施形態の１つの重大な態様を提供する。
量子ドットは、典型的には、直径で約１ｎｍと約１０００ｎｍの間、あるいはこれらの間にある何れかの整数や整数からなる分数のサイズ範囲になろう。好ましくは、サイズは約１ｎｍと約１００ｎｍの間であり、より好ましくは約１ｎｍと約５０ｎｍの間、または約１ｎｍと約２０ｎｍの間（例えば、約２，３．４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９または２０ｎｍ、あるいはこれらの間にある何れかの整数からなる分数）、より好ましくは約１ｎｍと約１０ｎｍの間である。
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）は、本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドットを示す。特に、図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、コア１０２を備える量子ドット１００を示す。量子ドットのコア（例えば、コア１０２）は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃを非限定的に含むＩＶ族半導体材料、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＣｄＯ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＨｇＯ，ＭｇＳ，ＭｇＳｅ，ＭｇＴｅ，ＭｇＯ，ＣａＳ，ＣａＳｅ，ＣａＴｅ，ＣａＯ，ＳｒＳ，ＳｒＳｅ，ＳｒＴｅ，ＳｒＯ，ＢａＳ，ＢａＳｅ，ＢａＴｅ，ＢａＯを非限定的に含むＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂを非限定的に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，ＰｂＯを非限定的に含むＩＶ−ＶＩ族半導体材料、これらの混合物、これらの族間または族内の任意の組合せからなる三元または合金化された化合物からなる無機結晶を備えてもよい。その代替として、あるいは接続点では、コアは、結晶性の有機材料（例えば、結晶性の有機半導体材料）、あるいは多結晶またはアモルファスの形態の無機及び／又は有機の材料を備えることがある。
コアは、第２の無機または有機の材料からなるシェルにより任意に包囲されてもよい。図１（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る量子ドット１０４を示す。ここで、量子ドット１０４は、シェル１０８で包囲されたコア１０６を備える。シェル（例えば、シェル１０８）は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃを非限定的に含むＩＶ族半導体材料、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＣｄＯ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＨｇＯ，ＭｇＳ，ＭｇＳｅ，ＭｇＴｅ，ＭｇＯ，ＣａＳ，ＣａＳｅ，ＣａＴｅ，ＣａＯ，ＳｒＳ，ＳｒＳｅ，ＳｒＴｅ，ＳｒＯ，ＢａＳ，ＢａＳｅ，ＢａＴｅ，ＢａＯを非限定的に含むＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂを非限定的に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、これらの混合物、これらの族間または族内の任意の組合せからなる三元または合金化された化合物からなる無機結晶を備えてもよい。その代替として、あるいは接続点では、シェルは、結晶性の有機材料（例えば、結晶性の有機半導体材料）、あるいは多結晶またはアモルファスの形態の無機及び／又は有機の材料を備えることがある。シェルはドープしてもアンドープでもよく、ドープしたシェルの場合、ドーパントは、原子または分子でもよい。シェルは、複数の材料を任意に備えてもよく、別々の材料が互いの上面に積み上げられ、多層化シェル構造を形成する。
図１（ｃ）、図１（ｄ）に示すように、量子ドットは、本発明の幾つかの実施形態に従って、コアを包囲する１つ又はそれ以上の表面配位子（例えば、有機分子）を備える配位子層を任意に備えてもよい。図１（ｃ）では、量子ドット１１０は、コア１１２と、コア１１２を包囲する配位子層１１４とを備える。図１（ｄ）では、量子ドット１１６は、コア１１８と、コア１１８を包囲する配位子層１２２とを備える。ここで、量子ドット１１６はまた、コア１１８を包囲するシェル１２０を備え、シェル１２０は、コア１１８と配位子層１２２との間に位置決めされる。
（光学特性）
（線形光学特性）
「量子閉じ込め」効果の最も劇的な例の１つは、半導体材料に関して、エネルギーギャップがサイズの関数としてシフトすることである。これは、図２で判るように、シリコンで製造された量子ドット（ここでは「シリコン量子ドット」と称する）のエネルギーギャップは、本発明の実施形態に係る量子ドットのサイズ（例えば、直径）の関数としてプロットされる。シリコン量子ドットは、ここで記載したように製作された。縦軸は、シリコン量子ドットのエネルギーギャップを表し、横軸は、シリコン量子ドットのサイズを表す。エネルギーギャップについての観測値（誤差バー付きドット）は、擬似ポテンシャルおよびタイトバインディング(tight-binding)モデル（実線）と、簡単な有効質量理論（破線）とで比較される。
同じ効果は、量子ドットのサイズの関数として発光波長で見ることができる。図３は、本発明の実施形態に従って、シリコン量子ドットの異なるサイズを持つ６つのサンプルからのフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。シリコン量子ドットは、ここで説明したように製作し、酸化物で形成されたシェルを含む。縦軸は、正規化したＰＬ信号を表し、横軸は、発光波長を表す。図３に示したＰＬスペクトルは、シリコン量子ドットを紫外光で光励起することによって得られる。光励起の波長は、シリコン量子ドットの吸収端の波長より短い。図３は、ここで説明する方法で製作可能なサイズの範囲を説明している。図３の上側に示した量子ドットは、一定の縮尺で描かれておらず、ＰＬスペクトルの原因となる量子ドットの相対的なサイズを示すことを意味する。図２、図３は、シリコン量子ドットの吸収および発光特性に関して得られる先例のない制御を説明している。
クラマース−クローニヒ(Kramers-Kroenig)の式と称される一連の関係により、屈折率および誘電率の特性が吸収と関連付けられる。それ自体、サイズに依存した吸収の制御は、屈折率の制御を可能にする。
量子ドットのサイズに加えて、光学的および電子的特性は、製造する材料によっても強く影響を受ける。量子閉じ込め効果は、材料のバルク特性の変調を表現する。それ自体、サイズ減少に由来する何れの変化も、材料のバルク特性に対して生ずる。量子ドットのサイズおよび材料の適切な組合せを選択する（例えば、独立して選択する）ことによって、量子ドットの光学的および電子的特性についてより大きな制御が提供される。例として、図４（ａ）、図４（ｂ）は、本発明の実施形態に従って、シリコン量子ドットのものとは異なるゲルマニウム量子ドットのサイズ依存の吸収および発光を示す。ゲルマニウム量子ドットは、ここで説明したように製作した。図４（ａ）において、縦軸は、ゲルマニウム量子ドットのエネルギーギャップを表し、横軸は、ゲルマニウム量子ドットのサイズを表す。エネルギーギャップについての観測値（誤差バー付き白抜きドット）は、理論的な予測値（黒ドットと実線）と比較される。図４（ｂ）では、サイズ選択性のＰＬスペクトルが示され、縦軸は、正規化したＰＬ信号を表し、横軸は、発光波長を表す。遠い右側のカーブは、明確化のため垂直にオフセットしている。図４（ｂ）で示すＰＬスペクトルは、異なる励起波長を用いて収集されたもので、励起光の光子エネルギーより小さいか、それと等しいエネルギーギャップを持つ量子ドットだけ（例えば、一定の量子ドットサイズより大きいもの）が励起される。
（誘電率および屈折率とサイズおよび材料との関係）
多くの材料では、材料のエネルギーギャップが増加するにつれて、共鳴から遠い屈折率は減少する（クラマース−クローニヒ式の結果）。このことは、例えば、透明材料（例えば、シリカ、金属ハロゲン化物、有機物）の屈折率が、より小さな相対吸収エネルギーを持つ無機半導体のものより小さくなる理由を説明する。この効果は、典型的には、量子ドットにも適用される。この場合、量子ドットのサイズが減少するにつれて、エネルギーギャップが増加し、屈折率を低下させる。こうして量子ドットでは、オフ共鳴(off-resonant)屈折率（固定波長での）が、典型的にはサイズと相関関係にあり、量子ドットの光学特性を制御するための他の方法を提供する。
（誘電率および屈折率と量子ドット濃度との関係）
本発明の実施形態は、材料中の量子ドット濃度を変化させることによって、材料の屈折率を変えることに関連する。この例は、図５（ａ）で示しており、本発明の実施形態に従って、人工シリコンドープの非線形ナノ複合材料およびゲルマニウム量子ドットについての線形屈折率の濃度依存性を示す。シリコンおよびゲルマニウム量子ドットは、ここで説明した方法に従って製作した。屈折率は、重量％で表現した量子ドット濃度の関数としてプロットしている。この図において屈折率は、可視範囲（ナトリウムＤ線）で測定した。
この濃度依存性は、量子ドットの特性を利用することによって、材料全体の屈折率を制御する更に別の方法を提供する。量子ドットを種々のホスト材料に埋め込む能力は、後節で検討する。
（非線形光学特性）
一般に、多くのいろいろな非線形光学現象は、材料が高強度の光に曝されたときに生じ得る。これらの非線形現象の幾つかは、遠距離通信の一態様（例えば、ラマン増幅器）で用いられ、多くは将来の利用（例えば、四波混合、クロス位相変調、ソリトン）と考えられている。非線形現象は、典型的には、高強度と関連しているが、これらの現象は、位相整合、共鳴増強、及び／又は長い相互作用長に起因して、低い強度でも観測される。
材料への入射光は、分極（Ｐ）を誘起でき、これは下記のように表される（ＳＩ単位）。
Figure 2006513458
ここで、Ｅは電界強度、ε０は誘電率、χは全体の光感受率、χ（ｎ）はｎ次の光感受率である。χ（２）現象は、典型的には、反転対称性 例えば、非中心対称性）の無い材料にのみ存在することから、本発明のある実施形態では、全ての材料が示し得るχ（３）現象を利用している。χ（３）のテンソル要素は、一般に複素量であると認識すべきである。誘起した屈折率変化Δｎおよび非線形屈折率γは、χ（３）の適切なテンソル要素の実部、例えば、Ｒｅ［χ（３） １１１１］と関連しているが、２光子吸収係数βは、χ（３）の適切なテンソル要素の虚部、例えば、Ｉｍ［χ（３） １１１１］と関連している。特に、本発明のある実施形態では、下記の実効光感受率を創出することによって、材料の屈折率を変化させる現象を利用している。
Figure 2006513458
ここで、Ｉは、実効光感受率を創出する特定の光ビームの強度であり（高次の項は小さいと仮定し、同様に利用可能ではあるが、ここでは無視している。）、これは同一または異なる周波数の同じ光ビームまたは別の光ビームに影響を与え得る。これは、下記の式で与えられる実効または全体の屈折率と、
Figure 2006513458
下記の式で与えられる非線形屈折率γについての動作定義とを導く。
Figure 2006513458
ここで、ｎ（ω’）はω’での実効屈折率、ｎ０は低強度の屈折率（例えば、線形屈折率）、Ｉ（ω）は、実効光感受率または屈折率変化を創出する、光周波数ωを持つ光の強度である。非線形屈折率γ（ω’，ω）は、χ（３） ｉｊｋｌ（−ω’，ω’，ω，−ω）、例えば、χ（３） １１１１（−ω’，ω’，ω，−ω）に関連している。１つの光ビームだけが関与している場合、ω’はωと等しく設定可能である。２つの光ビームが関与している場合、ω’とωは同一でも異なってもよい。ω’とωが同一である場合は、縮退状態と対応付けられ（ここで更に検討している）、その場合、非線形屈折率γは、縮退非線形屈折率（あるいはγｄｅｇ）と称することができる。ω’とωが異なる場合は、非縮退状態と対応付けられ（ここで更に検討している）、その場合、非線形屈折率γは、非縮退非線形屈折率（あるいはγｎｏｎｄｅｇ）と称することができる。当業者が理解するように、光ビームの光周波数（例えば、ωまたはω’）は、光ビームの波長（例えば、λまたはλ’）と逆比例の関係にある。
この強度依存の屈折率ｎ（ω’）は、全光スイッチングおよび光信号処理に利用可能である。ある応用では、非線形吸収プロセスは、特に重要なものであり、その場合、Ｉｍ［χ（３） ｉｊｋｌ］の最適化が好ましい。
（量子ドットの非線形光学特性）
一般に、主として３つのメカニズムが、量子ドットでのχ（３）非線形性の原因となっている。これらの効果は、共鳴効果、非共鳴効果および近共鳴(near-resonant)効果という広いカテゴリーに分類される。これらのカテゴリーは、さらに縮退した場合（例えば、全ての光ビームが同一波長を有する）と、非縮退の場合（例えば、１つ又はそれ以上の光ビームが異なる波長を有する）とに小分類できる。
１）共鳴効果
共鳴プロセスは、典型的には、共鳴励起（例えば、光の線形吸収）のときの電子的特性での変化に由来する。これは、クラマース−クローニヒの関係に続いて、屈折率の相応の変化をもたらす。吸収変化の大きさおよびそれによる光学非線形性は、いずれかの励起状態の吸収によって修正される基底状態の吸収断面積に直接に関係している。分子や量子ドットなどの離散的な状態にある材料の場合、光学非線形性は、状態の充填に由来し、（σｇ−σｅ）に関係しており、ここで、σｇおよびσｅは、それぞれ基底状態および励起状態での材料の吸収断面積であり、吸収の減少により屈折率の低下が生ずる。量子ドットでは、χ（３）の更なる増強が、量子閉じ込め、局所電界効果、量子干渉効果などのユニークな物理現象に由来している。
上述のように、光学非線形性は（σｇ−σｅ）に関係しており、基底状態からの光学遷移の振動子強度が増加すると、一般に、光学非線形性が増加する。量子ドットの場合、サイズの減少は、電子波動関数および正孔波動関数の空間的重なり合いを増加させ、これは振動子強度を増加させる。それ故、共鳴非線形性は、サイズ減少に伴って増加する傾向がある。しかしながら、この増強は、何れかのサイズ分散によって制限され得る。
他の重要な効果は、量子ドットでの１つ又はそれ以上の欠陥の存在から生ずる。欠陥は、量子ドット内部でのトラップ状態として存在し得る。量子ドットのサイズ範囲での膨大な表面対体積比によって、最も関係するトラップは表面に存在する。もし正しく皮膜保護されていなければ、量子ドットの共鳴励起は、これらの表面状態に急速に緩和する電子−正孔対を創出する。相対的に大きな有効質量を持つ正孔は、より容易にトラップされる傾向があるが、相対的に小さな有効質量を持つ電子は、大きく非局在化したままとなる。その結果、電子波動関数および正孔波動関数の空間分離と、振動子強度の減少とをもたらし、得られる非線形性の大きさを減少させる。さらに、非局在化した量子ドット状態と局在化した表面状態の間の緩和レートを調整することによって、共鳴光学非線形性の応答時間を制御することが可能になる。
共鳴非線形性は、制御ビームおよびデータビームの波長に関して、縮退した場合と非縮退の場合の両方に利用可能である。縮退した場合、関心波長範囲は、吸収端近傍に存在する。単一ビームでは、吸収は飽和可能であり、可飽和(saturable)吸収として一般に知られた、吸収に依存した強度を導く。縮退した制御ビームおよびデータビームでは、制御ビームがデータビームの伝送を変調することが可能であり、光変調器をもたらす。吸収変化によって生ずる屈折率変化もまた利用可能である。一般の半導体および特定の量子ドットでのブロードな電子吸収に起因して、制御ビームおよびデータビームが非縮退である場合に、共鳴非線形性は観測することができる。この場合、制御ビームは、より高い光子エネルギーのものであることがあり、キャリアが発生して、バンド端へ向かって緩和し（主に光子放出を介して）、吸収ブリーチング(bleaching)及び／又は励起状態吸収が、より低い光子エネルギー（しかし、未だ共鳴している）のデータビームに影響を与え得る。
２）非共鳴効果
光の線形吸収が典型的には必要である共鳴非線形性とは対照的に、非共鳴非線形性は、典型的には、光の単一光子吸収を必要としない。その結果、非共鳴非線形性は、励起状態の緩和が必要でないため、本質的に高速である。しかしながら、非共鳴非線形性は、一般に、強い単一光子共鳴増強が無いことから（非共鳴非線形性を増強するために、マルチ光子共鳴が利用可能であるが）、共鳴非線形性より小さい。
量子ドットでの非共鳴非線形性に利用可能な３つの主な増強要因：量子閉じ込め、マルチ光子共鳴増強および局所電界効果がある。量子閉じ込めは、増強された波動関数の重なり合い（上述した）に起因して、χ（３）を増強して、振動子強度の増加を提供する。マルチ光子共鳴は、単一光子共鳴の不在でも利用可能であり、非共鳴非線形性を増強する。しかしながら、マルチ光子共鳴は、望ましくない非線形の吸収損失を導入することがある。ある応用では、理想的な状況は、関係する光ビームがマルチ光子共鳴の閾値をちょうど下回っている場合であり、これにより著しい非線形の吸収損失無しで、幾つかの共鳴増強を可能にする。最後に、局所電界効果は、非共鳴のχ（３）を増強するために利用可能である。特に、誘電率ε１を持つ量子ドットが、誘電率ε２を持つマトリクス材料に埋め込まれたナノ複合材料では、ε１＞ε２の場合、外部印加された電界（例えば、電磁界の光源から到来するもの）が量子ドットで局所的に増強され、増強の大きさは、Δε＝ε１−ε２に関係する。こうした状況は、量子ドットを、より低い屈折率のマトリクス材料に埋め込むことによって生じ得る。光で照射されると、量子ドットでの電界が、入射した外部電界と比べて増強され、続いて全体の非線形応答の増加をもたらす。この増強は、量子ドットのバンドギャップエネルギーが減少するにつれて、量子ドットのサイズとともに増加し、誘電率（ε１）の増加をもたらす。
非共鳴非線形性は、非縮退の場合も同様に利用可能である。この場合、制御ビームは、データビームより高い又は低い光子エネルギーを有することがある。非縮退の場合の１つの利点は、クロス位相変調（制御ビームが、データビームから見える屈折率変化を誘起する）が、自己位相変調（データビームが、自己誘導の屈折率変化によって自分自身に影響を及ぼす）の増強無しで生じ得ることである。自己位相変調は、遠距離通信のデータストリームに幾つかの有害な影響を与えることがある。
３）非共鳴効果
近共鳴非線形性は、２つのカテゴリー：縮退（典型的には共鳴に近い）または非縮退（典型的には、１つのビーム共鳴と別のビーム非共鳴を伴う）、に分類できる。前者の場合、ビームは、典型的には、共鳴端に極めて接近しており、例えば、すぐ上か、すぐ下か、あるいは共鳴端ちょうどであり、線形吸収によって材料の直接励起が生じない、あるいは極めてわずかな直接吸収が生ずる、のいずれかとなる。非縮退の場合は、おそらくより有用な状況であり、制御ビームを介した共鳴励起によって誘導された屈折率変化は、共鳴より下にある（単一またはマルチ光子吸収による損失を最小化するため）データビームの位相変化を生じさせる。例えば、吸収端より充分に下にある光子エネルギーまで延びる吸収飽和に起因した屈折率変化が利用可能であり、高強度のデータビームを用いた２光子吸収によるキャリア発生の代わりに、キャリアは、制御ビームを用いて直接発生する。さらに、制御ビームの吸収に起因した量子ドットでの自由キャリアの励起は、別の自由キャリア効果によって生ずる屈折率変化を導くことができる。例えば、これらの小さなサイズにより、量子ドットは、典型的には、単一光子吸収についても、本来高い自由キャリア密度を有する（例えば、単一の量子ドットでの１つの光子吸収に対して、〜１０１８キャリア／ｃｍ３）。このことは、充分に高いキャリア密度（例えば、〜１０２０キャリア／ｃｍ３））において、量子化されたオージェ(Auger)再結合および増強された反射率（大きなプラズマ周波数に起因）などの効果をもたらす。
（サイズ依存性）
上述のことから、共鳴および非共鳴の非線形プロセスの両方についてのサイズ依存性（所定の量子ドット材料）を導くことができる。典型的には、共鳴光学非線形性では、非線形性の大きさは、量子ドットサイズが減少するにつれて増加し、電子または正孔を局在化するトラップを持つ量子ドットの数が増加するにつれて減少し、サイズ分散が増加するにつれて減少する。
典型的には、非共鳴プロセスでは、光学非線形性は、量子ドットサイズの増加とともに増加し、量子ドットの屈折率の増加とともに増加し、周囲のマトリクス材料の屈折率の減少とともに増加する。但し、これらの傾向は、量子ドットサイズの全てに関して無限に続くものではないが、実用的な設計検討の支援として有用となり得ることに注意を要する。具体的な量子ドットサイズを慎重に調整することによって、共鳴効果、非共鳴効果あるいはその両方は、得られる非線形応答を最適化するために使用可能になる。
（量子ドット材料の依存性）
量子ドットを形成する材料について１つの重要な検討事項は、束縛電子に関して、光学的な非共鳴非線形性は、典型的には、１／Ｅｇ ｎのように、材料のエネルギーギャップに依存することであり、ｎは典型的には約４から約６の範囲である。それ故、非共鳴非線形性は、エネルギーギャップが減少するにつれて、著しく増加することができる。この傾向は、大きな量子ドットサイズと小さなバンドギャップエネルギーを固有に持つ材料との組合せに好都合である。しかしながら、同時に、著しい線形および非線形の吸収を回避するためには、関心波長範囲での光子エネルギーは、材料の選択と量子ドットサイズに影響を及ぼすことがある。具体的には、エネルギーギャップをより高いエネルギーへシフトさせる量子閉じ込め効果を利用するために、バルクの材料は、望ましくは、データビームについての関心波長範囲での光子エネルギーにほぼ等しいか、それより大きいエネルギーギャップを有するべきである。同時に、著しいマルチ光子吸収効果を回避するために、材料のエネルギーギャップは、望ましくは、得られる量子ドットのエネルギーギャップが、データビーム光子の光子エネルギーの２倍大きい程度に、充分に大きくすべきである。
非共鳴光学非線形性の場合は、これら２つの懸念が、本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドットについて選択する材料のエネルギーギャップを両側で規定する反対の傾向を明記する。エネルギーギャップをより高いエネルギーへシフトさせる量子閉じ込め効果を利用するために、バルクの材料は、望ましくは、この両側で規定したエネルギーより小さいエネルギーギャップを有するべきである。例えば、１５５０ｎｍ（０．８ｅＶの光子エネルギーに対応）近傍で動作する、縮退した全光スイッチング構成要素での２光子損失を回避し、そして非線形応答の１／Ｅｇ ｎの振る舞いを利用するためには、量子ドットのエネルギーギャップは、７７５ｎｍより小さいか、それに近い（あるいは、１．６ｅＶより大きいか、それに近い）ものとすべきである。
（増強した光学特性）
サイズ依存性のあるスペクトル特性に加えて、量子閉じ込め効果は、状態密度の再分布に起因した種々の光学特性および電子特性の大きさの増強をもたらすこともある。吸収断面積および励起状態の分極率などの特性が、バルク材料に対して数桁の大きさまで増強されることが判明している。χ（３）は、上述したような量子閉じ込めによっても増強され得る。
（追加の効果）
本発明の幾つかの実施形態によれば、実用的な光スイッチングに使用できる範囲での性能指数（ＦＯＭ）を持つナノ複合材料の形成にとって、下記のような効果が重要になり得る。
１）ＦＯＭへの欠陥の効果
量子ドット材料内部での欠陥は、非線形光学材料として、これらの性能に対して実質的に悪い影響を有することがある。量子ドットのコア及び／又は表面での欠陥は、バンドギャップ未満の光子の直接吸収を生じさせ、光学損失を増加させ、ＦＯＭ全体を低下させる。その結果、χ（３）は高くなり、材料は光スイッチングに不適当になることがある。量子ドットを用いた光スイッチングへの欠陥の効果は、ここで検討したように、以前は考慮されていなかった。
本発明の幾つかの実施形態のうちの１つの重要な態様は、非線形光学材料として用いられる量子ドットでは、望ましくは、実質的に欠陥フリーのコアを備えるべきである。この場合、用語「欠陥」は、典型的には、量子ドットコアのエネルギーギャップ未満のエネルギーを持つ欠陥、あるいは関心波長範囲のエネルギー範囲内にある欠陥を称する。さらに、量子ドットの表面は、実質的に欠陥状態が存在しないように、充分に皮膜保護されるべきである。皮膜保護は、例えば、配位子層への適切な表面配位子の包含によって達成することができ、欠陥箇所と結合して、エネルギーギャップから除去する。その代替として、、あるいは接続点では、シェルを量子ドットコアへ塗布して、欠陥箇所を充填または除去することによって、皮膜保護が達成可能である。この場合、シェル材料は、関心波長範囲に対応したものより高いエネルギーギャップを持つ材料であることが好ましく、量子ドットコアのエネルギーギャップより高いものがより好ましい。さらに、シェルは、望ましくは、実質的に欠陥フリーであるか、あるいは、適切な表面配位子の包含によって除去可能な欠陥を有するべきである。
２）濃度効果
本発明の幾つかの実施形態のうちの１つの重要な態様は、量子ドットを含む材料の非線形特性が、２つ又はそれ以上の量子ドットの間での相関した相互作用によって、実質的に影響され得ることである。特に、χ（３）は、濃度が増加するにつれて、低い濃度では量子ドット濃度に比例するが、個々の量子ドットは、互いに相互作用するのに充分に接近して、非線形をより増強する集団的な現象を生成する。この効果は、図５（ｂ）に示しており、本発明の実施形態に従って、人工シリコンドープの非線形ナノ複合材料およびゲルマニウム量子ドットについての光学非線形性の濃度依存性を示す。シリコンおよびゲルマニウムの量子ドットは、ここで説明した方法に従って製作した。縦軸は、非線形屈折率γを表し、横軸は、マトリクス材料での量子ドットの相対濃度を表す。図５（ｂ）に示すように、γは、充分に高い濃度では、濃度とともに超線形的に増加する。量子ドットを用いた光スイッチングへの濃度の効果（特に、超線形的な濃度依存性）は、ここで検討したように、以前は考慮されていなかった。
図５（ｂ）では、γは、非共鳴の縮退非線形性の結果として生ずる。γの達成値は、特に大きい。図５（ｂ）に示すように、シリコン量子ドットを持つドープしたナノ複合材料は、約８×１０−５ｃｍ２／Ｗ程度の高いγを有し、これはシリコン量子ドットを製作するバルク材料より９桁より大きい（バルクのシリコンは、約８×１０−１４ｃｍ２／Ｗの非共鳴縮退γを有する）。更なる非線形増強は、配位子層の中の分子種の適切な選択によって誘起され得る（分子鎖での説明を参照）。
（量子ドットの非線形光学特性のまとめ）
実質的に欠陥フリー及び／又は充分に皮膜保護された量子ドットコアと組み合わせた、個々の量子ドットおよびマルチ量子ドットナノ複合物での光学非線形性の増強および同調性は、本発明の幾つかの実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を提供する。こうしたナノ複合材料は、理想的なχ（３）ベースの光学材料について種々の特性、例えば、関心波長範囲での大きなＲｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］、近共鳴増強を最大化し、吸収に起因する光学損失を最小化するように同調可能なマルチ光子遷移、制御ビームは共鳴し、データビーム波長で大きな屈折率変化を誘起し、その波長で低い光学損失を導入するようにした非縮退の制御ビームおよびデータビームの使用、デバイスの縦続接続が可能になる縮退した制御ビームおよびデータビームの使用、欠陥吸収に起因した低い光学損失など、を満足することができる。
（コロイド状の量子ドット）
量子ドットを備える構造は、気相成長、イオン注入、フォトリソグラフィ、空間変調した電界、半導体ドープガラス、量子井戸での歪み誘導ポテンシャル変化、量子井戸での原子幅の変動、他の種々の技術を用いて製作可能である。好ましくは、量子ドットは、形成され、柔軟でまたは人工光学材料や光学デバイスへ容易に組み込み可能な形態で使用される。さらに、量子ドットの光学特性をマトリクス材料のものから分離することが望ましく、マトリクス材料による誘導された吸収及び／又は散乱を伴って、充分に大きなＦＯＭを達成できる。
好ましい実施形態では、本発明は、コロイド状の量子ドットを備える。コロイド状量子ドットは、溶媒及び／又はマトリクス材料の中に分散可能である自立したナノ構造である。こうしたコロイド状量子ドットは、本発明の幾つかの実施形態にとって特に好ましい材料であり、その理由は、これらはより容易に精製し、操作し、マトリクス材料へ組み込むことが可能だからである。
定義しようとする「コロイド状」量子ドットの特性が自立したナノ構造である点は、当業者に明らかであろう。特定のコロイド状量子ドットの製作方法、サイズおよび形状は、その分類とは関係がない。
（化学特性）
（化学的に制御可能な表面）
本発明の幾つかの実施形態によれば、量子ドットのユニークな物理特性は、コアは結晶性半導体材料を備えることができるが、その表面は、種々の異なる有機及び／又は無機の材料でコート可能である点である。これらの表面コーティング（例えば、シェルまたは配位子層）は、量子ドット表面での電気的、光学的に活性な欠陥箇所の皮膜保護とともに、安定性および化学活性を付与することができる。これらの表面コーティングは、無機コアとは化学的性質が実質的に異なっていてもよい。その結果、量子ドットは、主として高い非線形半導体材料を備え得るが、これらは実質上、周囲の材料にとって表面配位子のように見える。それ自体、この高い非線形性で同調可能な光学材料についての処理可能性および化学安定性は、主として表面層の機能であって、光学特性の大部分を提供する材料の機能ではない。
表面配位子は、二官能性(bifunctional)であることが好ましい。二官能性によって、表面配位子の少なくとも２つの部分が存在し、１つの部分は主に量子ドット表面と相互作用し、第２の部分は主に周囲の環境（例えば、溶媒及び／又はマトリクス材料）と相互作用することを意味する。表面配位子のこれらの少なくとも２つの部分は、同一でも別々でもよく、連続していても不連続でもよく、配位子層を形成するために互いに相互作用する、２つ又はそれ以上の異なる分子種内に含まれていてもよい。少なくとも２つの部分は、親水性基、疎水性基または両親媒性基からなるグループから選択できる。少なくとも２つの部分と量子ドットや周囲環境との相互作用は、共有結合でも非共有結合でもよく、強い相互作用でも弱い相互作用でもよく、不安定(labile)なものでも非不安定なものでもよい。少なくとも２つの部分は、独立してまたは一緒に選択することができる。
本発明の幾つかの実施形態では、表面配位子は、量子ドットと相互作用する部分が表面欠陥を皮膜保護して、表面が実質的に欠陥フリーとなるように、選択される。同時に、環境と相互作用する部分は、特定の応用について選択されたマトリクス材料内での量子ドットの安定性および相溶性（例えば、化学的な相溶性または親和性）を付与するように、具体的に選択される。これら両方の条件を同時に満足することは、人工非線形ナノ複合材料の開発に関して、本発明のある実施形態の重要な態様である。これらの条件を達成する別の方法は、例えば、１）配位子層とは独立して、量子ドット表面を皮膜保護すること（例えば、シェルを用いたり、本質的に欠陥フリーの表面を作成する）、一方、環境相溶性は、表面配位子によつて付与される。または、２）配位子層とは独立して、皮膜保護および環境相溶性の両方を付与すること、などを含む。量子ドット表面の皮膜保護を達成することは、代わりの手法に対して、コロイド状量子ドットを用いる１つの利点となる。
表面配位子の適切な選択によって、量子ドットは、例えば、液体、ガラス、ポリマー、結晶性固体、および最密充填した規則または不規則量子ドットアレイなどの種々のマトリクス材料内に組み込むことが可能になる。得られるナノ複合材料は、量子ドットからなる均質で高品質の光学フィルムに形成できる。その代替として、マトリクス材料への量子ドットの分散を制御可能な集合度で実現できるように、化学現象が選択可能であり、ミクロンまたはサブミクロンのサイズのクラスターを形成できる。その結果、本発明の実施形態のナノ複合材料の非線形応答をさらに増加させる、局所的な充填比の増加および局所電界効果の増強が得られる。
本発明の幾つかの実施形態のうちの１つの重要な態様は、量子ドットの光学特性をマトリクス材料の光学的、化学的、機械的および他の特性から有効に分離することに関連する。この態様では、量子ドットの大きな非線形性を、標準的なポリマーなどのマトリクス材料の取り扱い容易性および処理可能性と組み合せることが可能である。そしてこの態様は、理想的なχ（３）ベースの光学材料について２つの追加的特徴、即ち、特定デバイス構造との物理的、化学的相溶性と、組み込み処理の容易性とを提供する。
（分子鎖(tether)）
安定性および周囲環境との化学的相溶性を持ち込むことに加えて、配位子層は、量子ドット自体の物理的、光学的、化学的および他の特性を調整するために用いてもよい。この場合、それは、表面配位子の化学的性質だけでなく、得られるナノ複合材料の物理的、光学的、化学的および他の特性について追加の制御レベルを付与する表面配位子の量子ドットとの相互作用もである。我々は、ここでは、量子ドットの表面に結合（例えば、化学的に付着）して、量子ドットに追加の官能性を付与する何れの分子、分子基または官能基を「分子鎖」と称する。幾つかの場合、分子鎖は、電気的活性、光学的活性、物理的活性、化学的活性、またはこれらの組合せとすることができる。量子ドット構造への分子鎖の含有は、本発明の幾つかの実施形態のうちの重要な態様である。
活性種は、量子ドットと周囲のマトリクス材料との間の電気的、光学的、輸送的(transport)、化学的、物理的な相互作用、及び／又は個々の量子ドットの特性を正確に制御するために用いられる。例えば、１つ又はそれ以上の量子ドットの表面に共有結合した共役結合は、一方の量子ドットから他方への電荷輸送を促進することがある。同様に、量子ドットの表面に対して実質的に垂直な幾何形態にある物理的に剛性な活性基は、物理的なスペーサとして機能することができ、人工非線形ナノ複合材料内部での最小の粒子間間隔を正確に制御できる。
上述のように、集団的現象（例えば、高濃度での）は、本発明の幾つかの実施形態のうちの重要な態様である。この態様は、量子ドット間の相互作用を助長する分子鎖を用いて、個々の量子ドットが互いに相互作用するのが可能になることによって、さらに増強され得る。充分に高い濃度では、分子鎖は、別の量子ドットからの分子鎖と、または別の量子ドットと直接に接触を開始する。これは、量子ドット間の相互作用を制御することによって非線形性を増大するのに役立ち、単一粒子の現象と比べて、集団的現象の程度を増加させることができる。分子鎖は、導電性(conducting)ポリマー、電荷移送種、共役ポリマー、芳香族ポリマー、またはドナー−アクセプタ対を持つ分子を非限定的に含む。これらの分子鎖は、電子の非局在化を助長したり移送することが可能であり、量子ドット間の相互作用を増加させることができる。さらに、分子鎖は、高濃度系をしばしば悩ませる有害な凝集が生ずることなく、高い量子ドット数の濃度を促進するように、選択可能である。
分子鎖は、周囲条件を含む種々の環境的条件の下で、量子ドットの安定性を付与するように選択可能である。分子鎖は、量子ドットを別の活性分子とともにポリマーバックボーンに付着させるために、化学的活性基を任意に含むことができる。これは、キャリアの移送や非局在化などのいろいろな機能に影響を与える、分子のすぐ近接内での量子ドットの濃度を制御するための方法を提供する。
本発明の追加の態様は、１次元、２次元または３次元の構造やアレイにおける２つ又はそれ以上の量子ドットを物理的に接続させるための分子鎖の使用である。こうした量子ドットの超構造は、増強された非飽和光学非線形性などの新規で有用な特性を産み出す、複数の量子ドットの干渉相互作用または集団的現象を引き起こすために、作成することができる。これらの分子鎖の長さおよび特性は、特定の量子現象を増強したり発生させるために、調整することができる。これらのナノ構造は、単一の量子ドットの特性、または分子鎖の性質に依存した量子ドットの調和(ensemble)を有することができる。ある応用では、１つより多いタイプの分子鎖が、量子ドットを接続するために使用可能である。
本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドットは、上述のような局所電界効果から生ずる非共鳴光学非線形性を増強する微視的な条件を例示する。量子ドット表面が、酸化物または配位子の層（例えば、分子鎖）で終端されていようが、結果として、誘電率ε２を持つ環境（例えば、表面酸化層または分子鎖）によって包囲された、誘電率ε１を持つ粒子（例えば、量子ドットのコア）が得られる（ここで、ε１＞ε２）。それ故、非共鳴光学非線形の増強は、周囲のバルクマトリクス材料に頼ることなく、酸化物または分子鎖の賢明な選択によって設計可能である。換言すると、表面層が、より低い誘電率を持つ周囲のマトリクス材料として機能することから、本願で説明するような単一の量子ドットは、増強した非共鳴光学非線形性を示すことになる。任意ではあるが、分子鎖は、分離したマトリクス材料無しで、量子ドットを一緒に結合させるために使用可能である。この場合、個々の相互結合した量子ドットは、増強した局所電界効果を示すことから、外部のマトリクス材料は必要ではない。
適切な分子鎖を量子ドット表面に付着させる好ましい手法は、量子ドットをとても大きな分子（例えば、巨大(macro-)分子）として、分子鎖をこの大きな分子の官能基化として、本質的に処理することが考えられる。このことは、量子ドットからの量子効果と、分子鎖からのキャリアの分極化および非局所化の効果との組合せ、およびこれら２つの効果の相互作用から得られる、増強した非線形光学特性を持つ大きな３次元構造を作成できる。これらの特性は、分子鎖の選択によって調整可能である。さらに、量子ドットは、大きな非線形光学応答にも寄与する分極可能な電荷についての、大きく安定な貯蔵庫をも意味し得る。
（巨視的な量子ドット固体）
巨視的な固体は、量子ドットが、外部のマトリクス材料の不存在で実質的に最密充填アレイ（例えば、立方最密充填アレイ）を形成する際に、製作可能である。これらの「量子ドット固体」は、単結晶性、多結晶性、またはアモルファスでもよい。相対的に高い密度の量子ドットを含有する場合、形成中において量子ドットは、後で除かれる溶媒中に分散可能であることから、量子ドット固体は容易に処理することができる。例えば、均一な固体量子ドットフィルムは、例えば、文献C. R. Kagan et al., "Long-range resonance transfer of electronic excitations in close-packed CdSe quantum-dot solids," Phys. Rev. B 54, 8633 (1996)に記載されているように（この開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる）、標準のスピンコート技術を用いて形成可能である。さらに、表面配位子は、最終の量子ドット固体に、溶媒相溶性および適切な化学安定性を付与するために、選択可能である。上述した相互結合した材料とは対照的に、これらの巨視的な量子ドット固体は、典型的には、分子結合によって一緒に保持されるのではなく、ファン・デル・ワールス力によって保持される。
高品質の光学材料は、材料全体で実質的に均質な光学特性を持つ量子ドット固体で製作可能である。量子ドットの密度は、表面配位子の長さ及び／又は構造を修正することによって、同調可能である。表面配位子の慎重な選択は、連続的な同調可能な密度を、量子ドット固体の体積で約７５％の最大の充填比にまで、好ましくは、約０．００５％と約７５％の間（例えば、体積で約１０％と約７５％の間、体積で約３０％と約７５％の間、体積で約５０％と約７５％の間、あるいは体積で約６０％と約７５％の間）に生成できる。表面配位子は、量子ドット固体を形成した後、加熱または化学処理によって部分的または完全に任意に除去される。より詳細には、表面配位子の長さは、量子ドット間の間隔を規定するために使用可能である。密度制御された量子ドット固体を作成する能力と、マトリクス材料中の可変密度の量子ドットとの組合せによって、量子ドットの濃度およびここで記載した材料の非線形屈折率が、多くの桁数に渡って同調可能である。
量子ドット固体の場合、表面配位子は、本発明の幾つかの実施形態に係る外部マトリクス材料の代わりとなり得る。表面配位子が典型的には除去される、最密充填の量子ドットの場合、量子ドット自体は、これら自体の「固有の」マトリクス材料を形成するとみなされる。本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドット固体は、下記に記載されたような種々の方法で製作可能であり、例えば、文献C. B. Murray et al., "Self-Organization of CdSe Nanocrystallites into Three-Dimensional Quantum Dot Superlattices," Science 270, 1335 (1995), C. R. 、文献Kagan et al., "Long-range resonance transfer of electronic excitations in close-packed CdSe quantum-dot solids," Phys. Rev. B 54, 8633 (1996), 米国特許第６１３９６２６号、Norris et al., 発明の名称典hree-dimensionally patterned materials and methods for manufacturing same using nanocrystals狽Q０００年１０月３１日発行（これらの開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる）。本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドット固体は、種々の異なる量子ドット材料、サイズ、サイズ分布でもって製作可能である。複数の量子ドット材料、サイズ、サイズ分布を備える、混合した量子ドット固体を形成することも可能である。
（人工非線形ナノ複合材料）
本発明の一実施形態は、量子ドットの大きな非線形でサイズ依存の光学特性と、マトリクス材料及び／又は化学的に制御された量子ドット表面の処理可能性および化学安定性とを組み合わせた、人工非線形ナノ複合材料を備える。量子ドットのサイズおよび材料、表面配位子、マトリクス材料、およびマトリクス材料内の量子ドット密度を別々に選択することによって、理想的な非線形光学材料を設計する際に、種々の重要な特性を独立に同調させることができる。
特に、本発明のこの実施形態は、部分的または全体的に総合すれば、公知のものに対して実質的に改善された非線形光学材料を提供する下記のような特性を備える。
１）量子閉じ込めの効果および量子ドット材料の特定の選択は、データビームの関心波長範囲で極めて大きな光学非線形性、特にＲｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］を作成するために用いられ、一方、単一およびマルチ光子吸収特性のエネルギーは、データビームの吸収損失を最小化するために選択され、加熱して共鳴増強効果を最適化している。この最適化は、適切に選択された非縮退の制御ビームおよびデータビームの使用を含むことができる。その代替として、非線形吸収機構は増強することができ、例えば、応用に依存するが、Ｉｍ［χ（３） ｉｊｋｌ］を最適化できる。
２）マトリクス材料は、デバイスへの組み込みプロセスととともに、特定デバイスの構造および材料との物理的および化学的適合性(compatibility)を付与して、所望の化学的および力学的特性を持つように、量子ドットの材料およびサイズに独立して選択される。
３）量子ドットの表面配位子は、選択されたマトリクス材料中への均質な量子ドット組み込みを促進するように選択され、制御された量子ドット凝集を選択されたマトリクス材料中で促進するために、任意に選択される。
４）マトリクス材料中の量子ドット密度は、線形屈折率を正確に同調させて、所定のデバイス構造についての境界条件と整合するように選択される（高屈折率材料の場合、量子ドット固体が使用できる）。
（例１）
この例では、人工非線形ナノ複合材料が、非共鳴または近共鳴の非線形性を利用する非線形方向性カプラに組み込まれた、好ましい実施形態を説明する。本例では、導波コアが、１．５５μｍで１．５２の屈折率を持つドープシリカ(doped silica)で製作される。ドープシリカが広い範囲に渡ってある屈折率を有することは、当業者に認識されよう。本例は、本発明の範囲を限定することを意味せず、本例の変形が任意の屈折率を持つ導波コアに拡張できることは理解されよう。
非線形方向性カプラの場合、光は、２つの導波コア間でエバネセント(evanescently)結合し、１つの導波コアに入る信号は、干渉長の関数として２つの間で発振する。適切な長さを選択することによって、光は、２つの導波コアの一方または他方へ完全に結合できる（即ち、適切なデバイス設計により、一方または他方の導波コアを通じて、「オフ」状態が伝送可能になる）。導波コア間の屈折率を変化させることによって、出力導波コアを、「オフ」状態から、固定長のデバイスのついての別の導波コア（即ち、「オン」状態）にスイッチすることが可能になる。χ（３）ベースの非線形材料からの屈折率変化は、極めて高速な光スイッチングを産み出すことができる。しかしながら、今までは、非線形方向性カプラをベースとした商業的な光スイッチに適切な材料は１つも存在していなかった。
この光学デバイスでの活性材料は、望ましくは、データビームの関心波長範囲で大きな非線形応答を有するべきである。著しい単一またはマルチ光子吸収を同時に回避しつつ、共鳴増強を最大化（主として非共鳴非線形性について）することも望ましい。この時、活性材料の線形屈折率はコア材料のものより小さくすべきで、光が活性領域内で導波される際に、光学モードの攪乱を回避するため、クラッドの残部と接近させることが望ましい。
本例では、図６（ａ）から図６（ｅ）で示すように、該デバイスは、ドープシリカの基板６０６（ｎ＝１．５１５）の上に製作されたドープシリカの導波コア６０２，６０４（ｎ＝１．５５２）を備える。図６（ｂ）に示すように、導波コア６０２，６０４の他の３つの側面は、最初は空気（ｎ＝１）で包囲されており、相互作用領域での導波コア６０２，６０４の間にはスペースがある。そして、導波コア６０２，６０４周りのスペースは、図６（ｃ）に示すように、人工非線形ナノ複合材料６０８（ｎ＝１．５１５）で充填され、基板６０６の導波境界条件と整合している。図６（ｄ）と図６（ｅ）に示すように、相互作用領域をトリガーパルスで照射することによって、導波コア６０２，６０４の間の屈折率が変化して、スイッチとして活性化する。
このスイッチの動作は、従来技術で通常記載されたものとわずかに相違している。不活性状態で２つの導波コア６０２，６０４がエネルギーを交換し、各出力が各入力から実質的に半分のパワーを受け取るように（３ｄＢカプラとして機能）、方向性カプラ長が選択されることを前提条件とすると、よりよく理解できよう。照射が、屈折率が非線形ナノ複合材料６０８中で増加するものである場合、２つの伝搬する導波コア６０２，６０４の間の相互作用が減少するようになり、コア６０２，６０４間で移送されるデータエネルギーの低下をもたらし、スイッチをバー(bar)状態に近い状態にする。照射が、屈折率が非線形ナノ複合材料６０８中で減少するものである場合、２つのコア６０２，６０４の間の相互作用が増加して、コア６０２，６０４間で移送されるエネルギーを増加させ、スイッチをクロス(cross)状態に近い状態にする。この移送関数が周期的であり、非線形ナノ複合材料６０８の屈折率の更なる減少が、クロス状態とバー状態の間の振動をもたらすであろうことは、当業者は認識するであろう。望ましくは、非線形方向性カプラの長さは、不活性状態での幾つかの振動を含んで、振動全体での実効的なバイアスを導くように、選択してもよい。
本例では、人工非線形ナノ複合材料６０８は、ポリ（メチルメタクリレート）ポリマーマトリクス材料（ＰＭＭＡ，ｎ＝１．４９）中に分散した、シリコン酸化物でコートされた、シリコン量子ドット、または有機末端シリコン、またはゲルマニウム量子ドットを備える。ＰＭＭＡは、１．５５μｍ範囲での使用に所望の光学特性を有し、導波路構造を処理するのが容易であることから、ここでは選択している。これらの所望の光学特性の例は、可視波長での高い光学透過率、１５５０ｎｍ付近の比較的低い吸収、低い複屈折（１５５０ｎｍで０．０００２程度に低いものが観測されている）を含む。
１．５５μｍでの縮退した非共鳴スイッチングを最適化するために、約４ｎｍの直径を持つシリコン量子ドットが用いられ、２光子吸収ピークを、関心スペクトルエネルギー範囲より高いエネルギーに配置する。これは、信号損失および発熱をもたらし得る２光子吸収を最小化するのに充分であり、トリガーパルス波長で著しい共鳴増強を維持する。量子ドット材料とサイズのこの特定の組合せはまた、１．５５μｍでχ（３）の最大値を産み出す。近共鳴スイッチングを最大化するため、制御波長および制御波長での量子ドット共鳴の適切な選択は、データ波長での吸収損失を最小化または低減するように選択すべきことが望ましい。
ＰＭＭＡへの量子ドット組み込みを容易にするために、シリコンまたはゲルマニウムの量子ドットは、末端でメタクリレート官能基を持つ長い連鎖を持つ炭化水素を備える配位子層でコートすることができる。その代替として、ＰＭＭＡと相溶性を有する何れの官能基も使用可能である。量子ドットおよびＰＭＭＡは、トルエンなどの有機溶媒中に溶解して、図６（ｃ）に示すようなデバイスに塗布される。ＰＭＭＡの濃度は、最終のナノ複合材料の所望の厚さおよび塗布方法に基づいて、決定される。スピンコートの場合、５％のＰＭＭＡ溶液が適切である。量子ドットの濃度は、成膜後に最終のナノ複合材料が１．５１５の線形屈折率を有するように、選択される。これは、量子ドットの初期濃度を、使用した方法で成膜したＰＭＭＡ量子ドットフィルムの最終の屈折率に校正することによって（吸収特性によって測定するように）決定される。フィルムの線形屈折率は、偏光解析法(ellipsometry)などを用いて測定可能である。
ポリマー量子ドット溶液をデバイス上にスピンコートした後、溶媒は蒸発可能であり、図６（ｃ）に示すように、人工非線形ナノ複合でコートされたデバイスが得られる。導波コア６０２，６０４の全側面周りの屈折率は、特定デバイスについて整合し最適化される。この時、１．５５μｍについてのχ（３）および共鳴条件は、最適なスイッチング性能となるように独立して同調される。本例の最終態様として、トリガーパルスの既知の強度および人工非線形ナノ複合材料６０８の得られる非線形応答に基づいて、最適なスイッチング性能を提供するべく、デバイスの活性長が選択される。これは、トリガーパルスの照射エリアを制限して、図６（ｄ）のように活性エリアを規定したり、または図６（ｅ）のように適切な相互作用長を持つ特定の導波構造を設計することによって、可能になる。実際の活性長は、経験上またはシミュレーションによって決定できる。
導波コアの屈折率を増加させることによって、スイッチの機能性を維持しつつ、実質的により大きな濃度の量子ドットを活性材料へ組み込むことが可能になる。これは、実質的により高いスイッチング効率を生み出すことができる。例えば、図６（ｆ）に示すように、シリコン導波コア６１０，６１２が、〜３．４の屈折率を有する場合、活性材料６１４は、３．３９と等しい又はそれ未満の屈折率を有すべきことが望ましく、活性領域を通じて効率的な導波を達成できる。これは、最密充填の量子ドット固体（結晶性でもアモルファスでも）と同程度に高い量子ドット密度を可能にする。
（例２）
本発明の実施形態の柔軟性を強調するため、この例は、第２の好ましい実施形態を説明するもので、人工非線形ナノ複合材料は、導波非線形マッハツェンダ（ＭＺ）干渉計で使用される。この場合、図７（ａ）から図７（ｆ）までに示すように、１．５５μｍで２．４の屈折率を持つ部分酸化したシリコンで、導波コアが製作される。同様に、部分酸化したシリコンは、ある範囲の屈折率を有することができ、２．４は、本発明の範囲を限定することを意味しないことは、当業者にとって明らかとなろう。他の可能な屈折率を備える本例についての変形は、特定の応用に応じて使用可能である。
本例の非線形ＭＺＩにおいて、導波コアに沿って進行するデータ信号は、両者間で所定の位相関係を持つ、分離した非結合の２つのアームに分割される。信号は、所定の長さだけアームに沿って進行し、そして再結合される。各アームでの光伝搬から得られる位相差は、出力導波コアにおいて信号の建設的または破壊的な干渉をもたらす。アームの一方または両方の屈折率を変調し、信号間での相対的な０からπの位相シフトを作成することによって、出力信号は、スイッチオンまたはスイッチオフが可能になる。屈折率の更なる変化は、オン状態とオフ状態の間で周期的な交換をもたらすことは、当業者は理解するであろう。χ（３）ベースの非線形材料からの屈折率変化は、極めて高速な光スイッチングを産み出すであろうが、今までは、本デバイスベースの商業的なスイッチに適切な材料は１つも存在していなかった。
上記の例のように、本デバイスでの活性材料は、関心波長範囲で高い非線形応答を有し、著しい吸収が無いことが望ましい。しかしながら、この場合、非線形材料は、導波コア内へ直接に組み込まれる。それ自体、人工非線形ナノ複合物の屈折率は、クラッド材料より大きく、コアの屈折率に近く、光が活性領域中へ移動する際の光学モードの攪乱を回避することが望ましい。
本例では、図７（ａ）に示すように、該デバイスは、シリカ基板（ｎ＝１．４５）の上に製作され、シリカクラッドにより３つの側面が包囲された、部分酸化の導波コア（ｎ＝２．４）を備える。導波コアの上面は、空気（ｎ＝１）と境界で接している。導波アームの一方のセクションは、図７（ｂ）に示すように、エッチング除去され、図７（ｃ）に示すように、人工非線形ナノ複合材料（ｎ＝２．４）で充填され、導波コアの境界条件と整合しており、そして図７（ｄ）に示すように、研磨される。図７（ｅ）と図７（ｆ）に示すように、活性領域をトリガーパルスで照射することによって、一方のアームでの屈折率が変化して、スイッチとして活性化する。本例の好ましい人工非線形ナノ複合材料は、２．４に同調した屈折率を持つ最密充填された量子ドット固体内へ形成され、シリコン酸化物でコートされたシリコン量子ドットを備える。
１．５５μｍでのスイッチングを最適化するために、直径４ｎｍを持つシリコン量子ドットが用いられ、２光子吸収ピークを、関心スペクトルエネルギー範囲より高いエネルギーに配置する。これは、トリガーパルスによるデバイスの信号損失および可能性ある発熱をもたらし得る２光子吸収を除去または低減するのに充分である。材料とサイズのこの特定の組合せはまた、１．５５μｍでχ（３）の最大値を産み出す。近共鳴スイッチングを最大化するため、制御波長および制御波長での量子ドット共鳴の適切な選択は、データ波長での吸収損失を最小化または低減するように選択すべきことが望ましい。
導波アーム内で正確な屈折率制御を達成するために、表面配位子は、最終の量子ドット固定内での特定の粒子−粒子間隔を産み出すように選択すべきことが望ましい。これは、使用すべき方法で形成された、量子ドットが異なるタイプの表面配位子を備えている多くの薄膜の屈折率を測定することによって、達成可能である。偏光解析法などを用いることによって、各タイプの表面配位子および成膜方法から得られる屈折率を決定でき、最終のデバイス成膜の最適条件を決定するために校正することができる。本例の場合、屈折率２．４は、体積で７０％の充填密度にほぼ対応している。この場合、ブチル基や他のアルキル基などの、短鎖の炭化水素が好ましい。
量子ドットは、ヘキサンまたはトルエンの溶媒中で、デバイスの表面にスピンコートされ、図７（ｃ）に示すような導波アームのオープン領域を充填する。表面から溢れ(overflow)を研磨することによって、導波アームでの材料厚さは制御可能であることから、低速なスピン速度が好ましい（１０００ｒｐｍ）。溶液中の量子ドット濃度は高くすべきであり、好ましくは１ｎＭから１Ｍの範囲、より好ましくは１０μＭから１ｍＭの範囲である。
スピンコート後、溶媒は蒸発可能であり、図７（ｃ）に示すような導波アームのオープン領域を充填した、最密充填の量子ドット固体を作成する。そして、表面は研磨され、図７（ｄ）に示すような活性領域において、デバイスの上面に光学品質の界面を提供する。人工非線形ナノ複合物の屈折率は、アームの導波コアと整合して、特定デバイスのために最適化される。この時、１．５５μｍについてのχ（３）および共鳴条件は、最適なスイッチング性能となるように独立して同調される。本例の最終態様として、トリガーパルスの既知の強度および人工非線形ナノ複合材料の得られる非線形応答に基づいて、最適なスイッチングを提供するように活性長が選択される。これは、図７（ｅ）のように導波アームのエッチング長を所望の活性長に設計したり、または図７（ｆ）のようにトリガーパルスの照射エリアを制限することによって、可能になる。特定の活性長は、経験上またはシミュレーションによって決定できる。
その代替として、非線形ＭＺ干渉計は、図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、導波コアの一部をエッチングすることなく、組み立てることができる。この場合、人工非線形ナノ複合材料は、図８（ｂ）に示すように、デバイス全体の上面に単に流し込みが可能であり、図８（ｃ）に示すように過剰部分は除去し、活性材料は各アームを通過する信号と徐々に接触するようになる（他の場所も同様）。アームの一方または両方の一部を照射することによって、活性領域は、図８（ｄ）に示すように規定できる。この好ましい実施形態では、人工非線形ナノ複合材料は、部分酸化したシリコンコアでの導波機能と互換性のある屈折率（例えば、ｎ＜２．４）を有するように設計すべきことが望ましい。同様に、このナノ複合材料は、最密充填の量子ドット固体であることが好ましい。
上記例のいずれにおいて、更なる化学処理工程が必要となった場合、マトリクス材料及び／又は表面配位子を選択して、必要な条件下で人工非線形ナノ複合物の安定性を付与することも可能であろう。
本実施形態は、これらの光学デバイスでの使用のために劇的に増加した非線形応答を非線形材料に提供するだけでなく、同時に、最適な屈折率、２光子吸収、近共鳴増強、各応用についての処理可能性を有するように、人工的に設計された材料を提供する。光学的、化学的、機械的な特性についてのこのレベルの独立制御は、他の材料では存在しない。
（好ましい量子ドットマトリクス）
本発明の幾つかの実施形態に係る好ましい量子ドットは、充分に皮膜保護された表面を持つ欠陥フリーの量子ドットを実質的に備える。好ましい量子ドットはまた、好ましくは、関心光子エネルギー範囲（例えば、データビームについて）より大きいバンドギャップエネルギーを備え、意図した応用に関して、関心光子エネルギー範囲の２倍より大きい（主として非共鳴非線形について）ことがより好ましい。これらの要件を維持しつつ、量子ドットの材料およびサイズは交換可能なものである。特定の材料およびサイズは、特定の応用のための光学特性設計に必要なように選択可能である。下記のものは、本発明の幾つかの実施形態に係る一定の好ましい特性を提供する。
ａ）コア−シェル量子ドット
コア−シェル量子ドットは、欠陥が電子または正孔のトラップを量子ドットコアの表面に生成するため、特に好ましい。これらのトラップは、量子ドットの電気的および光学的特性を劣化させて、低エネルギー状態を材料のバンドギャップ内に作成する。量子ドットコアの表面での絶縁層は、界面での化学ポテンシャルを上昇させ、トラップとして機能するエネルギー状態を除去できる。驚くことに、これらのトラップ状態は、実際には、効率的なスイッチングを妨害したり、単一またはマルチ光子吸収に寄与することによって、材料のＦＯＭを減少させる。さらに、シェルは、酸化、還元または溶解などの化学的相互作用からコア材料を物理的に保護するように作用する。例えば、本発明の一実施形態は、本来は不安定なシリコンまたはゲルマニウムの量子ドットを安定化させるためのシェルの使用に関連している。任意ではあるが、シェルは、量子ドットへの分子の共有結合または非共有結合にとって適切な化学表面を提供することができ、コア材料はこうした結合のための適切な表面を提供していても、していなくてもよい。
好ましくは、量子ドットは、実質的に欠陥フリーであることである。実質的に欠陥フリーによって、量子ドット内部には量子ドット当たり１個より少ない欠陥しか存在しないことを一般には意味し、好ましくは量子ドット当たり実質的に１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０００個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０６個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０９個当たり１個より少ない欠陥である。典型的には、量子ドット内のより少ない数の欠陥は、フォトルミネセンス量子効率の増加をもたらす。本発明のある実施形態では、実質的に欠陥フリーの量子ドットは、典型的には、６％より大きい量子効率、好ましくは１０％より大きく、より好ましくは２０％より大きく、より好ましくは３０％より大きく、より好ましくは４０％より大きく、より好ましくは５０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示すであろう。
好ましくは、コアは、実質的に結晶性で、実質的に欠陥フリーであることである。実質的に欠陥フリーによって、コア内部には量子ドット当たり１個より少ない欠陥しか存在しないことを一般には意味し、好ましくは量子ドット当たり実質的に１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０００個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０６個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０９個当たり１個より少ない欠陥である。
同様にして、シェル及び／又は界面領域は、好ましくは、実質的に欠陥フリーであることであり、シェル及び／又は界面領域内部には量子ドット当たり１個より少ない欠陥しか存在しないことを一般には意味し、好ましくは量子ドット当たり実質的に１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０００個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０６個当たり１個より少なく、より好ましくは量子ドット１０９個当たり１個より少ない欠陥である。
ｂ）サイズおよびサイズ分布
本発明の幾つかの実施形態の量子ドットについての他の好ましい特性は、文献での結果および予想に反して、全光スイッチングまたは処理のための性能指数（ＦＯＭ）が、サイズ分散に対してかなり鈍感となることである。図９は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を持つ全光スイッチングの性能指数（ＦＯＭ）を量子ドットサイズの関数として示す。ここで、ナノ複合材料は、ここで説明した方法で製作したゲルマニウム量子ドットを含む。この場合、ＦＯＭは、２γ／βλで定義され、非共鳴非線形性への応用が可能である。有効な全光スイッチングの指標は、ＦＯＭ＞１である。図９は、全光スイッチング用のＦＯＭが、量子ドットのサイズにどのように依存しているかを示す。大きなサイズ分散、例えば、３ｎｍから６ｎｍの範囲の直径について、ＦＯＭが１を超えていることが判る。ここで説明した別の量子ドット、例えば、シリコン量子ドットでも同様な結果が得られる。それ故、本発明の幾つかの実施形態は、量子ドットについて実質的に単分散のサイズ分布の必要性を回避しつつ、非線形材料としての量子ドットの従前の使用よりもスイッチング特性および効率を実質的に改善している。サイズ分布の効果、特に、スイッチングのＦＯＭが量子ドットサイズにどのように依存するかは、従前は詳細に検討されていなかった。
ｃ）形状および形状分布
量子ドットは、回転楕円体(spheroid)、ロッド、ディスク、ピラミッド、立方体(cube)、複数の幾何学的および非幾何学的な形状を非限定的に含むような、いろいろな形状で製作可能である。球対称でない形状については、配向の分布は、入射光が遭遇するサイズ分布の実効的な広幅化(broadening)をもたらすことがある。マトリクス材料内部の量子ドットの配向の必要性を回避するため、好ましい量子ドット形状は、本発明の幾つかの実施形態に従って、球状である。球状の量子ドットは、配向した量子ドットを備えるナノ複合物にとっても好ましい。その代替として、他の好ましい実施形態は、１±（％サイズ分布）の間に制限されたアスペクト比、または約０．８と約１．２の間のアスペクト比を持つ、回転楕円体または実質的に球状の量子ドットを備える。この場合、配向は、スペクトル特性の不均質な広幅化において重要な役割を演じない。同様な理由で、好ましい量子ドットはまた、形状について実質的に単分散であることである。形状及び／又は形状分布の重要性に関するこれらの検討は、非線形材料としての量子ドットの使用で改善をもたらす。
線形および非線形の光学特性の広幅化についての相対的な配向依存性が、量子ドットサンプルのサイズ分布から由来する広幅化よりも小さければ、任意の形状でも好ましいことを認識すべきである。
ｄ）コアの結晶構造
形状について上述したものと同様な理由で、本発明の幾つかの実施形態に係る好ましい量子ドットは、球対称の、より好ましくは立方晶またはダイヤモンド結晶構造の結晶構造を持つコアを有することである。その代替として、結晶構造は、非球対称でもよく、好ましくは円柱対称でもよく、より好ましくはウルツ鉱(wurtzite)結晶構造でもよい。
線形および非線形の光学特性の広幅化についての相対的な配向依存性が、量子ドットサンプルのサイズ分布から由来する広幅化よりも小さければ、任意の結晶構造でも好ましいことを認識すべきである。同様に、結晶構造の重要性に関してここで記載した検討は、非線形材料としての量子ドットの使用で改善をもたらす。
ｅ）半導体材料
本発明の幾つかの実施形態にとって好ましい、種々の量子ドット材料が存在する。所定の応用で好ましい材料は、その応用についての特定の光学的条件に基づいて決定できる。こうした好ましい材料の例は、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｃを非限定的に含むＩＶ族半導体材料、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＣｄＯ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＨｇＯ，ＭｇＳ，ＭｇＳｅ，ＭｇＴｅ，ＭｇＯ，ＣａＳ，ＣａＳｅ，ＣａＴｅ，ＣａＯ，ＳｒＳ，ＳｒＳｅ，ＳｒＴｅ，ＳｒＯ，ＢａＳ，ＢａＳｅ，ＢａＴｅ，ＢａＯを非限定的に含むＩＩ−ＶＩ族半導体材料、ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂを非限定的に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体材料、ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，ＰｂＯを非限定的に含むＩＶ−ＶＩ族半導体材料、ＧｅＳｅ，ＳｎＳ，ＳｎＳｅ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，ＺｎＧｅＡｓ２，ＺｎＳｎＰ２，ＺｎＳｎＡｓ２，ＣｄＳｉＡｓ２，ＣｄＧｅＰ２，ＣｄＧａＡｓ２，ＣｄＳｎＰ２，ＣｄＳｎＡｓ２を非限定的に含むこれらの混合物、これらの族間または族内の任意の組合せからなる三元または合金化された化合物、からなる無機結晶を非限定的に含む。
多くの半導体材料からなる量子ドットが、少なくとも部分的にいろいろな方法を用いて製作可能である。幾つかの好ましい合成方法は、下記のようにＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族の半導体について記載されたものを含む。米国特許第５９９０４７９号（Weiss et al., 発明の名称徹rgano Luminescent semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes煤A１９９９年１１月２３日発行）、米国特許第５２６２３５７号（Alivisatos et al., 発明の名称鏑ow temperature thin films formed from nanocrystal precursors煤A１９９３年１１月１６日発行）、米国特許第５５０５９２８号（Alivisatos et al., 発明の名称撤reparation of III-V semiconductor nanocrystals煤A１９９６年４月９日発行）、文献（C. B. Murray et al., "Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites, " J. Am. Chem. Soc. 115, 8706 (1993)）、論文（C. Murray, "Synthesis and Characterization of II-VI Quantum Dots and Their Assembly into 3-D Quantum Dot Superlattices" (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, 1995)）。これらの開示内容はそれぞれの参照によって全体がここに組み込まれる。
量子ドット上の幾つかのタイプのシェルの製作は、種々の方法を用いて実施できる。好ましい方法は、論文（X. Peng et al., "Epitaxial Growth of Highly Luminescent CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals with Photostability and Electronic Accessibility," J. Am. Chem. Soc. 119, 7019 (1997)）、論文（B. O. Dabbousi et al., "(CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites," J. Phys. Chem. B 101, 9463 (1997)）に記載されたものを含み、これらの開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる。
量子ドットでの使用に好ましい２つの材料は、本発明の幾つかの実施形態に係るシリコンとゲルマニウムである。ＳｉとＧｅは、１．６ｅＶより小さいバルクエネルギーギャップを有し、量子閉じ込めを利用する量子ドットを製作する理想的な材料となり、遠距離通信波長（光子エネルギーは、典型的には〜０．８ｅＶ）での光学非線形性を増強する。ＩＶ族材料の理想的な化学現象（後述のような）は、これらの選択をさらに固めさせる。
さらに、ＩＶ族材料（例えば、ＳｉとＧｅ）の電子親和力またはイオン化ポテンシャルは、有機および無機の表面配位子と強く安定した共有結合を形成するのに従順な材料とならしめて、この目的に理想的なものとなり、適度に極端な環境条件だけでなく、環境中でも安定した量子ドットを可能にしている。この能力の重要性は、よりイオン性の材料から成る量子ドットの表面が、あまり好ましくなく、より弱いファンデルワールス結合、水素結合またはイオン結合に関連する、覆うための界面活性剤やイオン種をしばしば必要とすることを認識することによって、よりよく理解できる。これらのよりイオン性の量子ドット材料の例は、ＣｄＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族材料を含む。これらのよりイオン性の量子ドットは、量子ドット表面と表面配位子との間でより望ましい共有結合を実現するように、イオン性量子ドットを修正するために、複雑な処理をしはしば必要とする。例えば、コア量子ドット材料とは異なる材料からなる表面層が、典型的には、イオン性の量子ドット表面に追加される必要があり、付着した表面層は表面配位子と共有結合しやすくなる。こうした表面層の例は、ＣｄＳからなるものである。
さらに、ＩＶ族材料（例えば、ＳｉとＧｅ）の化学特性は、キャリアを閉じ込めて、表面トラップを軽減するために表面を皮膜保護する安定した酸化物が形成できることである。
さらに、ボーア励起子はＧｅ中で比較的大きく（〜１２ｎｍ）、ここでいろいろなセクションで検討したように、量子閉じ込めの有益な効果が妥当となる大きなサイズ範囲を提供する。
（新規な量子ドット材料）
一実施形態では、量子ドットは、無機層（例えば、シリコンとゲルマニウムの酸化物など）及び／又は有機及び／又は無機の表面配位子（ここでは、ときどきＳｉＱＤおよびＧｅＱＤとそれぞれ称する）で、表面が皮膜保護（または終端）されたシリコン量子ドットまたはゲルマニウム量子ドットである。ここで説明したようなＳｉＱＤおよびＧｅＱＤは、極めて広い範囲に渡って、特に近赤外から近紫外まで同調可能なサイズ依存の特性、例えば、サイズ依存のエネルギーギャップなどによって明らかとなるように、決定的な量子閉じ込め効果を示す新規タイプの量子ドットである。さらに、ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤは、周囲（例えば、圧力：〜１気圧、ガス：〜７０％窒素と〜３０％酸素、温度：〜２０−２５℃）を含むいろいろな環境条件下で、特定の応用に依存した所望の時間は安定している。ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤは、ＳｉＱＤについては実質的にＳｉコアで、ＧｅＱＤについては実質的にＧｅコアで構成できる。さらに、ＳｉＱＤの「表面」は、Ｓｉと、酸素などの無機元素及び／又は有機配位子（Ｒ）とで構成できる。さらに、ＧｅＱＤの「表面」は、Ｇｅと、酸素などの無機元素及び／又は有機配位子（Ｒ）とで構成できる。
本発明の一実施形態では、ＳｉＱＤは、実質的に欠陥フリーのシリコン結晶コアを備え、その直径は約１ｎｍと約１００ｎｍの間であり、好ましくは約１ｎｍと約２０ｎｍの間であり、より好ましくは約１ｎｍと約１０ｎｍの間である。ＧｅＱＤは、実質的に欠陥フリーのゲルマニウム結晶コアを備え、その直径は約１ｎｍと約１００ｎｍの間であり、好ましくは約１ｎｍと約５０ｎｍの間であり、より好ましくは約１ｎｍと約２０ｎｍの間である。シリコンまたはゲルマニウムのコアを包囲する無機シェルの場合、このシェルは、典型的には、約０．１と５ｎｍの間の厚さを有する。１つの好ましい無機シェルは、ＳｉＱＤについてはＳｉＯｎ、ＧｅＱＤについてはＧｅＯｎであり、ｎは、約０と約２の間であり、好ましくは約１．５と約２の間であり、最も好ましくは約１．８と約２の間である。シェルの化学組成（例えば、Ｓｉ（またはＧｅ）とＯの相対量）は、潜在的にはシェルの一部で連続的に変化しており、任意にはシェルの一部で不連続で変化している。この場合、ｎはシェル内部での平均値を表す。表面を終端する有機表面配位子の場合、ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤは、構造Ｒを持つ有機分子を備える配位子層を備えることができる。Ｒは、 いろいろな疎水性、親水性または両親媒性の分子のいずれか１つである（好ましい表面配位子のリストは後述する）。表面配位子は、利用可能なシリコン（またはゲルマニウム）の表面被覆と、表面での酸素結合サイトを提供でき、約０％と約１００％の間の表面被覆、好ましくは約２０％と約１００％の間の表面被覆、より好ましくは約５０％と約１００％の間の表面被覆、より好ましくは約８０％と約１００％の間の表面被覆を提供し、最大限で１つ又はそれ以上の完全層の表面配位子を伴う。Ｒは、複数の異なる有機分子を複数の絶対的および相対的な密度で任意に備えることができる。最後に、ＳｉＱＤまたはＧｅＱＤは、量子ドット表面と直接に相互作用せず、むしろ表面と直接に相互作用する別のＲ基を通じて間接的に相互作用する、追加のＲ基を任意に備えてもよい。この場合、１００％より大きい表面被覆があり得る。
周囲に対して安定した、所定の酸化物シェルを持つシリコン量子ドットまたはゲルマニウム量子ドットの生産は、安定したトラップフリーの表面酸化物シェルを成長させる際の困難さに起因して、達成できないと長く考えられていた。こうして、ここで説明したＳｉＱＤまたはＧｅＱＤは、実質的な進歩を示している。
本発明の幾つかの実施形態に係るＳｉＱＤおよびＧｅＱＤを製造する方法について説明する。しかしながら、本発明は、ここで説明したものに加えて別の種々の方法で合成されたＳｉＱＤまたはＧｅＱＤに言及していることに留意すべきである。本発明の幾つかの実施形態は、実質的に結晶性のＳｉまたはＧｅコアと、実質的に非結晶性の無機（例えば、酸化物）シェルまたは有機配位子層との一般的特性を維持しながら製作した、ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤについて、いろいろな可能性ある変形の組成を包含している。
（方法１−「トップダウン」手法）
本発明の幾つかの実施形態の量子ドットを形成する一般的方法は、「トップダウン」手法に関連しており、「バルク」材料は、量子ドット形態のナノ構造材料に変換される。この手法では、ある形態のエネルギーが、量子ドットを製作すべくある形態の材料に印加される。材料は、バルク形態とすることができ、よって用語「トップダウン」と称する。バルク形態の材料は、好ましくは細かいパウダーに変換され、できる限り微細であることが好ましく、より好ましくは、ナノメータのサイズ領域（例えば、約１ｎｍと約１００ｎｍの間）の粒子が、量子ドットを製作すべく材料で構成される。微細パウダーを用いる利点は、所望の量子ドットを得るのに、より短い処理時間ですむことである。印加エネルギーは、例えば、音響や振動エネルギー（例えば、音エネルギー）、光学エネルギー（例えば、光エネルギー）、電気エネルギー、磁気エネルギー、熱エネルギー、化学エネルギー、またはこれらの何れかの組合せ、という形態をとりえる。最終量子ドットのより精密なサイズ制御は、１つより多いエネルギー源を開始材料に印加することによって、実施できる。複数のエネルギー源は、同時に印加可能であり、あるいはいろいろな順序の組合せでも印加可能である。これにより所望の量子ドットを得るのに、より短い処理時間ですむ。印加されたエネルギーは、開始材料をより小さい粒子にバラバラにしたり破壊したりし、及び／又は、例えば、より小さい粒子をバラバラにしたり破壊する（例えば、「消費する」）ことによって、開始材料をより大きい粒子に「成長」させる。本質的には、この方法は、開始材料を所望のナノ構造の形態に発展させる。これにより、ここで説明したユニークな量子ドットが得られ、コアとシェルの間の欠陥フリーの界面領域と同様に、安定して、形が良好で、実質的に欠陥フリーの無機シェルがＱＤの表面に形成される。このシェルは、周囲を含む種々の環境条件下で、高い安定性をＱＤに付与する。酸化物シェルの特定の場合、酸化物は安定で、実質的に欠陥フリーである。
本発明の幾つかの実施形態の量子ドットを形成する「トップダウン」方法の特定の例は、下記のものである。
（例１：酸化物末端のＳｉＱＤ）
Ｓｉからなるパウダー形態は、本発明の幾つかの実施形態としてＳｉ量子ドットを製作できるものであり、多孔質シリコン（ＰＳｉ）から誘導される。ナノ構造のＰＳｉ層は、除去され、微細パウダーとなる。そして、エネルギーが、超音波処理(sonication)による音響エネルギーおよび光源を用いた照射による光エネルギーの形態で印加される。ＳｉＱＤのサイズは、超音波処理の持続時間およびパワーによって（より長く高いパワーの超音波処理は、より小さい量子ドットを生じさせる）、そして光源の特性によって（より短い波長でより長い照射時間は、より小さい量子ドットを生じさせる）、決定される。
本例での方法は、安定した酸化物表面末端を持つ、安定した、形の良好な量子ドットを形成するのに充分な超音波処理時間を用いる。これは、従前は利用できなかった。さらに、該方法は、量子ドットのサイズを、超音波処理時間によって制御可能にする。さらに、該方法はまた、量子ドットのサイズおよびサイズ分布を制御する手段として、光照射を用いており、より短い照射波長とより長い照射時間は、より小さい量子ドットと狭いサイズ分布をもたらす。この光照射は、量子ドットのサイズおよびサイズ範囲について、従前に利用していたものよりも、より良い制御を可能にし、本発明の一実施形態では、直径で〜１ｎｍから〜６ｎｍの範囲のサイズとなる。
本発明の方法からの結果、周囲を含む種々の環境条件下で安定した酸化物末端のＳｉＱＤが得られる。この安定性は、安定して実質的に欠陥フリーの酸化物シェルおよびコアとシェルの間の界面領域から大きく由来している。
ＰＳｉは、例えば、文献（A. G. Cullis et al., "The structural and luminescence properties of porous silicon," J. Appl. Phys. 82, 909 (1997)）（この開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる。）に記載されたような、ｐドープまたはｎドープのシリコンの陽極電気化学エッチングを非限定的に含むいろいろな方法を用いて形成される。１つの好ましい方法は、複数の配向、好ましくは（１００）配向、を持つ、ｐ型（例えば、ホウ素ドープ）シリコン（Ｓｉ）ウエハで開始する。ウエハの抵抗率は、０．０２Ω−ｃｍから３０Ω−ｃｍの範囲が好ましい。ウエハは、約５００−６００ミクロンの間の厚さが好ましい。ウエハへの電気接触は、ウエハの裏面に成膜された金属の薄い層（例えば、アルミニウムまたはプラチナで、約１００−５００ミクロンの間の厚さが好ましい）を介して行われる。陽極電気化学エッチングは、フッ化水素酸水溶液（ＨＦ，好ましくは４８重量％）とエタノールを備える溶液中に置かれたウエハ上で実施される。ＨＦ水溶液に対するエタノールの重量パーセントは、約０％と約６０％の間の範囲であり、好ましくは約４５％と約５５％の間である。対向電極として、いろいろな導電性材料、例えば金属が使用可能である。こうした金属の例は、アルミニウム、銅、黄銅、プラチナを非限定的に含む。
シリコンウエハと電気接触する金属層は、任意ではあるが、金属層を溶液から隔離することによって、酸性溶液での腐食から保護してもよい。これは、エッチング液が実質的に基板のシリコン側にのみ接触するように、シリコン表面をガスケットでシールすることによって、達成できる。その代替として、電極金属は、選択したエッチング条件下で比較的不活性であるものを選択でき、あるいは後述するエッチング手順を耐えるのに充分な厚さを持つものを選択できる。
Ｓｉウエハの電気化学エッチングは、いろいろな持続時間で（開始パラメータに依存して、約２分と約２００分の間）、約５と約１０００ｍＡ／ｃｍ２の間の一定の電流密度を用いて実行され、好ましい電流密度としては約６０ｍＡ／ｃｍ２、好ましいエッチング時間としては約３０分である。エッチング後、Ｓｉウエハの表面には、ＰＳｉを含むナノ構造材料からなる薄い層（厚さで約１０ミクロンと約１ｍｍの間）が残る。ＰＳｉの ルミネセンスのピークは、典型的には、６００ｎｍから８００ｎｍ（または８００ｎｍより大きい）までの範囲である。
ＰＳｉは、任意であるが、脱イオン水でリンスされ、窒素ガス流で乾燥して、真空チャンバに置かれる。チャンバは、数時間、適度の圧力、好ましくは１Ｔｏｒｒ、より好ましくは５００ｍＴｏｒｒ未満、最も好ましくは１００ｍＴｏｒｒ未満に減圧される。そして、サンプルは、溶媒フリーの環境（例えば、乾燥箱）に移送される。そして、ナノ構造のＰＳｉ層は、Ｓｉ基板から機械的に除去または削られて（例えば、ナイフエッジや小刀(scalpel)を用いて実施可能）、除去された材料は回収される。ナノ構造のＰＳｉ層は、第２の電気化学エッチングプロセスによってもＳｉウエハから分離できる。該プロセスでは、低い濃度のＨＦ／Ｈ２Ｏ（好ましくは０．５％と２％の間）と高い電流密度（好ましくは１６０ｍＡ／ｃｍ２より大きい）が数分間用いられ、陽極酸化したナノ構造のＰＳｉ層をＳｉ基板から分離できる。
ＰＳｉ層がシリコン基板から分離した後、ＰＳｉは微細パウダーに磨りつぶされ（例えば、乳鉢と乳棒、及び／又は機械的撹拌器を用いて）、直径約１インチのウエハ表面エリアから約２５から約４０ｍｇのＰＳｉパウダーを産出する。該パウダーのＰＬスペクトルピークは、赤スペクトル領域にあり、電気化学条件に依存して、６００ｎｍから８００ｎｍより大きいところまでの範囲に及ぶ。そして、溶媒がＰＳｉパウダーに添加される。好ましい溶媒は、アセトニトリル、トルエン、ヘキサン、メタノール、エタノール、エチレングリコール、および水を非限定的に含む。有機溶媒の場合、溶媒は、ＰＳｉに添加する前に、脱水剤(dehydrant)（例えば、水素化カルシウムまたは硫酸マグネシウム）で乾燥し、蒸留し、脱ガスしてもよい。
得られたＰＳｉパウダーと溶媒の混合物は、浴槽中に置かれて、音響波または音エネルギーを用いてある時間、超音波処理(sonicate)される。音響エネルギーを開示してが、上述のように、別のタイプのエネルギーを用いてもよいことが理解されよう。超音波処理は、音響波を放出したり、強力に撹拌したり、パウダーを震動させる種々の設備で実施でき、超音波浴槽が特に便利な方法である。
混合物での量子ドットのサイズおよびサイズ分布は、超音波処理の持続時間を変えることによって、制御可能である。超音波処理に必要な正確な時間は、超音波処理器の音響パワー、使用する溶媒、ＰＳｉパウダーのナノ構造の初期のサイズおよびサイズ分布、等を含む多くの要因に依存し、超音波処理の特性は、使用する特定の処理条件について校正されるべきである。最適な超音波処理の持続時間を決定する要因は、結果として得られる量子ドットの所望のサイズを達成するのに必要な時間であり、即ち、超音波処理は、所望の量子ドットサイズに達するまで（例えば、コアが所定又は所望の範囲の直径に形成されるまで）続けられる。一般に、超音波処理時間が増加するにつれて、量子ドットのサイズは減少し、量子ドットのサイズは、量子ドットのコロイド懸濁液のエネルギーギャップまたはフォトルミネセンスのピーク波長によって決定できる。シリコン量子ドットに関して、量子ドットサイズとエネルギーギャップとの関係およびＰＬピーク波長と量子ドットサイズとの関係は、図２、図３に関して前述している。それ故、コロイド懸濁液のフォトルミネセンススペクトルは、超音波処理中に定期的に測定され、超音波処理の進行をモニタできる。典型的には、ＰＬピーク波長は、超音波処理中により短波長へシフトする（より小さいピークサイズへのシフトに対応している）。いったん所望の量子ドットサイズを与えるのに用いた処理条件について超音波処理時間が校正されると、この方法は、極めて一貫性した結果を得ることができる。
超音波処理の最適な持続時間を決定するために使用できる他の要因は、結果として得られる量子ドットについての所望のシェルを達成するのに必要な時間であり、例えば、超音波処理は、酸化物シェルがここで説明したような所望の特性を持つように形成されるまで、続けられる。必要に応じて、超音波処理時間は、所望のフォトルミネセンス量子効率を与えるのに用いた処理条件について校正可能である。
上述のように、超音波処理時間と得られる量子ドットサイズとの正確な関係は、各特定の製造の設定および条件を用いて校正するのに必要になる幾つかのパラメータに依存している。下記のものは、参照ポイントとして機能する例である。８０Ｗの超音波処理パワーで、溶媒としてメタノールを用いて、１０日間の超音波処理時間で、直径が〜１．５−１．７ｎｍの平均サイズを持つ、近紫外−青で発光する酸化物末端のＳｉ量子ドットが得られた。３日間の超音波処理時間では、直径が〜２．５ｎｍの平均サイズを持つ、緑で発光する量子ドットが得られた。１日間の超音波処理時間では、直径が〜３．６ｎｍの平均サイズを持つ、赤で発光する量子ドットが得られた。
超音波浴槽から移動すると、混合物は沈殿可能になり、遠心分離され、上澄み液は、大きな粒子を除去するためにろ過される。フィルタの好ましい孔サイズは、約２０ｎｍと約４５０ｎｍの間である。フィルタは、異なるサイズの量子ドットを分離するためにも使用可能である。さらに、クロマトグラフィー、詳しくは、ゲル浸透(permeation)クロマトグラフィーやサイズ排除(exclusion)クロマトグラフィー、などの別の分離技術が、異なるサイズの量子ドットを分離するために使用できる。その結果、種々のサイズの酸化物末端Ｓｉ量子ドット（ＳｉＱＤ）のコロイド懸濁液が得られ、これは周囲（室温、圧力、大気）を含むいろいろな環境条件で安定している。
上述のように、最終の量子ドットについてのより正確なサイズおよびサイズ分布の制御は、１つより多いエネルギー源を開始材料へ印加することによって、達成できる。１つの好ましい方法では、２つのエネルギー源が開始材料へ印加される。追加した好ましいエネルギー源の１つは、光エネルギーである。好ましい方法の本例では、サンプルは、超音波処理の間またはこれに続いて、光で照射される。光源は、ランプ（例えば、タングステン、キセノン、水銀）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、または適切な波長で発光可能な他の光源とすることができ、「適切な波長」は後述する。その代替として、照射は、電気化学エッチングプロセス中に実施可能である（Ｓｉウエハのエッチング表面が照射される）。得られる量子ドットのサイズは、波長、強度、スペクトル幅、照射時間を含む多くのパラメータによって決定される。好ましくは、照射波長は、制御すべき量子ドットサイズの少なくとも一部に光が吸収されるスペクトル領域の範囲内とすべきである。詳しくは、量子ドットのサイズ分布内では、照射波長が長くなるほど、得られる量子ドットのサイズが大きくなる。より詳しくは、特定サイズのＳｉＱＤを得るために、サンプルは、所望のＳｉＱＤのエネルギーギャップとほぼ等しい光子エネルギーで照射すべきである。この効果は、照射の持続時間及び／又は強度を増加させることによって、強調されることがある。特に、混合物中の量子ドットのサイズおよびサイズ分布は、照射時間を変えることによって、制御可能である。最適な照射時間は、結果として得られる量子ドットについての所望のサイズ及び／又はサイズ分布を達成するのに必要な時間であり、即ち、照射は、所望の量子ドットサイズに達するまで（例えば、コアが所定又は所望の範囲の直径に形成されるまで）、及び／又は所望のサイズ分布に達するまで（例えば、実質的に単分散の量子ドットが形成されるまで）続けられる。
特定の合成パラメータに関して、照射波長、照射強度、照射時間、量子ドットサイズの間の正確な関係は、超音波処理方法だけの場合で行ったようにして、校正すべきである。これは、所望の量子ドットへの進行インジケータとして、エネルギーギャップ、ピーク波長またはフォトルミネセンスの広がりを照射中に何回かモニタすることによって、達成できる。典型的には、フォトルミネセンスは、照射プロセス中に、より短波長へのシフトする（より小さいピークサイズへのシフトに対応して）ピーク波長と、狭くなる（より狭いサイズ広がりへのシフトに対応して）波長広がりを有する。
下記のものは、参照ポイントとして機能する例である。５０ｍＷで４００ｎｍのレーザ光を用いて、５日間、上述のように、サンプルを同時に照射し超音波処理を行うと、近紫外−青のスペクトル領域で発光する酸化物末端のＳｉＱＤが得られる。１００ｍＷで５３２ｎｍのレーザ光を用いて、２日間、上述のように、サンプルを同時に照射し超音波処理を行うと、緑のスペクトル領域で発光する酸化物末端のＳｉＱＤが得られる。１５０ｍＷで６２０ｎｍのレーザ光を用いて、０．５日間、上述のように、サンプルを同時に照射し超音波処理を行うと、赤のスペクトル領域で発光する酸化物末端のＳｉＱＤが得られる。
この「トップダウン」手法の結果、周囲を含む種々の環境条件下で安定した酸化物末端のＳｉＱＤが得られる。この能力は、以前は不可能と考えられていた。これは、Ｓｉ量子ドットコアを包囲する、安定した実質的に欠陥フリーのシリコン酸化物シェルの確立による「トップダウン」手法で達成される。
得られるＳｉＱＤの欠陥フリーの性状は、これらのＳｉＱＤからのフォトルミネセンスの量子効率で明らかとなる。量子ドットでの欠陥の存在は、励起されたキャリア（電子と正孔）をトラップできる。これらのトラップされたキャリアは、非発光性で緩和したり、あるいは欠陥において発光性の再結合が可能である。両方のプロセスは、量子ドットからのフォトルミネセンスについて低い量子効率をもたらす。ＳｉまたはＧｅで形成された従前の量子ドットは、典型的には、〜１−５％のフォトルミネセンス量子効率を示した。これに対して、本発明の幾つかの実施形態の方法で製作したＳｉＱＤのフォトルミネセンス量子効率は、６％より大きく、好ましくは少なくとも１０％かそれより大きく、より好ましくは少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％、より好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも５０％（例えば、約５０％と約６０％の間程度に高い）である。これは、こうした量子ドットで観測された最大のフォトルミネセンス量子効率を示している。
図３は、ここで説明した方法で製作した酸化物末端Ｓｉ量子ドットの異なるサイズを持つ６つのサンプルの全体的なＰＬスペクトルを示す。図３は、発光は赤から紫外まで容易に同調可能であり、その結果、サイズも容易に同調可能であることを示す。この発光は、周囲を含む種々の環境条件下で安定している。
こうした製作したこれらのＳｉＱＤの電子的および光学的特性は、量子閉じ込めと独自に一貫したサイズ依存の特性を示す点で、ユニークである。これらのＳｉ量子ドットの光学的および電子的特性は、経験的擬ポテンシャル法、タイトバインディング(Tight Binding)法などの、有効質量アプローチよりも精巧な理論的な計算と独自に一貫している。これらの方法で計算したサイズ依存のエネルギーギャップの比較は、ここで開示した方法で合成したＳｉＱＤでの測定とともに、図２に示している。一致が、極めて良好で、Ｓｉで形成された量子ドットについて最良で観測されている。
この合成プロセスで量子ドットの物理的サイズまたはサイズ分布を制御するための光の使用は、本発明のある実施形態の特に新規な態様である。従前の方法は、典型的には、量子ドットの物理パラメータの制御のためでなく、量子ドット形成に必要な化学反応を引き起こすため、即ち、化学前駆体を光分解するために光励起を使用していた。上述のように、本発明の実施形態は、合成方法において量子ドットの物理パラメータについて光学制御を利用している。この態様は、他の量子ドット合成手順にも応用可能であり、ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤに関してここで説明したものに限定されない。
全体として、得られるＳｉＱＤのサイズおよびサイズ分布は、超音波処理時間、超音波装置の音響エネルギーの強さや強度、照射の光子波長（光子エネルギー）、照射強度、照射のスペクトル幅、照射時間、開始材料のサイズおよびサイズ分布、開始材料が混合される溶媒を変化させることによって、正確に制御可能である。本発明のある応用では、この手法を用いて、平均のＳｉＱＤサイズは、〜１ｎｍから６ｎｍより大きいところまで変化し得る。これらの平均サイズは、赤外から紫外までの光放射を生じさせる。
その代替として、ＰＳｉは、ｎドープＳｉウエハを用いて製作可能である。この場合、上述したものと同様なプロセスに従うことができる。しかしながら、電気化学エッチングプロセスは暗所で実施してもよく、ウエハは、エッチングプロセスに必要な「正孔」（電子と逆のもの）を発生するために、エッチング中に光源（ＵＶ光が好ましい）で照射すべきことが望ましい。
（例２：酸化物末端のＧｅＱＤ）
上述の合成において、反応物および開始材料は、ＧｅＱＤの形成のため、これらのゲルマニウムの対応部分で置き換えることができる。図４（ａ）と図４（ｂ）に示すように、１ｎｍから１６ｎｍまでのサイズのＧｅＱＤは、本発明の実施形態に従う方法を用いて合成した。
こうした製作したこれらのＧｅＱＤの電子的および光学的特性は、量子閉じ込めと独自に一貫したサイズ依存の特性を示す点で、ユニークである。これらのＧｅＱＤの光学的および電子的特性は、経験的擬ポテンシャル法、タイトバインディング(Tight Binding)法などの、有効質量アプローチよりも精巧な理論的な計算と独自に一貫している。これらの方法で計算したサイズ依存のエネルギーギャップの比較は、ここで開示した方法で合成したＧｅＱＤでの測定とともに、図４（ａ）に示している。一致が、極めて良好で、Ｇｅで形成された量子ドットについて最良で観測されている。
（方法２−「ボトムアップ」手法）
他の実施形態では、量子ドットは、化学前駆体から製作可能である。これは、本質的に「ボトムアップ」手法であり、量子ドットが化学合成によって「原子単位で」組み立て可能になる。
本発明は、一般的な高い歩留まりの、表面に機能付与した量子ドットを合成する方法、特に、ＩＶ族半導体材料からなる溶解性の量子ドットを溶液中で比較的低い温度で合成する方法を提供する。
該方法は、下記のものを参照して記述可能である。
方法２−ａ：
ＹＸａ ＋ 還元剤 →（Ｙ）Ｘ …（１）
（Ｙ）Ｘ ＋ キャップ(capping)剤（Ｒ） →（Ｙ）Ｒ …（２）
方法２−ｂ：
ＹＸａ ＋ ＲｂＹＸｃ ＋ 還元剤 →Ｒ（Ｙ）Ｘ …（３）
Ｒ（Ｙ）Ｘ ＋ キャップ剤（Ｒ’） →Ｒ（Ｙ）Ｒ’ …（４）
但し、ＹＸａは、ＹがＳｉまたはＧｅであるＹの原料、Ｘは、−Ｆ，−Ｃｌ，−Ｂｒ，−Ｉ，−Ｏ−ＣＯ−Ｒ（１），−ＮＲ（２）Ｒ（３），−Ｏ−Ｒ（４），−Ｓ−Ｒ（５），などからなるグループから選択され、Ｒ（１），Ｒ（２），Ｒ（３），Ｒ（４），Ｒ（５）は、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリールなどからなるグループから独立して選択される。還元剤は、活性化した金属（例えば、ＩＡ族、ＩＩＡ族、遷移金属、ランタン系列元素）または水素化物（ＩＩＩＢ族水素化物、ＩＶＢ族水素化物、遷移金属水素化物）から選択される。電気化学的還元も、還元に使用できる。キャップ剤（Ｒ）およびキャップ剤（Ｒ’）は、それぞれ表面配位子Ｒ，Ｒ’の原料であり、有機金属の試薬、例えば、ＲＭ（またはＲ’Ｍ）から選択できる。Ｒ（またはＲ’）は、表面配位子（例えば、１個と約２０個の間の炭素原子を有する、直鎖状または分岐アルキル、アルケニル、アルキニル、エーテル、エステル、酸、アミド、またはニトリルの残基(moiety)）である。表面配位子Ｒ，Ｒ’は、同一でも異なっていてもよいと認識すべきである。キャップ剤は、アルコール、アミン、チオール、などでも可能である。Ｍは、好ましくは、ＩＡ族、ＩＩＡ族、またはＩＩＢ族からのものである。上記において「ａ」は、酸化状態またはＹの原料でのＹの配位数を表し、典型的には、２，４または６である。「ｂ」と「ｃ」は、それぞれ１から６の範囲を取り得る整数である。「ａ」は、典型的には「ｂ」と「ｃ」の合計に等しい。方法２−ａにおいて、（Ｙ）Ｘは、Ｙを含み、Ｘで終端した表面を持つコアを備える中間粒子を表す。（Ｙ）Ｒは、Ｒで終端した表面で形成された量子ドットを表す。方法２−ｂにおいて、Ｒ（Ｙ）Ｘは、Ｙを含み、ＲとＸで終端した表面を持つコアを備える中間粒子を表す。Ｒ（Ｙ）Ｒ’は、ＲとＲ’で終端した表面で形成された量子ドットを表す。
基本的な方針は、Ｓｉａ＋またはＧｅａ＋の溶液相還元法に関連しており、ａはＳｉまたはＧｅの酸化状態を表し、続いて有機または有機金属の試薬で終端されている。本発明の幾つかの実施形態に係る方法は、ＩＶ族量子ドットのマイルドな合成、正確な操作、機能付与、相互接続を、従前では達成しえない程度にまで可能にする。従前に用いた方法と本発明の幾つかの実施形態に係る方法との間の重要な差別化は、１つ又はそれ以上の下記のものを含む。
１．幾つかの実施形態は、典型的には、高い自然発火性を有し、空気に敏感な開始材料、例えばＩＶ族Zintl化合物またはナトリウム金属の使用に関連した困難な手順を回避できる。ＩＶ族Zintl塩は、典型的には、開始材料（例えば、ＫおよびＳｉ）を、上昇した温度（５００−９００℃）で封止チューブ内に数日間、結合させることによって用意される。例えば、本発明の幾つかの実施形態の方法は、より穏やかで、空気に安定な還元剤、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、他のＩＶ族金属、遷移金属、ランタン系列元素などを用いる。これは、該方法を、規模を拡大したり大規模な製造を行うのをより容易にする。
２．幾つかの実施形態は、反応条件が従前の方法に必要なものより極端でない方法を提供する。特に、本発明の幾つかの実施形態の方法は、以前はときどき用いられていたような、大量の望ましくない不溶解性の材料を生産し得る高い圧力および高い温度の条件を回避している。
３．幾つかの実施形態は、Ｓｉ４＋の低減のための高いエネルギーの音響化学技術を利用する必要がない。これは、典型的には、ぼやけた表面組成を持つ小さなアモルファス粒子、または不規則な網目を持つより大きな不溶解性の凝集を生産していた。
４．幾つかの実施形態は、高い猛毒性のガス状ＩＶ族水素化物および自然発火性の金属水素化物を利用する必要がない。
５．本発明での幾つかの実施形態の方法からの歩留まりは、従前に報告された方法よりも著しく高い。幾つかの実施形態では、得られる歩留まりは、約３５％の約９５％の間である。
６．達成し得るサイズ制御は、従前の方法より大きい。
７．生産可能なサイズの範囲は、従前に報告された方法で入手可能なものよりも大きい。幾つかの実施形態は、赤外から紫外の発光を生じさせる異なるサイズの量子ドット生産を可能にする（例えば、主として青および青緑領域で発光するより小さな量子ドットの生産に限られない）。
８．結果として得られた量子ドットは、一定のサイズ分布に限られない（例えば、達成できるサイズ分布は、より大きい）。
９．幾つかの実施形態は、表面配位子を伴う所定の表面組成および高い表面被覆を持つ量子ドットを供給する。
１０．結果として得られた量子ドットは、他の方法で生産されたものより安定であり、ここで説明したように独特な特性を有する。
１１．結果として得られた量子ドットは、他の方法で生産されたものより結晶性が優れる。
１２．量子ドットは、他の方法で入手可能なものより多量に生産可能である（例えば、少なくとも１０グラムの量で）。
方法２−ａまたは方法２−ｂを用いた量子ドットの機能付与(functionalization)は、式２または式４での適切な有機試薬を用いて、式１または式３で生産した中間粒子の表面において官能基の相互転換を可能にし、配位子層を形成する。中間粒子は、典型的には、Ｙを含むコアを備えることになる。これらの量子ドットの有機的機能付与は、ありふれた有機溶媒での有利な溶解性と、有機ポリマー、無機ポリマー、ガラスなどの種々のマトリクス材料での相溶性とを付与する。
方法２−ａは、容易に入手可能な分子Ｓｉａ＋またはＧｅａ＋試薬の制御された化学還元に基づく。但し、ａは、２から６まで、典型的には２から４までの範囲であり、反応媒体中で異なる試薬とともに、対応する中間粒子（Ｙ）Ｘの抑制(quenching)である。２つの適切な群の還元剤は、活性化した金属および水素化物である。ＩＶ族化合物の大きな負の還元ポテンシャルおよび高い親オキソ性(oxophilicity)のため、非水系反応媒体は、望ましくは、シリコンおよびゲルマニウム試薬の還元用に使用すべきである。比較的低い温度で、対応する中間粒子に対する、ＲＭ（Ｒ＝アルキル、アリールなど、Ｍ＝Ｌｉ，Ｎａ，ＭｇＡ，ＺｎＡ（Ａはハロゲンなど））などのキャップ剤（Ｒ）の制御された添加は、機能付与された量子ドットを高い歩留まりで生産する。
量子ドット粒子およびサイズ分布を制御するための更なる努力では、方法２−ｂ（式３）を用いて、停止(terminating)剤ＲｂＹＸｃが使用可能である。この方法で、Ｒグループは、量子ドットの停止剤として機能する。式３においてＹＸａに対する試薬ＲｂＹＸｃの比は、量子ドットの表面対体積比の基本的測定として使用可能である。ＹＸａおよびＲｂＹＸｃの混合は、還元剤の存在で、対応する中間粒子Ｒ（Ｙ）Ｘを産み出し、これは、Ｒ’Ｍなどのキャップ剤（Ｒ’）とともに処理可能であり、中間粒子（式４）の表面で残余の残基Ｘと置き換わる。この方法論は、原理上、高く機能付与された量子ドットを生産する。
この化学合成方法の好ましい方法は、次のように説明する。
シリコンの原料、例えば、ＳｉＣｌ４は、不活性雰囲気、例えばアルゴンの下で、還元剤、例えば、Ｍｇパウダーと反応する。これらの材料は、液相の反応媒体中で一緒に加熱される。反応媒体は、望ましくは、非プロトン性とすべきである。それは炭化水素でもよく、または芳香族でもよい。それは、環式または非環式のエーテル、芳香族エーテルまたはポリエーテルでもよい。それは、酸素、窒素、硫黄及び／又はリンを含んでもよい（他の試薬と相溶性がある限り）。それは、１つより多いヘテロ原子の種々の組合せや上述した溶媒のいずれの組合せを伴う有機溶媒を含んでもよい。代表的な溶媒は、ヘプタン、デカン、オクタデカンなどのアルカン、ベンゼン、テトラリン、ナフタレンを含む芳香族化合物、トルエン、キシレン、メシチレンなどのアルキル芳香族化合物、ジアルキルエーテル、ジアリールエーテル、アルキルアリールエーテル、環状エーテル、グライム(glymes)のようなポリエーテルなどのエーテル類を含む。
このプロセスにおいて、例えば、Ｓｉ４＋，Ｇｅ４＋またはＧｅ２＋を提供するＩＶ族の原料は、特に、ハロゲン化合物の形態、または対応する１−２０個の炭素有機置換基（ＲＡ，Ｒ＝有機置換基、Ａ＝Ｏ，Ｓ，Ｎ，Ｓｉなど）を持ち、例えば、ＩＡ族化合物、ＩＩＡ族化合物、遷移金属、ランタン系列元素、水素化物などの還元剤と、液相の反応媒体中で上昇した温度で反応する。代表的なＩＶ族の原料は、SiF4, SiCl4, SiBr4, SiI4, GeF4, GeCl4, GeBr4, GeI4, GeCl2, GeBr2, GeI2, SiR4, Si(OR)4, Si(SR)4, Si(NR(1)R(2))4, Si(O2R)4, Si(SiR)4, GeR4, Ge(OR)4, Ge(SR)4, Ge(NR(1)R(2))4, Ge(O2R)4, Ge(SiR)4, Ge(NR(1)R(2))2,および上記試薬（Ｒ，Ｒ（１），Ｒ（２）＝有機置換基）のダイマーおよびより高次のオリゴマーを含む。代表的な還元剤は、Li, Na, K, Na/K合金, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, Zr, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Cu, Zn, Ce, Sm, Gd, Eu, LiAlH4, NaBH4, スーパーハイドライド(Super-hydride), Ｌ−セレクトライド(L-Selectride), RSiH3, R2SiH2, R3SiH（Ｒ＝有機置換基）などを含む。還元剤は、種々の形態で提供可能である（例えば、パウダー、液体、固体など）。ある還元剤（例えば、ＭｇなどのＩＩＡ族化合物）では、ＩＶ族原料との反応を促進するため、パウダー形態での還元剤を提供することが望ましい。その代替として、あるいは接続点では、チップ、メッシュ、樹木状ピース、リボン、ロッド、曲がり角または活性化したもの（例えば、「リーケ(Rieke)マグネシウム」など）など、他の形態でそうした還元剤を提供することが望ましい。
これらのグループの材料のうち１つまたは２つは、反応媒体中で（例えば、無水非プロトン性溶媒）少なくとも数分間、一緒に混合される。幾つかの実施形態では、ＳｉまたはＧｅの原料と還元剤との間の反応は、反応媒体を、約−７８℃と約３００℃の間、好ましくは約６０℃と約２８０℃の間に約大気圧（例えば、約１気圧）で、約２時間と約４８時間の間の時間、維持することによって、実施される。幾つかの実施形態では、Ｎａとシリコン試薬との間の反応は、完成するため、上昇した温度とより長期間を必要とする。反応媒体の環流(reflux)温度が使用可能である。より高い温度を得るために、約１００気圧までに上昇した圧力が使用可能である。適切な温度は、約２５℃と約３００℃の範囲である。
同じポットでの追加のステップにおいて、中間製品は、化学的に不安定であり、適切な反応材料（例えば、キャップ剤、表面配位子、分子鎖、停止剤、皮膜保護剤など）を用いて処理した場合、有機置換基で機能付与が可能である。これらの試薬は、有機金属試薬とすることができ、ＲＭ（Ｒ＝表面配位子、例えば、アルキル、アリール、ヘテロアリールなど、Ｍ＝Ｌｉ，Ｎａ，ＭｇＡ，ＺｎＡ（Ａはハロゲンなど））、アルコール、アミン、アミド、チオール、ホスフィン誘導体、オキシホスフィン誘導体、酸、シラン誘導体、ゲルマン誘導体、酸化物、シラノール誘導体、ゲルマノール(germanols)、またはこれらの対応するアニオン塩などである。代表的な配位子の原料は、有機リチウム試薬（例えば、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔｅｒｔ−ブチルリチウム、ｎ−ヘキシルリチウム、フェニルリチウム）、グリニヤール(Grignard)試薬（例えば、オクチルマグネシウムハロゲン化合物、フェニルマグネシウムハロゲン化合物、アリルマグネシウムハロゲン化合物）、アルコール（例えば、エタノール、イソプロピルアルコール、フェノール）、アミンおよびチオール（例えば、ジエチルアミン、オクチルアミン、ヘキシルチオール）などを含む。
幾つのかの実施形態では、中間粒子またはナノクリスタライト(nanocrystallites)と表面配位子の原料との間の反応は、完成するのに長期間を必要とし、上昇した温度を必要とする。適切な温度は、室温から約１００℃の範囲である。反応は、周囲温度で約２時間と約１００時間の間で完成し得る。次の試案は、有機的に機能付与された量子ドットをパウダーとして供給する。次の試案は、好ましくは、未反応の還元剤や有機金属試薬を破壊するために、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）での酸性水の追加に関連する。製品は、有機溶媒とともに抽出可能である。溶媒は、炭化水素、芳香族、または混合した炭化水素部分とすることができる。それはエーテルまたはポリエーテルでもよい。それはエステルでもよい。それは、窒素、硫黄、及び／又はハロゲン化合物を含んでもよい（水にあまり溶解しない限りは）。代表的な溶媒は、ヘキサン誘導体、デカン、トルエン、キシレン、ジエチルエーテル、グライム(glyme)、ジクロロメタン、クロロホルム、エチルアセテート、二硫化炭素などを含む。抽出プロセスは、歩留まりを向上させるため、望ましくは、何回も繰り返すべきである。
製品は、溶媒を除去することによって単離可能な量子ドットパウダーである。これは、蒸発、ろ過などによって実行可能である。
上述した合成方法は、３５％から９５％の範囲での歩留まりに関連しており、従前得られたものより著しくより高い。広い範囲の粒子サイズ、例えば、約１−１００ｎｍの間のものが得られる。
いろいろな要因が粒子サイズに影響を及ぼし、例えば、反応媒体の性質、還元剤の性質、開始材料の性質、使用した試薬の比率、濃度、温度および使用した圧力などを含む。使用した反応媒体は、量子ドット製品の物理的特性で重要な役割を演じ得る。より詳しくは、有機化合物を含む酸素、窒素、硫黄、リンなどの配位結合する溶媒や薬品は、より大きい粒子サイズを持つ量子ドットを産み出す傾向がある。特に、量子ドットのサイズおよびサイズ分布は、溶媒または共存溶媒の配位結合能力を変化させることによって、制御可能である。温度の効果に関して、より高い反応温度は、量子ドットの結晶性を改善し、より大きな量子ドットの生産を支援する。濃度も粒子サイズに影響を及ぼし、より低い濃度はより小さな量子ドットを生産する傾向がある（より大量の溶媒は、反応種からのより良好な放熱を生じさせる）。
本発明は、下記の例によってさらに説明する。これらの例は、添付クレームで定義される本発明の範囲を限定するものと解釈すべきでない。
（例１）
撹拌棒を装備した５００ｍｌの三つ口丸底フラスコ、還流凝縮器および温度計をアルゴンでパージして、２００ｍｌの選択した溶媒（例えば、グライム(glymes)（ｎ＝１〜５））と、還元剤（例えば、マグネシウムパウダー、０．０５から０．２０モル））で満たした。蒸留したてのＹＸ４（０．０５から０．２０モル）を滴下して、得られた赤褐色の溶液をより高い温度（例えば、約６０℃と約２８０℃の間）で一定時間（例えば、約２時間から約１００時間の間、典型的には２時間と４８時間の間）加熱した。得られた混合物は冷却して、過剰なキャップ剤（例えば、１．８Ｍのフェニルリチウム溶液）で処理し、これは室温未満の温度に維持しながら滴下した。反応混合物を周囲温度で一定時間（例えば、約２時間と約４８時間の間）撹拌した後、希釈したプロトン性の酸（ｐＨ〜２）で抑制し、有機溶媒（例えば、トルエン）で抽出した。結合した有機抽出物は、水洗して、乾燥剤（例えば、硫酸ナトリウム）で乾燥させた。溶媒は、減圧下で除去して、非溶媒（例えば、ペンタン）を用いた沈殿によって溶媒の痕跡を除去した。遠心分離またはろ過の後、製品を回収して、真空オーブンで乾燥させた。製品は、カラム・クロマトグラフィー（例えば、シリカ，ＣＨ２Ｃｌ２／メタノール，９５／５）精製可能である。
（例２）
還元剤としてナトリウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例３）
還元剤としてバリウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例４）
反応媒体として３５％／６５％（体積で）ジグライム(diglyme)／キシレン混合物を用いて、例２の準備を繰り返す。
（例５）
反応媒体としてジフェニルエーテルを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例６）
反応媒体としてテトラグライム(tetraglyme)を用いて、例１の準備を繰り返す。
（例７）
キャップ剤としてｎ−ブチルリチウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例８）
キャップ剤として臭化３−ブテニルマグネシウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例９）
キャップ剤として臭化アリルマグネシウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１０）
キャップ剤として４−メトキシフェニルリチウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１１）
キャップ剤としてペンタフルオロフェニルリチウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１２）
キャップ剤としてパーフルオロヘキシルリチウムを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１３）
キャップ剤としてナトリウムエトキシドを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１４）
シリコン原料として四臭化シリコンを用いて、例１の準備を繰り返す。
（例１５）
封止した圧力反応器内において２６０℃で例１の準備を繰り返す。
（例１６）
ゲルマニウム原料として７０％／１０％／１０％／１０％（モル比で）の四塩化ゲルマニウム／フェニル三塩化ゲルマニウム／ジフェニル二塩化ゲルマニウム／トリフェニルゲルマニウム混合物、および停止剤ＲｂＹＸｃを用いて、例１の準備を繰り返す。
（好ましい表面配位子および分子鎖）
前セクションで説明したように、配位子層は、量子ドットの表面を皮膜保護して表面欠陥を除去するように機能できる。それは、マトリクス材料との相溶性も促進する。これは、以下のように説明される。フッ素ポリマー(fluoropolymer)は、これらの独特な特性のため、光学応用に望ましい材料のグループである。フッ素ポリマーは、一般に、低い屈折率（例えば、通常の炭化水素ポリマーと比べて）を有し、低い固有の散乱損失を有する。これらはまた、典型的には炭素−水素結合がほとんど無いか皆無であるため、一般に、低い吸収損失を示す。これらは、疎水性で、水分吸収が低い。これらは、一般に、化学的、熱的に不活性であり、デバイス製造において要求する環境および極端なプロセス条件に適合している。これらの不活性のため、フッ素ポリマーは、従来の量子ドットなどの多くの材料とほぼ混合不可能である。本発明の実施形態は、フッ化表面配位子を量子ドット表面に導入することによって（例えば、前述の例１１、例１２のように）、相溶性の問題を迂回する新規な手法を提供する。量子ドットは、フッ化表面配位子の配位子層で終端され、例えば、溶媒ビヒクル，アサヒ(Asahi)社のＣＴ−ＳＯＬＶ１８０を用いて製造された、例えば、サイトップ(Cytop)（登録商標）ポリマー（アサヒ(Asahi)社のパーフルオロ化ポリマー）に組み込み可能である。
下記のものは、本発明の幾つかの実施形態に係る、好ましい表面配位子の配位子層である。このリストは、徹底することを意図していないが、ＳｉＱＤまたはＧｅＱＤの配位子層を形成するのに使用可能な望ましい物理的特性を有する多くの表面配位子を記載している。下記において、Ｙは、ＳｉまたはＧｅであり、Ｔ−Ｃ，Ｙ−Ｏ，Ｙ−Ｓ，Ｙ−Ｓｉ，Ｙ−Ｎは、ＳｉまたはＧｅとＣ原子、Ｏ原子、Ｓ原子、Ｓｉ原子、Ｎ原子との間の共有結合をそれぞれ示す。他の好ましい表面配位子は、以下に挙げていないが、ＳｉまたはＧｅと共有結合するＰ原子またはＳｅ原子を含むことができる。
（Ｔ−Ｃ）
Ａ）アルキル
ａ．簡単な脂肪族アルキル基（例えば、メチル、エチル、プロピル、等）
ｂ．分岐環状アルキル基（例えば、イソプロピル、tert-ブチル、シクロヘキシル、等）
ｃ．置換アルキル基（例えば、４−シアノブチル、３−エトキシ−３−オキソプロピル、等）
ｄ．パーフルオロアルキル基（例えば、直鎖、分岐、または環状）
Ｂ）アルケニル
ａ．簡単な孤立した二重結合（例えば、１−ヘキセニル、１−ドデセニル、等）
ｂ．置換アルケン（例えば、６−ヘプテンニトリル、等）
ｃ．共役ポリエン（例えば、ペンタジエニル、等）
ｄ．重合可能なアルケン（例えば、アリル、３−ブテニル、２−ブテニル、等）
Ｃ）アルキニル
ａ．簡単な孤立したアルキン（例えば、ヘキシニル、オクチニル、等）
ｂ．置換アルキン（例えば、フェニルエチニル、等）
ｃ．重合可能なアルキニル
ｄ．パーフルオロアルキニル
Ｄ）芳香環および芳香族複素環(heterocycles)
ａ．フェニル、ピリジル、チエニル、等
ｂ．置換芳香環および芳香族複素環
ｉ．電子求引基（ニトロ、ニトリル、フルオロ、パーフルオロ、カルボキシレート、例えば、４−シアノフェニル、等）
ｉｉ．電子供与基（アミノ、アルコキシル、例えば、４−メトキシフェニル、等）
Ｅ）共役芳香環、芳香族複素環およびポリエン（ポリは、明確に定義されたオリゴマーと称される）
ａ．ポリエン
ｂ．ポリ（ｐ−フェニレン）
ｃ．ポリ（ジアセチレン）
ｄ．ポリ（トリアセチレン）
ｅ．ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）
ｆ．ポリ（ｐ−フェニレンエチニレン(ethynylene)）
ｇ．ポリチオフェン
ｈ．ポリピロール
ｉ．ポリアニリン
ｊ．ポリ（フェニレンスルフィド）
Ｆ）シアニド
（Ｙ−Ｏ）
Ａ）ヒドロキシ、アルコキシル、等
ａ．ジオール、トリオール、ポリオール、等
ｂ．コレステリル基
ｃ．三置換シロキシ
Ｂ）カルボキシレート
Ｃ）フェノキシ
Ｄ）シロキシ
Ｅ）シアネート
Ｆ）無機酸化物
（Ｙ−Ｓ）
Ａ）チオアルキル
Ｂ）チオアリール
Ｃ）チオシアネート
Ｄ）シリルチオ
（Ｙ−Ｓｉ）
Ａ）置換シリル基
Ｂ）１以上の官能基を持つ、三置換シリル基
（Ｙ−Ｎ）
Ａ）アミノ基（例えば、直鎖、分岐、芳香族または環状）
Ｂ）モノおよびジ置換アミン
Ｃ）イミノ基（例えば、直鎖、分岐、芳香族または環状）
Ｄ）シリルアミノ
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、有機末端のＳｉ量子ドットのＰＬスペクトルを示し、図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、有機末端のＧｅ量子ドットのＰＬスペクトルを示す。ＳｉおよびＧｅ量子ドットは、ここで説明した方法で製作した。ＰＬスペクトルは、異なるサイズの量子ドットを励起することによって、発光が赤から紫外まで容易に同調可能であることを示す。ＰＬスペクトルは、量子ドットを量子ドットの吸収端での波長より短い波長で光励起することによって得られる。発光は、周囲条件で安定している。この安定性は、表面末端の相対的な完全性および安定性に大部分起因しており、例えば、表面末端およびコアと表面末端との間の界面は実質的に欠陥フリーである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）において、Ｓｉ量子ドットの表面は、４−メトキシフェニル基で終端されている。図１０（ｂ）において、縦軸は、図１０（ａ）からの規格化フォトルミネセンス信号を表す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）において、Ｇｅ量子ドットの表面は、ブチル基で終端されている。図１１（ｂ）において、縦軸は、図１１（ａ）からの規格化フォトルミネセンス信号を表す。エトキシル基で終端した表面を有するＳｉ量子ドットおよびメチル基で終端した表面を有するＧｅ量子ドットについて、同様な結果が見られる。
こうして製作されるこれらの有機末端ＳｉＱＤおよびＧｅＱＤの電子的、光学的特性は、量子閉じ込めと独自に一貫したサイズ依存の特性を示す点で、独特である。これらのＳｉＱＤおよびＧｅＱＤの電子的、光学的特性は、経験擬似ポテンシャル方法およびタイトバインディング(Tight Binding)方法などの有効質量アプローチよりも精巧な理論的計算と独自に一貫している。ここで説明した方法で合成したＳｉＱＤおよびＧｅＱＤについての測定値を用いて、これらの方法で計算したサイズ依存のエネルギーギャップの比較は、極めてよく一致しており、ＳｉまたはＧｅで形成された量子ドットについて観測された最良のものであることを示す。
本発明の幾つかの実施形態によれば、種々の有機基で表面終端され、ポリマーやゾル−ゲルなどの処理可能なマトリクス材料に分散した量子ドットを備えるナノ複合材料は、新しい量子現象を提示する。この新しい量子現象は、極めて様々な新しい応用（全光スイッチングなど）および低コストの処理技術（例えば、スピンコートや浸漬など）を用いたデバイス構造の製造を可能にする。これらの量子ドットを製造し、安定性および頑健性のために表面に化学結合した分子種を用いてこれらの表面に機能付与する幾つかの新規な合成案は、ここで説明している。こうした機能付与された量子ドットの使用は、高価で特殊な製造設備および施設の必要性を回避している。これらのナノ構造の合成は、多くの研究室で容易に実施可能である。
上述のように、量子ドットナノ構造の価値は、複数の機能をもたらす分子鎖から誘導できる。分子鎖は、いろいろな方法で活性となり、例えば、電気的、化学的、機械的または光学的に活性となり得る。これは、量子ドットと周囲のマトリクス材料との間の電気的、光学的、輸送、化学的および物理的な相互作用、あるいは個々の量子ドットの特性について正確な制御を可能にする。これらの分子鎖は、新しいデバイスおよび応用を開発するのに必要となる重要な革新となり得る。光学的に活性な分子鎖の特に好ましい実施形態の例は、分極した部分もしくは分極可能な部分、または大きな分極率、ドナー・アクセプタ分子、ヘテロ分子および電荷輸送分子を持つ分子である。
他の大きな革新は、結合した量子ドットなど、結合した量子システムを含むナノ複合材料から由来する集団的現象に起因するものである。活性分子鎖を量子ドット表面に付着させる能力は、いろいろな１次元、２次元および３次元の構成やアレイで量子ドットの結合を可能にし、新規なデバイスに応用可能な量子ドット間の多重量子干渉相互作用を引き起こす。これらの分子鎖の長さおよび特性は、増強した非線形光学特性などの特定の量子現象を増強したり発生するように調整可能である。例えば、分子鎖は、２つ又はそれ以上の相互接続された量子ドットの間で電荷輸送を提供できる。本発明のある実施形態では、量子ドットは、従前の効果とは似ていない程度に大規模に相互接続可能である。大規模に相互接続された量子ドットシステムは、２個より多く相互接続された量子ドット、好ましくは１０個より多く相互接続された量子ドット、好ましくは１０００個より多く相互接続された量子ドット、より好ましくは１０００個より多く相互接続された量子ドット、最も好ましくは１０９個より多く相互接続された量子ドット、で構成できる。本発明のある実施形態では、大規模に相互接続された量子ドットシステムは、２個又はそれ以上の大規模に相互接続された量子ドットサブシステムで構成でき、これらのサブシステムは接続していても接続していなくてもよい。量子ドットは、異なる量子ドット表面での適切な分子鎖の間での化学結合の形成を介して、相互接続可能である。これは、ここで先に説明したように、量子ドット表面の機能付与を用いて実施できる。量子ドット表面が機能付与された後、相互接続は、表面官能基、例えば、共役種、芳香環等の間の化学反応を介して進行できる。こうした相互接続の結果、極めて様々なナノ構造が可能になる。
（１）直線構造やアレイで結合したｎ個の量子ドット。
（２）任意の２次元構造やアレイで結合したｎ個の量子ドット。
（３）任意の３次元構造やアレイで結合したｎ個の量子ドット（例えば、新しい格子構造および調整可能な特性を持つ新しい材料を生産すること）。
（４）量子ドットの制御可能な密度を付与するため、ポリマーパックボーンに付着したｎ個の量子ドット。これらの量子ドットは、他の種（例えば、電子供与性または電子受容性の分子）とともにポリマーパックボーン上に結合可能であり、他の新しい現象および応用を発生する。
これらのナノ構造は、単一量子ドットまたは量子ドットの集団の特性を有することがある。これらは、分子鎖の性質によって決定されることになる。この手法は、革新的デバイスに向かう量子ドットシステムでの集団的励起を活用するのに重要となる。これらの新しいナノ構造は、ナノテクノロジーでの重要な革新を意味する。このようにして量子ドットを相互接続して、制御可能な集団的現象を発生する分子鎖の特に好ましい実施形態の例は、共役ポリマー（例えば、アルケン、アルキン、芳香環）などの共役種を含む。
ここで説明した合成プロセスの独特さは、結果として得られる量子ドットおよびこうした量子ドットで形成されたナノ複合材料についての下記特性で非限定的に示される。（１）極めて大きな光学非線形性が、例えば、１０−５ｃｍ２／Ｗから１０−４ｃｍ２／Ｗ程度に高い値を持つＲｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］の大きな値で示される。赤外、より詳しくは１５００ｎｍから１６００ｎｍの重要な遠距離通信領域での光学非線形性を持つ従前の材料は、典型的には、〜１０−１２ｃｍ２／Ｗから１０−１１ｃｍ２／Ｗあるいはそれ以下の非共鳴縮退γの値を有する。その結果、本発明の量子ドットの光学非線形性、例えば、Ｒｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］は、こうした従前の材料より〜１０６から１０８倍大きい。（２）周囲を含む種々の環境条件での量子ドットの安定性。（３）周囲を含む種々の環境条件での赤外から紫外までの発光の安定性。（４）発光が赤外から紫外までサイズ同調可能なように、量子ドットのサイズについての制御。（５）非線形光学特性が、有効な全光スイッチングに必要なものを超える大きな性能指数を付与するように、量子ドットのサイズについての制御。（６）全光スイッチングが極めて短時間で生ずるような非線形光学特性（非線形光学機構（例えば、共鳴または非共鳴、スイッチング時間はピコ秒から６０フェムト秒未満までの範囲になる）の性質に依存する）。（７）低いスイッチングエネルギー（＜＜１×１０−１２ジュール）。（８）非縮退（例えば、異なる波長を持つ制御ビームおよびデータビーム）全光スイッチング。そこでは、関係するビームの波長が、極めて広いスペクトル範囲（＞＞１００ｎｍ）に渡って互いに離調(detune)可能であり、有効な全光スイッチングを維持できる。（９）全光スイッチングが、広い波長範囲（例えば、４００ｎｍから１６００ｎｍまで）に渡って生じ得る。
（好ましいマトリクス材料）
本発明の幾つかの実施形態によれば、量子ドットを受け入れるために用いられるマトリクス材料は、上述したような多目的な表面終端の大きな部分に起因する広範囲の材料から選択可能である。これらのマトリクス材料は、例えば、機械的強度、光学的透明性、光波透過率、熱安定性、寸法安定性、低温度可撓性、水分吸収、化学不活性を含む異なる特性を持つ有機および無機のポリマーまたはガラスを含むことができる。
本発明の幾つかの実施形態でのマトリクス材料は、６００ｎｍから２μｍまでの波長範囲でとても透明で低い吸収であることが好ましい。また、所望の量の量子ドットが、光学的および機械的特性を劣化させないで、結果として得られるナノ複合材料へ容易に組み込み可能なように、これらは量子ドットと高い相溶性を有することが好ましい。特殊な官能基を持つポリマーは、溶解性の相互作用を促進し、量子ドットとの相溶性を増強するように選択してもよい。これは下記のように更に説明する。ルイス酸（塩基）官能基を持つポリマーは、例えば、ルイス酸（塩基）の表面配位子で表面に機能付与された量子ドットを受け入れるように選択可能である。他の例は、水素結合する相互作用を利用することである。水素結合するドナー（アクセプタ）のポリマーは、水素結合するアクセプタ（ドナー）で表面に機能付与された量子ドットにとって、好ましいマトリクス材料である。さらに、強い双極性の基を持つポリマーは、強い双極性の表面配位子を用いて設計された量子ドットにとって、好ましいマトリクス材料である。上述した強い分子間相互作用は、量子ドットとマトリクス材料との間の相溶性を大きく増強する。それ故、高い含有量の量子ドットは、所望の均一性および均質性を維持しつつ、マトリクス材料へ容易に組み込み可能である（例えば、量子ドットが、マトリクス材料全体に実質的に均一に分散するのを可能にする）。さらに、ブロックコポリマーは、モノマー単位およびブロック長の巧みな選択によって、相溶性をさらに増強するために使用可能である。その結果、量子ドットおよびマトリクス材料を備えるナノ複合材料は、高い光学品質および低い散乱損失となるように設計可能である。より重要には、線形および非線形の屈折率は、本発明の幾つかの実施形態に従って、主として量子ドットの含有量を調整し、マトリクス材料を選択することによって、いろいろな応用のために同調可能である。
光学特性および量子ドットとの相溶性に加えて、好ましいマトリクス材料は、特定の応用についての他の要件を満たすべきことが望ましい。こうしてマトリクス材料の選択において、他の特性を考慮することができる。
１つの好ましいマトリクス材料は、高いガラス転移点Ｔｇを持つポリマーのグループから選択され、熱安定性が重要な応用について、例えば、ポリイミド、フルオロポリマー（例えば、デュポン(DuPont)社から入手可能なテフロン(Teflon) AF（登録商標）フルオロポリマー）、Ｂ−ステージのビスベンゾシクロブテンモノマーから誘導されるポリマー（例えば、ダウケミカル(Dow Chemical)社から入手可能なシクロテン(Cyclotene)（登録商標）樹脂およびフッ化樹脂）、フェノール樹脂、フッ化ポリ（アリールエーテル硫化物）、等がある。
他の好ましいマトリクス材料は、低いＴｇを持つポリマーのグループから選択され、低温度可撓性および低い複屈折が望ましい応用について、例えば、ポリ（イソブチレン）、ポリ（ジフェノキシホスファゼン）、フッ化アクリレート（ゼン・フォトニクス(Zen Photonics)社からのZPUシリーズ）、等がある。
他の好ましいマトリクス材料は、感光性ポリマーから選択でき、例えば、フルオロポリマー（例えば、アサヒ(Asahi)社から入手可能なサイトップ(Cytop)（登録商標）フルオロポリマー）、ポリ（メチルメタクリレート）、デバイスのリソグラフ製造を容易にするフォトレジスト、等がある。
他の好ましいマトリクス材料は、等方的同質性や寸法安定性が必要になる有用について、架橋(cross-link)可能なポリマーのグループから選択される。
他の好ましいマトリクス材料は、光学的および機械的特性、熱的および化学的安定性を調整するために設計された、２つ又はそれ以上のポリマーのブレンドである。
他の好ましいマトリクス材料は、ランダムおよびブロックのコポリマーを含むコポリマーである。
他の好ましいマトリクス材料は、ホモポリマーであり、下記のものを非限定的に含む。
ａ．ポリ（ビニルアルコール）
ｂ．ポリ（ビニルブチラール）−他
ｃ．ポリ（ビニルカルバゾール）
ｄ．ポリ（フッ化ビニル）
ｅ．ポリメチルビニルエーテル
ｆ．ポリエチレン
ｇ．ポリプロピレン
ｈ．ポリスチレン
ｉ．ポリ（ビニルピリジン）
ｊ．ポリイミド
ｋ．ポリ（エチレンオキサイド）
ｌ．フォトレジスト（正または負）
ｍ．シクロテン(Cyclotene)（登録商標）
ｎ．フッ化シクロテン(Cyclotene)（登録商標）
ｏ．サイトップ(Cytop)（登録商標）
ｐ．ＰＭＭＡ
ｑ．フッ化アクリレート
ｒ．ポリ（シロキサン）
ｓ．ポリ（シラン）
ｔ．ポリ（ジフェノキシホスファゼン）
ｕ．ポリ（ビニルフェロセン）
ｖ．ポリカーボネート
ｗ．ポリスチレン
ｘ．ポリ（環状オレフィン）、例えば、ゼノール(Zenor)（登録商標）、ゼネックス(Zenex)（登録商標）
ｙ．テフロン(Teflon) AF（登録商標）
他の好ましいマトリクス材料は、ガラスであり、下記のものを非限定的に含む。
ａ．ゾルゲル誘導ガラス
ｂ．有機改質ガラス
ｃ．スピンオン(spin-on)ガラス
ｄ．フローガラス
ｅ．誘電体、例えば、トリコン・インダストリー(Trikon Industries)社のローケーフローフィル(Low K FlowFill)（登録商標）誘電体
ｆ．誘電体、例えば、アプライド・マテリアル(Applied Materials)社のブラックダイヤモンド(Black Diamond)（登録商標）誘電体
（好ましい使用方法）
本発明の幾つかの実施形態の人工非線形ナノ複合材料は、従来知られたいろいろな標準的方法を含むいろいろな方法で光学デバイスへ組み込み可能である。本発明の実施形態のナノ複合材料を処理する柔軟性は、望ましくは非線形光学特性とは独立して、本発明の実施形態の重要な利点である。適切なマトリクス材料および溶媒を選択することによって、人工非線形ナノ複合物が、スピンコート、スピンキャスト、浸漬コート、スプレー、ブレード適用、スクリーン印刷、および標準的な半導体微細製造のプロセスで通常用いられる他の方法を用いることによって成膜可能である。
スピンコートのようなプロセスは他の状況で使用されていたが、スピンコートなどによる、人工非線形ナノ複合材料の光学的および機械的特性の同調の組合せは、従前の能力とは異なっている。従来、知られた非線形材料は、これらの光学特性と直接に関連している化学的および機械的特性を有する。それ故、これらの材料を組み込むために使用可能な処理技術は、材料自体と適合したものにしばしば制限される。例えば、ＬｉＮｂＯ３は結晶であるため、スピンコートによる組み込みが不可能である。
所望の光学特性を選択して、特定の技術（例えば、スピンコート）による組み込みを容易にし、そして該技術を用いてナノ複合材料を組み込むために、所望の化学的及び／又は機械的な特性を実質的に独立して選択することによって、非線形ナノ複合材料をデバイスへ組み込む工程は、従前の組み込み方法に対して実質的な改善を示す。スピンコートは、材料組み込みの標準的方法の具体的な例として、ここでは検討したが、これは、例示的な目的に過ぎず、本発明の範囲を制限すると考えるべきない。
例えば、線形屈折率およびγなどの所望の光学特性は、量子ドットコアの化学組成、量子ドットシェルの化学組成、量子ドットのピークサイズ、シェルの厚さ、配位子層の化学組成、マトリクス材料の化学組成、マトリクス材料中での量子ドット濃度、および量子ドットの相互接続の程度（例えば、分子鎖を用いて）のうちの少なくとも１つを選択または同調させることによって達成可能である。単一光子およびマルチ光子の吸収特性など、他の所望の光学特性は、量子ドットコアの化学組成、量子ドットシェルの化学組成、量子ドットのピークサイズ、およびシェルの厚さのうちの少なくとも１つを選択または同調させることによって達成可能である。所望の化学的および機械的特性は、配位子層の化学組成、およびマトリクス材料の化学組成のうちの少なくとも１つを選択または同調させることによって達成可能である。上述したように、これらの望ましい特性のうちの少なくとも２つは、本発明の幾つかの実施形態に従って、実質的に独立して達成可能である。
標準的な組み込み技術に加えて、Gero Decherが開拓し、文献（T. Sasaki et al., "Layer-by-Layer Assembly of Titania Nanosheet/Polycation Composite Films," Chem. Mater. 13, 4661 (2001)）（この開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる。）に記載されたように、代わりの相補的機能性を持つポリマーを用いた層単位(layer-by-layer)成長などの他の成膜方法が、所望の量子ドット密度を持ち、必要な厚さの積層した層構造のフィルムおよびコーティングを作成するために使用可能である。
全ての同じ処理技術は、量子ドット固体についても可能であり、層単位成長を実施する能力を含む。同様に、表面配位子および溶媒の化学特性を選択して、特定技術による組み込みを容易にするプロセスは、望ましくは光学特性と独立して、従前の組み込み方法に対して著しい改善を示す
下記のものは、人工非線形ナノ複合材料をいろいろなデバイスへ組み込む幾つかの好ましい方法を提供する。
ｉ）人工非線形ナノ複合材料は、ポリマー中に分散され、続いて適切な溶媒に溶解可能であり、充分な粘度の流体を作成し、所望の厚さのフィルムを生成する。フィルム厚さは、溶媒含有量そして粘度を変化させることによって、容易に調整可能である。特定の量子ドット表面の化学性質は、選択したポリマーおよび使用する溶媒と適合するように選択される。幾つかの好ましい実施形態は、ダウ・ケミカル(Dow Chemical)社のシクロテン(Cyclotene)（登録商標）（これはメシチレンおよび少量の他の有機化合物を持つＢ−ステージのジビニルシロキサン−ビス−ベンゾシクロブテンである）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、半導体製造に用いられるフォトレジスト（正および負の両方）、などを含む。
ｉｉ）人工非線形ナノ複合材料は、適切なキャリア流体または溶媒に分散され、所望の表面に平らに塗布される。そして、熱、真空、ＩＲ放射及び／又は不活性キャリアガスがキャリア流体を除去するために用いられ、デバイス上での人工非線形ナノ複合材料フィルムを生じさせる。
ｉｉｉ）人工非線形ナノ複合材料は、反応性または不活性であるキャリアガス中に分散される。適切なキャリアガスは、ＳｉＨ４，Ｎ２，Ｈ２，Ｏ２，Ｎ２Ｏを非限定的に含む。ガスは、熱及び／又はプラズマの適切な条件下での反応が可能であり、ＣＶＤフィルムを選択基板上に成膜させる。この実施形態では、好ましい基板はシリコンウエハであり、表面上でのリソグラフ構造またはパターンを任意に備える。
ｉｖ）人工非線形ナノ複合材料は、上記手順（ｉ）を任意に用いることによって、スパッタのターゲットに組み込まれる。その代替として、所望のマトリクス材料からなる純粋なターゲットが使用可能であろう（例えば、有機または無機のターゲット、好ましくはＳｉＯ２）。人工非線形ナノ複合材料は、スパッタチャンバ内のガス中に導入される。そして、人工非線形ナノ複合材料は、成長するスパッタフィルムへ直接組み込まれる。
ｖ）人工非線形ナノ複合材料は、加熱され気化される。そして、材料蒸気は、所望の表面に輸送され、表面を適切な温度に保持することによって凝縮される。その結果、デバイス上に成膜した固体フィルムが得られる。
ｖｉ）同じ概念は、トリコン・インダストリー(Trikon Industries)社のローケーフローフィル(Low K FlowFill)（登録商標）誘電体またはアプライド・マテリアル(Applied Materials)社のブラックダイヤモンド(Black Diamond)（登録商標）誘電体などのローケー(Low K)材料を成膜するシステムで使用可能であり、こうして屈折率および処理可能性についてより良好な制御のために、量子ドットをローケー(Low K)フィルムへ組み込む。
（好ましいナノ複合材料）
本発明の実施形態は、制御可能な組の光学的、機械的、化学的および電子的な特性を持つナノ複合材料を備える。ナノ複合材料は、有機及び／又は無機のマトリクス材料中で分散された量子ドットを備えることができる。マトリクス材料は、分子種でドープまたはアンドープでもよく、ナノ複合材料の屈折率（例えば、線形屈折率または全体の屈折率）が約１．３と約５．０の間に入るような量子ドット密度を伴う。ナノ複合材料の幾つかの実施形態は、少なくとも又は１０重量％より大きい量子ドット（例えば、少なくとも２０重量％の量子ドット、少なくとも３０重量％の量子ドット、少なくとも４０重量％の量子ドット、少なくとも５０重量％の量子ドット、例えば、約５０重量％と約６０重量％の間の量子ドット）を備える。より詳しくは、ナノ複合材料の幾つかの実施形態は、量子ドットの凝集または集合がほとんど無いか皆無で、量子ドットがマトリクス材料全体に実質的に均一に分散している、上述した重量％の量子ドットを備えることができる。ナノ複合材料内での量子ドット密度が約０．００５体積％と約７５体積％の間にあるナノ複合材料（例えば、量子ドット固体）も開示されている。任意ではあるが、ナノ複合材料の屈折率は、特定の屈折率を持つマトリクス材料を選択し、及び／又は、その屈折率を変化させるためにマトリクス材料を更にドーピングすることによって、追加的に同調可能である。これは、光学特性について追加の制御を提供する。任意ではあるが、マトリクス材料は、所望の屈折率を持つ重合可能な材料でもよい。屈折率は、熱、光照射、プラズマ、高エネルギー放射を含む種々の活性化機構を介する架橋によって、さらに微調整可能である。量子ドットが分散したマトリクス材料は、固有の高いχ（３）を任意に有する。マトリクス材料は、量子ドット固体からなる固有のマトリクスでもよい。
幾つかの実施形態に係るナノ複合材料は、内部で分散した量子ドットの均質な分布を持つ、光学的に純粋であることが好ましい。これらの量子ドットは、個々のドットとして、または制御されたサイズの凝集として（例えば、大規模に相互接続された量子ドットのサブシステムに達するより小さな凝集）実質的に均一に分散していてもよい。人工ナノ複合材料は、好ましくは光学的に均質かつ均一であり、特定の応用要求として、光が材料を通過しまたは通過したことに由来する散乱及び／又はモード攪乱が、ほとんど無いか皆無である。ある応用では、ポリマーまたは他のマトリクス材料中に分散した、局所電界効果を増強するために最適化された充填率を持つ、最密充填のミクロンまたはサブミクロンサイズの量子ドット集団が好ましいであろう。
幾つかの実施形態に係るナノ複合材料は、増加したフォトルミネセンス量子効率を提示することがある。ある応用では、ナノ複合材料は、実質的に欠陥フリーで、６％より大きい、好ましくは１０％より大きい、より好ましくは少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％、より好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも５０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを集団的に示す量子ドットを備えることができる。
さらに、幾つかの実施形態のナノ複合材料は、好ましくは、例えば、γに寄与するＲｅ［χ（３） ｉｊｋｌ］（例えば、非共鳴縮退条件などの縮退条件下で）が関心波長範囲で約１０−１２ｃｍ２／Ｗと約１０−５ｃｍ２／Ｗの間、より好ましくは約１０−１０ｃｍ２／Ｗと約１０−５ｃｍ２／Ｗの間、最も好ましくは約１０−８ｃｍ２／Ｗと約１０−５ｃｍ２／Ｗの間の光学的非線形性を有する。特に、ナノ複合材料のある実施形態は、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長を持つ光で照射したとき、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗ（例えば、少なくとも１０−８ｃｍ２／Ｗまたは少なくとも１０−７ｃｍ２／Ｗ）のγを有する。より具体的には、ナノ複合材料のある実施形態は、約１．２５×１０−４ｃｍと約１．３５×１０−４ｃｍの間、あるいは約１．５×１０−４ｃｍと約１．６×１０−４ｃｍの間の波長を持つ光で照射したとき、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗ（例えば、少なくとも１０−８ｃｍ２／Ｗまたは少なくとも１０−７ｃｍ２／Ｗ）のγを有する。非縮退条件下でのγについて、関連波長の両方（例えば、トリガーおよびデータ信号に対応した波長）は、上述した波長範囲内とすることができる。開示したナノ複合材料の光学特性は、種々の構成で評価可能であり、ここで説明した特定の例に限定されない。当業者は、材料の線形および非線形光学特性は、例えば、干渉計、非線形エタロンなどでのＺ−スキャン、ＦＷＭ、クロス位相変調、非線形位相シフトなどの方法を用いて評価可能である。
ナノ複合材料の機械的特性は、好ましくは、平面導波路、非平面導波路、光ファイバー、導波コア、導波クラッド、自由空間光学系、ハイブリッド光学デバイスというリストから選択されるデバイスへの組み込みに適合するように選択される。こうしたナノ複合材料は、光スイッチ、光クロスコネクト、波長変換器、これらの組合せなどで、スイッチング、変調、光操作のためのいろいろな光学デバイスで使用可能である。
ここで説明したナノ複合材料は、他の材料には無い多くの重要な属性を有することができる。例えば、ナノ複合材料は、極めて大きな光学非線形性を有することができる。この光学非線形性は、χ（３） １１１１，χ（３） １２１２，χ（３） １２２１，χ（３） １１２２および関連した光電界のエネルギーの種々の順列、例えば、χ（３） ｉｊｋｌ，（−ω４；ω１，ω２，ω３）を含む、χ（３）の種々のテンソル要素の実部で表現できる。本発明の幾つかの実施形態によれば、これらのテンソル要素の実部の値は、約１０−９ｃｍ２／Ｗから約１０−４ｃｍ２／Ｗの範囲になる。その結果、ナノ複合材料は、全光デバイスが、連続波のレーザダイオードや幾つかの場合にはＬＥＤからの光など、とても低い強度の光を用いて効率的にスイッチされ制御されることを可能にする。この能力は、高く希求されており、従前では満足できる程度に達成できなかった。
また、ここで説明したナノ複合材料は、有効な全光スイッチングについてのいろいろなＦＯＭ基準を超越できる。特に、ナノ複合材料のある実施形態は、少なくとも１（例えば、少なくとも１．５または１．８）のＦＯＭを有し、この特定の性能指数は２γ／βλとして定義可能であり、ここでβは、ｃｍ／Ｗで表されるナノ複合材料の２光子吸収係数で、λは、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間、好ましくは約１．２５×１０−４ｃｍと約１．３５×１０−４ｃｍの間または約１．５×１０−４ｃｍと約１．６×１０−４ｃｍの間の波長である。代わりにＦＯＭの別の定義を用いてもよいと認識すべきである。これは、他の材料は大きな非線形屈折率を有することがあるが、２光子吸収から由来するものなどの線形または非線形損失はしばしば充分に大きいためにＦＯＭが不充分であり、熱特性は、ＦＯＭが劣るほどに充分に貧弱であり、熱応答は、ここで説明したナノ複合材料のものよりかなり遅いといったことから、特に差別化される。他の重要な結果として、ここで説明したナノ複合材料の著しくより短い長さが、有効な全光スイッチングデバイスに必要となる。こうして、著しくより小さくより高速なデバイスが製作可能になる。例えば、光を効率的にスイッチするために、センチメートルまたはそれ以上の従来の材料を必要とするのではなく、デバイスは、約１０ミクロンから数ミリメートルの長さを持つナノ複合材料で製作可能である。
さらに、ここで説明したナノ複合材料は、製作するのにかなり簡単で安価であり、より容易に処理でき、かなり多くの他の材料システムと相溶性を有し、いろいろなデバイス構造へほぼ任意のデバイスサイズでより容易に組み込み可能である。ここで説明したナノ複合材料のエピタキシャル成長は、典型的には必要ではない。これは、エピタキシャル成長が、典型的には高価なプロセスで、しばしば簡単な処理や大面積デバイスに従順でなく、しばしば他の多くの材料システムと不相溶性である（材料システムでのエピタキシャル成長が格子整合を必要とするため）ことから、利点となり得る。ナノ複合材料は、これらのサイズ、表面積、表面性質とは実質的に独立して、変化する厚さのフイルムやコーティングの形態でいろいろな基板上に成膜可能であり、いろいろな形状およびサイズの構造に形成可能である。重要なことに、ナノ複合材料からのこれらのフイルム、コーティングおよび構造は、多くの簡単で安価な製造技術、例えば、周囲の温度および圧力でのスピンコート、スプレーコート、ドクターブレード、浸漬コートなど、あるいはエンジニアリングプラスチックおよびエラストマーの従来の成型プロセスを用いて、製造可能である。
ここで説明したナノ複合材料は、デバイスまたは応用の要件を満たすように設計された光学的、化学的、熱的および機械的な特性を有することができる。ある実施形態では、これらの種々の望ましい属性は、これらの光学的および電子的特性とは実質的に独立して、量子ドットの表面特性を設計する際の固有の柔軟性から大部分由来している。さらに、これらの属性は、異なるデバイスおよび応用に適する、調整した光学的、熱的、化学的および機械的な特性を持つ有機または無機のポリマーの使用からも由来している。
（人工ナノ複合材料の代替応用）
人工ナノ複合材料の非線形材料としての応用はここで説明したが、こうした材料はまた、例えば、非限定的であるが、人工共鳴非線形ナノ複合材料、人工線形ナノ複合材料、人工吸収性ナノ複合材料、人工電気−光ナノ複合材料、人工熱−光ナノ複合材料、人工熱ナノ複合材料、人工利得ナノ複合材料、人工磁気−光ナノ複合材料、人工磁気ナノ複合材料、人工電子ナノ複合材料、人工生物学的ナノ複合材料、人工光電子ナノ複合材料、人工機械的ナノ複合材料など、種々の分野での応用を見出すことであろう。ここで説明したナノ複合材料の同調可能な物理的、化学的、電子的および光学的特性は、これらの組み込み方法とともに、他の多くの応用に調整した特定の特性を持つ材料を作成するために、使用可能である。
（好ましい構造、デバイスおよびシステム）
（好ましい構造）
本発明の幾つかの実施形態のナノ複合材料を備える種々の製造物品は、いろいろな応用分野での使用に形成可能である。これらの分野は、光スイッチング、遠距離通信およびコンピューティングを非限定的に含む。
本発明の一実施形態は、フィルム状の人工非線形ナノ複合材料を備える。好ましい実施形態では、フィルムは、約１０ｎｍと約１０００ｎｍの間の厚さを有する。フィルムの幅および長さには制限が無いが、これらは１６インチウエハのサイズより小さいことが好ましい。本実施形態は、同調可能な薄膜フィルタとして有用である。他の好ましい実施形態では、フィルムは、約０．１μｍと約１００μｍの間、より好ましくは約１μｍと約２０μｍの間、最も好ましくは約３μｍと約１０μｍの間の範囲の厚さを有する厚膜である。
本発明の他の実施形態は、基板と、人工非線形ナノ複合材料とを備え、２つは物理的及び／又はエバネセントな(evanescent)光学接触にある。エバネセントな光学接触により、２つは、典型的にはせいぜい１００００ｎｍ、好ましくはせいぜい１５００ｎｍ、より好ましくはせいぜい５００ｎｍで分離していることを意味する。基板は、絶縁体、半導体、金属、ガラス、ポリマー、プラスチック、シリコンウエハ、シリカウエハ、ガラスウエハ、ＩｎＰウエハ、ＧａＡｓウエハ、またはこれらの破片や断片を非限定的に含む。基板は、異なる材料からなる多重層を任意に備えてもよい。
本発明の他の実施形態は、導波コアと、人工非線形ナノ複合材料とを備え、２つは物理的及び／又はエバネセントな光学接触にある。導波コアは、光ファイバーコア、平面導波コア、シリカ導波コア、シリコン導波コア、ポリマー導波コア、液体光ガイド、などを非限定的に含む。好ましい実施形態では、導波コアは屈曲部を備え、屈曲部は光を適切な場所へ経路付けするのに有用である。任意には、屈曲部は、本デバイスが光リミッタとして機能するように構成され、リミッタの出力強度は、部分的には、人工非線形ナノ複合材料内での量子ドット密度によって定義される。
本発明の他の実施形態は、自由空間(free-space)光学系と、人工非線形ナノ複合材料とを備え、２つは、互いに固定した空間関係に維持される。本実施形態の利用の一例は、制御ビームを、光学非線形性を利用する導波路ベースのデバイスへ配給するものである。他の例は、光学非線形性を利用するデバイスが、同調可能な薄膜フィルタなどの自由空間光学系であるものである。他の実施形態は、非線形ナノ複合材料が固体エタロン空洞を備える固体（マルチ）空洞エタロンに関係する。
本発明の他の実施形態は、人工非線形ナノ複合材料で製作した導波コアを備える。任意には、人工非線形ナノ複合材料は、導波コアが配置されるべき領域を超えるストリップに置かれる。そして、導波コアは、パターン化したＵＶ光を用いて非線形ナノ複合材料に導波路を直接に書き込んで、屈折率を増加させることで（例えば、ホストポリマーの重合／解重合）、クラッド内に規定される。即ち、導波路は非線形ナノ複合材料に直接にパターン化され、未露光領域がクラッドとして機能する。非線形方向性カプラでは、問題を回避できる一方法は、非線形ナノ複合材料をスピン滴下して、望ましくは続いて非線形ナノ複合材料の周りにシリカコア導波路を成長させる場所以外の材料をエッチング除去することである。さらに、非線形ナノ複合材料は、方向性カプラの一方のアームにつき１つの導波層を成長させ、その上に適切な厚さの非線形ナノ複合材料をスピンさせて、そして方向性カプラの他方のアームを形成する他の導波層を成長させることによって、２つの導波路の間に組み込み可能である。こうした方向性カプラは、垂直方向性カプラと称され、文献（B. Liu et al., "Fused InP-GaAs Vertical Coupler Filters," IEEE Photonics Technology Letters 11, 93 (1999)）（この開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる。）に記載された方法を用いて製作可能である。
本発明の更なる実施形態は、ポリマー導波構造と、人工非線形ナノ複合材料とを備える。人工非線形ナノ複合材料は、ポリマーマトリクス材料を任意に備えることから、ポリマー導波路を用いた場合、非線形ナノ複合材料との材料不整合の問題が少ないであろう。ポリマーベースの導波路を用いることによって、導波路全てを直接に書き込むことができる（例えば、紫外光を用いて）。しかしながら、スイッチングビームの照射エリアは、典型的には、適切な場所に制限されるべきである。その代替として、適切な量子ドットを用いてまたは用いずに、ポリマーのエッチングおよび再成膜が実施可能である。
（人工非線形ナノ複合材料を備えるデバイス）
本発明の実施形態は、従前のデバイスより実質的に小型で高速でより効率的なものとなる、極めて大きい非線形性および高速の応答時間を有するデバイスに関連している。その結果、スピード、サイズおよび効率の点で驚異的な利点を持つデバイスが得られる。
図１２は、本発明の実施形態に係る人工非線形ナノ複合材料１２０２を備える光学デバイス１２００を示す。光学デバイス１２００は、例えば、非線形方向性カプラ、マッハツェンダ干渉計、光トランジスタ、波長変換器、光再生、光リミッタ、可飽和吸収体、吸収性変調器、光空間光変調器、同調可能導波路ブラッグ回折格子やフィルタ、再構成可能な集積光システム、再構成可能なフォトニックバンドギャップ集積光システム、マルチモード干渉デバイス、マイクロリングアレイスイッチ、デジタル光スイッチなどとして、構成可能である。
下記セクションでは、シリカ・イン・シリカ(silica-in-silica)導波路システムの場合を検討している。これは、例として用いられ、本発明の範囲を特定の導波路システムに制限するものではない。ここで説明した非線形ナノ複合材料によって提供される柔軟性および制御は、他の種々の導波路システム（例えば、シリカ、空気中のシリコン、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ等）にとって適切であり、ある応用についてより適切であり、本発明のある実施形態に使用可能である。シリカ・イン・シリカの特定の選択は、単なる１つの好ましい実施形態である。
（非線形方向性カプラ）
非線形方向性カプラの動作は、結合した２つの導波路構造の光学モード結合の伝搬を調べることによって、最良に理解され、その例は図１３に示す。図１３において、実線は、光導波路を表し、相互作用または結合の領域は、一方の導波路からの光電界が他方の導波路と相互作用するように、２つの導波路がともに充分に接近しているデバイスの部分を表している。右側のプロットは、方向性カプラの相互作用領域での奇数モードおよび偶数モードについて電界振幅を表す。奇数モードおよび偶数モードの伝搬の相違により、相互作用領域の適切な長さを選択することによって、アームａでの入力が、アームｃまたはアームｄ、あるいはアームｃとアームｄの両方に出ることが可能である。
方向性カプラへ（アームａ及び／又はアームｂ）の入力は、原則として、結合した導波モードを用いて表現可能である。アームａでのビーム入力は、偶数モードおよび奇数モードの合計として表現可能であり、アームｂでのビーム入力は、偶数モードと奇数モードとの差として表現可能である。導波路間の分離が大きい場合、偶数モードおよび奇数モードの両方は、実質的に同じレートで伝搬する。しかしながら分離が減少した場合、エバネセントの裾が相互作用し、偶数モードおよび奇数モードを異なるスピードで伝搬させる。相対的な位相が変化すると、相互作用領域での光強度は、２つの導波コア間で変調する。
結合領域の長さが、２つの結合導波モードが結合領域の端部で正確に位相ずれ(out of phase)となるようなものである場合、モードの合計は、出て行く光を、入射した一方から対向する導波路に置く。これは、アームを通じてカプラに入った信号がアームｄへ移送され、アームｂでの信号がアームｃへ移送される「完全クロスオーバ」条件である。結合領域が「クロスオーバ長」の半分である場合、入力は、２つの出力導波路の間で平等に分割される。結合領域が「クロスオーバ長」の２倍である場合、信号は、再び位相が合い、建設的に干渉して、完全な出力信号を元の導波路へ戻す。結合領域の長さを調整することによって、どのような分割比も達成できる。同様に、導波路間の空間、導波路周りの空間及び／又は導波路自体の屈折率を変化させることによって、エバネセント結合および偶数モードと奇数モードの相対スピードが変化可能になる。屈折率を変えることによって、物理的結合長さまたはデバイス長を変化させることなく、光は一方の出力から他方へスイッチ可能になる。
非線形方向性カプラの動作についてのこの説明は、単に、データストリームおよび制御ストリームが同じ波長である（例えば、データストリームが制御ストリームになる）基本的構造の真の能力の可能な一例である。非線形方向性カプラは、非縮退の場合（例えば、制御波長およびデータ波長が異なる）での光スイッチとしてより有用なものとして、制御強度変動に起因した大きな屈折率変化を有すると同時に、データストリーム強度変動に起因した小さな屈折率変化を有する非線形ナノ複合材料を用いて設計可能である。
本発明の幾つかの実施形態は、結合領域の中及び／又は周りに人工非線形ナノ複合材料を持ち、１０ＴＨｚに達するスピードでスイッチング可能な方向性カプラを備える。本実施形態の１つの好ましい態様では、結合領域の長さは１ｃｍより小さく、より好ましくは１ｍｍより小さく、最も好ましくは０．５ｍｍより小さい。こうした短い相互作用長は、本発明の幾つかの実施形態の人工非線形ナノ複合材料の使用により可能になる。
ここで説明した配置は、単に方向性カプラの平面型の可能性ある具体例に過ぎない。偶数モードと奇数モードと間の相対位相シフトが、人工非線形ナノ複合材料の屈折率変化によって誘起されるいずれの配置（例えば、導波路の垂直変位）も使用可能である。
一般に、好ましい特性は、約６２．５μｍより小さい高さ（好ましくは約２μｍと約１５μｍの間、より好ましくは〜５−７μｍ）、および約６２．５μｍより小さい幅（好ましくは約２μｍと約１０μｍの間、より好ましくは約４μｍと約６μｍの間）を持つ実質的に長方形の導波コアを含む。入力領域および出力領域での導波路間の分離は、典型的には約１０μｍより大きく、より好ましくは２０μｍより大きい。結合領域において、分離は、好ましくは約２μｍと約８μｍの間、より好ましくは約４μｍと約６μｍの間であり、これは導波コアの幅に依存して変化し得る。人工非線形ナノ複合材料を備える活性材料は、結合領域での導波路間の空間を満たし、幅の著しい変化無しで、結合領域を超えて延長し得る。活性材料は、好ましくは、結合領域のいずれかの端部で少なくとも約５０ミクロン延長し、より好ましくは少なくとも約５００ミクロン延長している。これは、制御ビームの共線的(collinear)結合の可能性を実現し、結合領域での急峻な界面問題を最小化する。結合領域の長さは、好ましくは約１００μｍと約１００００μｍの間、より好ましくは約５００μｍと約５０００μｍの間である。有限の非線形屈折率変化の利用を最大化するために、人工非線形ナノ複合材料の屈折率は、好ましくは導波コアの屈折率より小さく、より好ましくは導波コアの屈折率とクラッドの屈折率とのほぼ中間である。非線形ナノ複合材料は、コア中である程度の導波を維持するために、制御ビームの露光下でさえ導波コアの屈折率より小さいままである屈折率を有することが好ましい。別の応用では、非線形ナノ複合材料の屈折率は、コアより大きいか、またはクラッドより小さくすることができる。
特に好ましい実施形態では、用いるナノ複合材料は、活性状態（照射された）と不活性状態（暗い）との間の平均屈折率が、導波コアの屈折率とクラッドの屈折率との間のほぼ中間となるように、設計される。
下記の例は、非線形方向性カプラの好ましい実施形態のサブセットを構成し、本発明の範囲を制限するものでない。
ａ）例１
図１４（ａ）から図１４（ｄ）は、人工非線形ナノ複合材料が平面状の導波路間に挟まれて形成された方向性カプラの１つの好ましい実施形態でのスイッチングのシミュレーションを示す。図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、方向性カプラでの電界振幅を第１のスイッチ状態と第２のスイッチ状態についてそれぞれ示す。電界振幅は、デバイスの寸法を表すｘ軸およびｚ軸で等高線プロットによって示される。図１４（ｂ）、図１４（ｄ）は、デバイスの寸法と、シミュレーションで用いた屈折率を示す。図１４（ｂ）では、デバイスは、人工ナノ複合材料の屈折率が１．４４５である第１のスイッチ状態にある。図１４（ｄ）では、この屈折率が１．４４５から１．４４６まで変化して、第２のスイッチ状態への変化を生成する。
ｂ）例２
方向性カプラは、非線形ナノ複合材料が垂直に分離した導波路間に配置される。
ｃ）例３
方向性カプラは、非線形ナノ複合材料が導波路を包囲している（平面状または３次元状に）。
ｄ）例４
導波コア材料についての、シリコンまたは他の高屈折率材料の使用
ｅ）例５
導波路を非線形ナノ複合材料に直接に書き込んで、スイッチング用の結合領域全体を照射する。
ｆ）例６
方向性カプラは、コアとして非線形ナノ複合材料を持つ。
（非線形ＭＺ干渉計）
典型的なマッハツェンダスイッチは、図１５に示すように、５つの領域を備える。図１５において、実線は光導波路を表す。この場合、ビームが分割され、方向性カプラによって再結合する。その代替として、ビームは、Ｙ接続を用いて分割および再結合が可能である。入力領域は、スイッチへの入力を形成する。２×２のクロスコネクトでは、入力（ａ）（ｂ）の両方が用いられる（各入力データストリームにつき１つ）。簡単なオンオフスイッチでは、入力（ａ）または入力（ｂ）のいずれかが入力として用いられる。入力３ｄＢカプラ（「分割器」）は、位相遅延領域の２つのアーム間でデータ信号を効率的に分配する（典型的には、必ずしも平等でない）。２つのアーム間の相対的な位相遅延に依存して、出力３ｄＢカプラに入る信号は、建設的または破壊的に干渉可能である。干渉計に依存して、スイッチは、ストレート（ａ⇔ｃ，ｂ⇔ｄ）、クロスオーバ（ａ⇔ｄ，ｂ⇔ｃ）または中間のいずれかとなる。一方または両方のアームの屈折率を変調することによって、相対的な位相遅延を調整することができ、ＭＺ干渉計の出力に影響を与えたり制御することができる。
マッハツェンダ構造の１つの通常の実施形態は、熱−光スイッチであり、屈折率は温度の関数として変調される。このタイプの熱−光スイッチは、１−３ｍｓのスイッチングスピードを有し、光ネットワーク保護および回復の目的には充分であるが、高速スイッチング応用には不充分である。
本発明の実施形態は、独特の人工非線形ナノ複合材料を備え、１０ＴＨｚ程度に高いスピードで機能する能力を有する非線形ＭＺ干渉計を提供する。ナノ複合材料は、好ましくは、ＭＺ干渉計の位相遅延領域の一方または両方のアームのコアに組み込まれる（両方のアームへの組み込みは、特に好ましく、到来するデータストリームによって生ずる非線形ナノ複合材料での屈折率変調に起因して、スイッチでの効果を最小化できる）。その代替として、あるいは接続点では、ナノ複合材料は、位相遅延領域のクラッドに組み込んでもよい。制御ビームで誘起される非線形性は、例えば、ナノ複合材料をトリガーパルスで照射することによって達成され、非線形ナノ複合材料でのデータビームによって見られる屈折率変化を導入するために、任意に用いられる。制御ビームは、非線形ナノ複合材料全体に均一に分布する必要はない。この屈折率変化は、共鳴、非共鳴または近共鳴のプロセスから由来する。本発明の１つの好ましい実施形態では、ＭＺ干渉計スイッチの活性領域は、約５ｍｍより小さい長さであり、好ましくは約１ｍｍより小さく、より好ましくは約０．５ｍｍより小さい。こうした短い活性領域長は、従前に典型的に利用可能であったものより数桁ほど短い。
人工非線形ナノ複合材料に用いられる量子ドットの材料およびサイズは、関心波長範囲で非線形性を最大化し、損失を最小化するように、選択可能である。量子ドットの濃度は、特定の導波路の材料および構造によって決定される屈折率要件に整合するように、別々に選択可能である。導波コアに組み込まれるナノ複合材料は、屈折率はクラッド材料の屈折率より大きいように、好ましくは導波コア材料の屈折率と等しいように、典型的に選択される。その代替として、導波コアの界面反射を低減するため、ナノ複合材料は、導波コア材料より大きい、好ましくは約１％未満だけ大きい屈折率を有してもよい。クラッドに組み込まれるナノ複合材料は、濃度は、ナノ複合材料の屈折率が導波コアの屈折率より小さく、好ましくはクラッド材料の屈折率と等しくなるように、典型的に選択される。その代替として、ナノ複合材料はクラッドより小さい屈折率を有することがある。任意には、ナノ複合材料はクラッドより大きい屈折率を有することがある。
対称性の制限は、一般のＭＺ干渉計では典型的には要求されない。実際、２つのアーム間の実効屈折率バイアスや位相バイアスを誘導するために、デバイスは非対称設計を任意に使用してもよい。１５００ｎｍと１６００ｎｍの間の波長で動作する平面導波路デバイスでは、導波コア材料は、好ましくはドープされたシリカであり、クラッドは、好ましくは１０％より小さい屈折率差を持つドープされたシリカである。シリカ導波路製造の分野での当業者は、これらの条件を達成するのに必要な特別のドーパントおよび濃度を知っていることであろう。一実施形態では、導波路断面は、約６２．５μｍより小さい厚さ（より好ましくは約２μｍと約１５μｍの間、最も好ましくは約５−７μｍの間）、および約６２．５μｍより小さい幅（より好ましくは約２μｍと約１０μｍの間、最も好ましくは約４μｍと約６μｍの間）を持つ実質的に長方形であることが好ましい。他の実施形態では、導波路断面は、約２μｍと約１０μｍの間の厚さおよび幅（好ましくは約４−７μｍの厚さで、約４−６μｍの幅）を持つ実質的に長方形であることが好ましい。典型的には、入力および出力方向性カプラの両方は、約８μｍより小さい（好ましくは、約１μｍと約６μｍの間）結合領域での分離と、約１００μｍと約３０００μｍの間（好ましくは、約２００μｍと約２０００μｍの間）の結合領域長を有することになり、コア寸法、導波路分離、コア−クラッド屈折率差に依存する長さを持つ。相互作用領域外側での領域では、導波路分離は、好ましくは約１０μｍより大きく、より好ましくは約３０μｍより大きい。最小分離は、コア−クラッド屈折率変化の関数であり、典型的には屈折率差の増加に伴って減少する。
その代替として、非線形マッハツェンダ干渉計構造は、入力および出力カプラの両方にＭＭＩカプラ（典型的には対称）で作成可能であり、この場合、ＭＭＩ寸法は、好ましくは約１０μｍと約５０μｍの間（より好ましくは約１５μｍと約３０μｍの間）の幅で、約１００μｍと約１ｍｍの間（より好ましくは約２００μｍと約６００μｍの間）の長さである。さらに、非線形マッハツェンダの１つの好ましい実施形態は、位相遅延領域への制御光の結合を促進するため、各位相遅延領域の各端部でＭＭＩ ＷＤＭカプラを組み込んでいる。
位相遅延領域の長さは、典型的には、トリガー信号によって誘導されるクロス位相変調の長さによって決定される。デバイスの長さは、デバイスに入射するトリガー信号強度について、完全なπ位相変化を許容するのに充分長いことが好ましい（「π長さ」）。制御パルスの強度は、パススルーおよびクロスオーバの条件の両方について既知であれば、相互作用領域の正確または適切な長さは、導波コアの寸法、人工非線形ナノ複合材料の光学特性、ＭＺ構造内部の非線形材料の場所、およびトリガーパルスの強度プロファイルから決定可能である。任意には、複数のトリガーパルスの強度が使用可能であり、この場合、デバイスの活性長は、典型的には、π長さを超えて少なくとも約２０％だけ増加することが好ましく、動的な予備を提供し、トリム能力を可能にする。
下記の例は、ＭＺ干渉計スイッチの好ましい実施形態のサブセットを構成し、本発明の範囲を制限するものでない。
ａ）例１
図１６（ａ）から図１６（ｅ）は、本発明の実施形態に係る人工非線形ナノ複合材料を備えるＭＺＩスイッチにおいて、スイッチングのシミュレーションを示す。図１６（ａ）は、ＭＺＩスイッチ全体の水平断面についての屈折率の起伏プロットを示す。示したプロットにおいて、両アームの屈折率は同一であり、本例は、非線形ナノ複合材料が不活性のままである場合の条件に対応している。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の条件下で、デバイス内部の光強度の垂直全体を示す。図１６（ｃ）から図１６（ｅ）は、２つのアームが、それぞれ０．００１，０．００２，０．００５の屈折率差を有するようにモデル化された場合の、デバイス内部の光強度の垂直全体を示す。これは、アームの一方での非線形ナノ複合材料が異なるレベル（例えば、−２７μｍでのアーム）で活性化して、他方のアームより大きな屈折率を有する条件を表現できる。
ｂ）例２
両方のコアでの活性材料（プッシュ−プル）
ｃ）例３
コア材料としての活性材料（トリガーパルスのスポットサイズは、活性領域または複数の活性領域を規定する）
ｄ）例４
クラッド中の活性材料（例えば、アーム１またはアーム２についての位相遅延領域）
ｅ）例５
全てのクラッド中の活性材料。位相遅延領域だけの照射を伴う。
ｆ）例６
異なる場所に、１つより多くの人工非線形ナノ複合材料（プッシュ−プル）
ｇ）例７
シリコンまたは他の高屈折率コア
ｈ）例８
導波路をナノ複合材料に直接に書き込んで、スイッチング用の結合領域全体を照射する。
（光トランジスタ）
本発明の一実施形態は、光トランジスタに関係する。一般に、光トランジスタは、電気トランジスタに類似する光学デバイスである。光トランジスタは、電気トランジスタへの電力または電圧供給と同じ能力で機能できる「光バラスト(ballast)」を備える。それはまた、信号入力と信号出力を備える。電気トランジスタにおいて、小さな入力信号は、典型的には非線形で、電圧源（またはバラスト）から出力ポートへの電流を変調できる。光トランジスタにおいて、入力光信号は、典型的には、光バラストから光出力へ放出される光の強度を変調する。これも、非線形の関係を有する。後述するように、光トランジスタは、光信号再生、波長変換、増幅、光論理機能などの多くの可能性ある応用を有する。好ましくは、光トランジスタは、ここで説明した人工非線形ナノ複合材料を備える。しかしながら、光トランジスタは、別の材料（例えば、他の非線形材料）を代わりに備えてもよいことを認識すべきである。
図１７（ａ）から図１７（ｅ）は、人工非線形ナノ複合材料を備える全光トランジスタの幾つかの好ましい実施形態を示す。ここで、実線は光導波路を表し、暗い領域はナノ複合材料の場所を示す。最初の４つの実施形態は、図１７（ａ）から図１７（ｄ）に示すもので、ＭＺ干渉計の変形であり、入力信号は、制御ビームで誘導された光学非線形性によって、２つのアーム間での相対的な位相差を誘導して（ＭＺ干渉計の説明を参照）、光出力へのバラスト信号の伝送の変調をもたらす。５番目の実施形態は、図１７（ｅ）に示すもので、非線形方向性カプラの変形であり、入力信号は、中央の非線形ナノ複合材料に供給され（図示のように、上部から、あるいは非線形領域に沿って）、バラスト信号の出力を変調する。全ての場合、光トランジスタのダイナミックレンジおよび「利得」は、光バラストの強度によって制御可能である。
図１７（ａ）から図１７（ｅ）に示す各実施形態では、２つの入力が設けられる。第１の入力はデータ入力である。この場合、入力信号はトリガー信号でもある。第２の入力はＣＷ信号であり、バラスト信号に対応している。その代替として、入力信号またはバラスト信号、あるいはその両方は、パルスであってもよい。入力信号およびバラスト信号の波長は、同一であっても異なっていてもよい。光トランジスタの応答時間は、任意には約６０ｆｓかそれより高速である。
これらの各実施形態において、設計パラメータは、好ましくは、個々の構成部品について先のセクションで説明したものと同様である。多くの代替的実施形態は、当業者が認識するものと同様に、種々のデバイスおよび材料を用いて、想定可能である。
図１７（ｆ）から図１７（ｉ）は、本発明の実施形態に係る人工非線形ナノ複合材料を備える光トランジスタのシミュレーションを示す。図１７（ｆ）は、光トランジスタ全体の水平断面についての屈折率の起伏プロットを示す。図１７（ｇ）は、図１７（ｆ）の条件下で、デバイス内部の光強度の垂直全体を示す。図１７（ｈ）、図１７（ｉ）では、デバイスのアームの相対屈折率が変化した。相対屈折率を調整することによって、「データアウト」信号（波長λ２）が、図１７（ｇ）に示す下側アーム、図１７（ｈ）に示す上側アーム、あるいは図１７（ｉ）に示す両方のアームにおいて、出口まで導波可能になる。図１７（ｇ）、図１７（ｈ）、図１７（ｉ）は、非線形ナノ複合材料が異なるレベルで活性化して、異なる屈折率増加をもたらす場合の条件を表現できる。
（波長変換器）
一般に、波長変換器は、再構成可能性での実質的な増加を可能にすることによって、光ネットワークの波長資源の使用においてより高い効率を実現できる。
これらは、典型的には、光ドメインで１つの波長でのデータを異なる別個の波長に変換する能力を有する。現在、第１世代設計は、典型的には、信号検出による光−電子波長変換および異なる波長での再生を実施している。本発明の実施形態は、人工非線形ナノ複合材料を用いて、約１０ＴＨｚに達するスピードで全光波長変換を実施するための方法およびデバイスを備える。
本発明の幾つかの実施形態の波長変換器は、光トランジスタを備え、従前の波長変換器に対して著しい改善を示す。好ましくは、波長変換器は、ここで説明した人工非線形ナノ複合材料を備える。しかしながら、波長変換器は、他の材料（例えば、他の非線形材料）を代わりに備えてもよいことを認識すべきである。
本発明の一実施形態において、波長変換器は、異なる入力波長およびバラスト波長を持つ光トランジスタを備える。この場合、出力信号は、入力信号強度の関数として、ゼロからある有限の信号まで変調される。λ１での一連のデータパルスは、λ２での実質的に同じ一連の出力パルスをもたらし得る。図１７（ａ）から図１７（ｅ）の光トランジスタを変更して、異なる波長の入力信号およびバラスト信号を使用するすることによって、全光波長変換器の幾つかの好ましい実施形態が製造できる。図１７（ａ）から図１７（ｄ）に示すように、最初の４つの実施形態は、ＭＺ干渉計の変形であり、到来するλ１のデータストリームは、クロス位相変調によって２つのアーム間で相対的な位相差を誘導する（ＭＺの説明を参照）。５番目の実施形態は、図１７（ｅ）に示すように、非線形方向性カプラの変形であり、データストリームが中央の非線形ナノ複合材料に供給される（図示のように、上部から、あるいは非線形領域に沿って）。
先の各実施形態では、２つの入力が設けられる。第１の入力は、異なる波長（λ２）に変換される波長（λ１）のデータ信号である。この場合、データ信号はトリガーパルスでもある。第２の入力は、データ信号によって変調される、λ２のＣＷ信号である。その代替として、第２の信号は、データ信号の周波数に同期可能なパルス信号である。
これらの各実施形態において、設計パラメータは、好ましくは、個々の構成部品について先のセクションで説明したものと類似している。多くの代替的実施形態は、当業者が認識するものと同様に、種々のデバイスおよび材料を用いて、想定可能である。
（光再生(regeneration)システム）
現在のＷＤＭシステムでは、光再生（２Ｒ再増幅(reamplification)と再整形(reshaping)）または３Ｒ（２Ｒと再タイミング(retiming)）が、主として光から電子への変換を用いて実施されている。この変換後、いったん信号が適切な特性に矯正され（再整形）、ローカル発振器に位相ロックされると（再タイミング）、信号は、適切な振幅（再増幅）で再送信可能になる（電子から光への変換を経由して）。
本発明の実施形態の光トランジスタは、２Ｒ及び／又は３Ｒ再生を提供するように構成可能である。好ましくは、光再生システムは、ここで説明した人工非線形ナノ複合材料を備える。しかしながら、光再生システムは、他の材料（例えば、他の非線形材料）を代わりに備えてもよいことを認識すべきである。
本発明の１つの好ましい実施形態において、光再生システムは、同じまたは異なる入力波長およびバラスト波長を持つ光トランジスタを備える（異なる波長の場合、再生システムは波長変換器としても機能する）。いずれの場合も、バラスト信号は、典型的にはパルスであり、ローカルクロックと同期している（再タイミングのため）。バラスト信号のパルス幅は、典型的には、所望の出力パルス整形と整合するように選択される（再整形）。入力信号は、再生すべきデータ信号である。バラスト信号の強度は、好ましくは、データ信号より約１０倍高く、より好ましくはデータ信号より約１００倍高く、所望の出力信号に依存して選択できる（再増幅）。データ信号は、任意にはパルスである。
（四波混合を備える波長変換（非共鳴非線形））
波長変換は、本発明の幾つかの実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いて、四波混合を介して達成可能である。デバイスは、ナノ複合材料の高い光学非線形性を使用して、非縮退四波混合を用いたデータ信号の効率的な周波数変換を提供できる。このプロセスにおいて、キャリア周波数ｆ１を持つデータ信号は、人工非線形ナノ複合材料において周波数ｆ２の制御ビームと相互作用し、入射周波数に加えて、周波数２ｆ１−ｆ２および２ｆ２−ｆ１を持つビームを形成する。これは、制御ビーム周波数と適切に同調することによって、周波数がシフトしたデータビームを他のいずれかのＩＴＵグリッド周波数で発生することを可能にする。望ましくないビームは、適切な周波数分割器及び／又はフィルタを用いて、新しいデータビームから分離可能である。周波数がシフトしたビームの強度は、典型的には、ナノ複合材料（例えば、フィルム形状）の非線形性に依存するため、できる限り大きな非線形性を持つ非線形ナノ複合材料を設計することが望ましい。さらに、フィルムの線形屈折率をできる限り低くしたり、あるいはビームをフィルムへ移送する導波路材料の屈折率と整合することによって、フィルム中のフレネル損失を低減することも望ましい。これらの要因は、望ましくは、所望の周波数での最終出力が最大化するように、最適化すべきである。
（光リミッタ）
光リミッタの実施形態は、本発明の幾つかの実施形態のナノ複合材料の非線形光吸収を用いて、ナノ複合材料を通過する光パワーを制限する。これは、非線形光学材料の異なる使用を示し、誘導された吸収損失は好都合となる。超高速（例えば、＜１ｐｓ）光リミッタでは、本材料の量子ドットによって提供される大きな２光子吸収（ＴＰＡ）が利用可能である。その代替として（おそらくＴＰＡとの組合せで）、懸案の光の波長に匹敵するサイズの量子ドットの凝集によって生ずる、より高強度の照射の下で（増加した屈折率変化に起因して）、散乱損失は増強され得る。理想的には、マトリクス材料は、量子ドットのグループと整合する屈折率であり、最初は、散乱損失は皆無かほとんど無い。最後に、非線形屈折の使用は、増加する強度を持つアパーチャを通してスループットを低減する手段として、非線形光学材料中の誘導レンズを形成するために使用可能であろう。これは、超高速（例えば、熱効果が存在しない場合）でも、比較的低速でもよく、著しい光吸収が生じて、材料を加熱し熱レンズを誘導する（例えば、熱−光効果を介して）か否かに依存している。
（可飽和吸収体を備える１×Ｎ制御可能／構成可能なスイッチ）
このデバイスは、本発明の幾つかの実施形態の人工非線形ナノ複合材料の線形光学特性（特に、吸収）を用いて、可飽和吸収体、即ち、吸収が適切な光強度（即ち、量子ドットでの励起ライフタイムより短い期間の影響）で「漂白」可能な材料を提供する。こうした可飽和吸収体を用いたスイッチは、データを送信するために用いられる光ビームが、検出の閾値より低いレベルに吸収されるように、最適化される。制御ビームは、同じ波長でも異なる波長でもよく、飽和に充分であるか、飽和閾値より大きい、またはそれと等しい（例えば、同じ波長について）、あるいは飽和閾値より大きい、またはそれと等しい（例えば、異なる波長について）パルスであって、データビームとして同じスポットに衝突するパルスを有し、データビームの伝送を可能にするであろう。異なる波長を用いる場合、制御ビームは、フィルタ除去可能である。スイッチング機能とは別に、デバイスは、光ＡＮＤ論理ゲートとして機能できる。デマルチプレクサ（例えば、異なる波長について）またはパワー分割器（例えば、放送目的で）を用いて、データストリームをＮ本に分割して、Ｎ本の経路につき１つのスイッチを有することによって、１つだけで１×Ｎ制御可能／構成可能なスイッチを作成できる。
（光空間光変調器）
本発明の実施形態は、新規で驚異的に高速な光アドレッシング可能な空間光変調器を作成するためにも使用可能である。これは、ナノ複合材料（例えば、フィルム形状）での空間場所（そこに制御ビームがフィルムに入射する）に作成可能な、光誘導した位相シフトによって達成可能である。位相シフトの空間的構成は、ナノ複合材料上に像形成されるアレイ状のレーザによって特定可能であり、望ましくは変調器素子自体から離れて配置されるバルク状の電子部品およびレーザの全てとともに、光学的にアドレッシング可能な位相シフト空間光変調器を提供する。これは、干渉計内にナノ複合材料を配置することによって、振幅変調器に製作可能である。こうした空間光変調器は、約１０ＴＨｚ程度に高速なスピードで動作可能である。
（同調可能な導波路ブラッグ回折格子およびフィルタ）
高速な応答時間、高い非線形性、およびナノ複合材料の処理容易性を利用することによって、新規なクラスのデバイスが提供可能であり、人工非線形ナノ複合材料と相互作用する光によって生ずる屈折率変化を利用して、実効回折格子周期の変調または導波路中のブラッグ回折格子の完全形成及び／又は消去を実現する。これは、同調可能なフィルタまたは光変調器を機能的に実現する。本発明の幾つかの実施形態において、電界ではなく光が、屈折率を変調するために使用される。その結果、約１０ＴＨｚに達するスイッチング速度での驚異的な改善をもたらす。さらに、従前使用していた液晶技術は、典型的には、回折格子を作成する光干渉の配置を調整することによって、本発明の実施形態で容易に実現可能な同調可能なブラッグ回折格子を生産することはできない。
導波路ブラッグ回折格子は、公知であり、図１８に示すように、高屈折率および低屈折率の部分または一部の代替部分を備える導波コアとして記述できる。典型的には、一連の１つの屈折率の短い部分は、第２の屈折率の長い部分によって分離される。ここで、用語「短い」と「長い」は、回折格子の２つの異なる領域を区別するために用いており、これらの部分の１つが他方より必ず短いか長いことを意味しない。必要ならば、これらの部分は、任意には同じ長さでもよい。導波路ブラッグ回折格子の短い部分は、ここでは「短い部分」と称し、長い部分は「スペーサ部分」と称している。高屈折率材料は、短い部分またはスペーサ部分のいずれも可能である。その代替として、導波コア内での多層積層は、複数の屈折率および複数の長さを備えることができる。
本発明の好ましい実施形態において、導波路回折格子は、光導波コアの部分（例えば、等長の部分）を除去することによって、形成される。各部分は、導波路ブラッグ回折格子の短い部分に相当し得る。そして、除去された部分は、人工非線形ナノ複合材料（あるいは、他の屈折率整合した非線形材料）に整合した屈折率と置き換えられる。トリガー信号の不存在では、導波路の変更部分を通過する光は、屈折率変化を全くあるいはほとんど感じることなく、図１９（ａ）に示すように妨害無しで通過する。特に、図１９（ａ）に示すように不活性状態では、非線形材料の部分は、他の部分と実質的に同じ屈折率を有する。トリガー信号の存在下では、周期的な屈折率変化が形成され、ファイバブラッグ回折格子が現れて、図１９（ｂ）に示すように信号光を操作する（例えば、反射させる）。特に、図１９（ｂ）に示すように活性化状態では、非線形材料の部分は、他の部分と比べてわずかに異なる屈折率を有し、ブラッグ回折格子を形成する。
回折格子のスペクトル特性は、導波コア材料および人工非線形ナノ複合材料の長さおよび間隔の特定のものを選択することによって、調整可能である。薄い部分の長さは、スペーサの長さとともに、いずれかの誘電体積層を作成するために、選択可能である。積層は、周期的でも非周期的でもよく、同じまたは異なる長さを持つ全ての層を有することもできる。回折格子は、パルス信号の不存在でも存在して、トリガーが存在しているときは消滅するように、デバイスを構成することも可能である。
代わりの実施形態において、回折格子は、スペーサ部分を備える人工非線形ナノ複合材料を用いて形成される。この場合、スペーサ部分の屈折率を変調することは、光が導波路を進行する速度を低減させて、短い部分の間での実効的な距離変化を生成する。その結果、ブラッグ回折格子の波長特性は、典型的には、屈折率変化、そしてトリガーパルスの強度に依存するようになる。本実施形態において、波長同調可能で、光制御された導波路ブラッグ回折格子が形成される。特に、非線形材料の部分は、伝送すべき所望の波長（または波長帯域）について適切な値に連続的に同調可能な屈折率を有する。
本発明の実施形態は、トリガーパルスで同調可能な導波路ブラッグ回折格子を照射するための方法も提供する。好ましい実施形態は、下記のものを含む。
ａ）ブラッグ回折格子の構造全体の横方向照射。
ｂ）導波路を通じた縦方向照射。トリガーパルスは、データ信号の通過時間に対して広い持続時間であったり、あるいはトリガーパルスはデータ信号と同期可能である。
ｃ）照射される回折格子の一部だけ及び／又は異なる条件下で照射される別々の部分での横方向照射。通常の回折格子からチャープ(chirped)回折格子を作成するため、例えば、回折格子の長さに沿って名目上直線的に変化する光路長を持つ不均一な回折格子を作成して、「チャープ」回折格子を形成するため。
ｄ）回折格子全体の横方向または縦方向照射。最初の回折格子構造が本質的にチャープしているもの。
同調可能な導波路ブラッグ回折格子の可能性ある応用は、下記のものを含む。
ａ）全光スイッチング−トリガーパルスを用いたブラッグ回折状態と非回折状態との間での変調。
ｂ）同調可能な回折格子−ブラッグ回折格子のスペクトル応答に同調するために、トリガー信号の強度を変化させる。図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、本発明の実施形態に係る同調可能な非線形ブラッグ反射器を不活性状態と活性化状態で示す。この場合、非線形材料の部分は、伝送または反射すべき所望の波長（または波長帯域）について適切な値に連続的に同調可能な屈折率を有する。
ｃ）波長変換器−上記１と２の組合せ。多重の波長が導波路に入るが、全て反射される。データパルスは、ブラッグ回折格子の形成を起動し、強度は、伝送される波長を選択する。
ｄ）可変光減衰器
ｅ）チャープブラッグ回折格子を用いた同調可能な分散補償−チャープブラッグ回折格子の部分を選択的に調整して、ＰＭＤ、色分散などを補償するために、適切な分散特性を微同調する。
（再構成可能な集積光システム）
他のデバイスは、再構成可能な集積光システムである。再構成可能な集積光システムは、薄膜の人工非線形ナノ複合材料を備え、典型的には、ナノ複合材料より低い線形屈折率を持つ２つの誘電体層の間に挟まれている。任意には、誘電体層のうちの１つは、パターン化されたアレイ状の表面発光レーザを備える。表面発光レーザは、誘電体材料からなる追加の層によってナノ複合層から任意に分離しており、これらの１つ又はそれ以上は、ナノ複合層の別の側にある誘電体層と実質的に同じ屈折率を有してもよい。
フィルム端部からナノ複合層へ導波される光は、内部全反射によって、ナノ複合層内にトラップされる。２Ｄパターンの望ましい導波路のフィルムを照射することによって、光学非線形性を介して屈折率変化が作成可能である。正確な照明パターンを選択することによって、種々の一時的な導波構造をナノ複合層へパターン化できる。光スイッチング応用では、一時的な導波路へ導波される光は、従来形成される導波路によってアクセス可能であるどんな出力場所へも方向付け可能である。
システムは、照射パターンを電子的に変化させることによって、再構成することができる。照射パターンは、表面発光レーザまたは外部光源によって生成可能である。図２１（ａ）、図２１（ｂ）は、表面発光レーザおよび各デバイスを通る１つの可能な光路の光パターンに沿って再構成可能な集積光システムの実施形態を示す。図２１（ａ）では、適切なＶＣＳＥＬは、入力ビーム路から適切な出力ビーム路への光路を規定するようなパターンでフィルムを照射するために、ターンオンとなる。図２１（ｂ）では、ＶＣＳＥＬアレイは、フィルム中での光路のセット数を定義するために、事前にパターン化される。
（再構成可能なフォトニックバンドギャップ集積光システム）
フォトニック結晶は、光伝送を所定セットの波数ベクトルまたは「バンド」に制限する周期的な屈折率変調を持つ材料である。これは、半導体のエネルギーバンド構造を生じさせ、結晶中の電子の運動を制御する格子状の周期的配列のイオンと性質上類似している。フォトニック結晶では、屈折率変化の周期的配列は、光子が結晶中をどのように運動するかを制御する。
フォトニックバンドギャップ結晶は、１９８７年、Eli Yablonovitch氏とSajeev John氏によって最初に予言された。屈折率３．６のスラブ状の材料に孔開けされたアレイ状の１ｍｍ孔は、マイクロ波がいずれの方向に伝搬するのを防止することが判った。これは、電子のエネルギーが電子バンドギャップと整合しない場合、電子が材料中を進行できないひとに類似していた。
空孔(void)の幾つかを拡大したり、減少させたり、除去することによって、フォトニック結晶の周期性を壊すことは、新しいエネルギーレベルをバンドギャップ内部に導入する（エネルギーレベルを半導体の電子バンドギャップ内に追加するドーパント原子に類似）。これは、まさに特定の方法だけで光を伝搬させるフォトニック結晶を作成する。
欠陥パターンを変更し、疑似結晶の対称性を壊すことによって、多くの構造がフォトニック結晶中に実現可能である。例えば、導波路は、一連の隣接した欠陥を変更することによって形成可能である。適切な欠陥パターンを用いて、光は、極めてほぼ直角の角部周りで導波可能になる。波長選択構造も、対称性および間隔の慎重な選択を用いて形成可能である。
本発明の幾つかの実施形態のデバイスは、再構成可能なフォトニックバンドギャップ材料であり、これは、所望の場所にある欠陥の作成や変更を可能にするため、周期的格子の屈折率変調が電子的に制御可能である。こうしたデバイスは、図２２に示すように、人工非線形ナノ複合材料で（少なくとも部分的に）作成されたフォトニックバンド構造（ここでは、２Ｄ構造）を備える。ナノ複合材料は、格子の高屈折領域または低屈折領域に制限してもよい。任意には、ナノ複合材料は、全体領域を充満可能であり、照射パターンは、必要な屈折率変調を定義可能である。その代替として、異なる光学特性を持つ２つ又はそれ以上の異なるナノ複合材料が使用可能である。本実施形態では、ナノ複合材料は、反対のやり方で（例えば、入射光は、一方の材料の屈折率を増加させるが、他方の屈折率を低下させる）入射光に対して任意に反応してもよい。
図２２に示す２Ｄフォトニックバンドギャップ材料は、フォトニックバンドギャップ材料の端部から入る光が２Ｄ構造内部で導波されるように、２つの誘電体層の間に挟まれ得る。任意には、誘電体層の一方または両方は、制御ビームで誘導される光学非線形性によって、非線形材料を変更するためのパターン化されたアレイ状の表面発光レーザを備えることができる。
表面発光レーザまたは外部光源によって誘導されるナノ複合材料での光学非線形性は、フォトニックバンドギャップ材料内部の異なる場所で屈折率変化を導く。その結果、欠陥の構造が変化し、デバイスのフォトニック特性に影響を与える。各光源素子の強度を別々に変化させることによって、フォトニック構造は選択的に変更可能であり、デバイスの機能は、優れた精度で制御可能である。照射パターンを変えることによって、デバイス中へ導波される光路を任意に制御することができる。
代わりの実施形態において、本発明のフォトニックバンドギャップ材料は、人工非線形ナノ複合材料を備える３Ｄフォトニックバンドギャップとすることができる。周期的な屈折率変調の照射は、３Ｄフォトニック特性を変化させる。３Ｄフォトニックバンドギャップ材料の場合での照射は、１つ又はそれ以上の共焦光学系を用いて実施可能である。
（人工非線形ナノ複合材料を備えるシステム）
本発明の実施形態の材料で形成されたデバイスおよび構造は、高速光処理が可能な種々の新規な光システムおよびサブシステムを生産するために、さらに組合せ可能である。非線形ナノ複合材料（上述したような）をベースとした小型デバイスを用いて、これらのシステムを単一導波チップ上に実現する能力を著しく改善できる。
（Ｎ×Ｍ高速光クロスコネクト）
全光クロスコネクトは、光ネックワークを通じた高速データ伝送にとって重要である。現在、クロスコネクトは、ミリ秒オーダーのスイッチング時間で機能し、固定経路を再構成するのには適切であるが、動的なデータパケット交換には不適である。本発明の実施形態のデバイスを組合せることによって、新規な高速光クロスコネクトが製作可能であり、約１０ＴＨｚより大きいスピードでの全光の再構成またはスイッチングを実現する。
特に好ましい２つの構成は、Benes構造およびSpanke-Benes構造であるが、多くの他の可能性ある構造が使用可能であり、当業者には明らかであろう。代替構造のリストは、文献（R. Ramaswami and K. N. Sivarajan, Optical Networks: A Practical Perspective (Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 2002)）（これは参照によって全体がここに組み込まれる）で見つけることができる。
本発明の実施形態は、本発明の実施形態のＭＺ干渉計スイッチまたは方向性カプラを備える２×２光クロスコネクトに関係する。デバイスは、好ましくは平面導波路で、より好ましくは導波コア材料としてシリカまたはドープシリカを持つモノリシック導波路（任意には、幾つかのダイを備える疑似モノリシック）で具体化される。
本発明の更なる実施形態は、上述した構造の１つにおいて複数の２×２光スイッチを備えるＮ×Ｍ光クロスコネクトである。このクロスコネクトは、個々のスイッチと同じ高速なスピードで動作可能である（約１０ＴＨｚに達する）。この場合、ＮとＭは、独立して、好ましくは１と１００００の間、より好ましくは１と１０００の間、最も好ましくは１と１００の間となる。１つ又はそれ以上のスイッチは、チップ上にスイッチングネットワーク全体を形成するために、単一基板上に製作可能である。好ましい実施形態では、本発明は、単一ップ上に製作された２×２クロスコネクトを備える。代わりの実施形態では、本発明は、単一ップ上に製作された４×４、８×８、１６×１６、３２×３２または６４×６４のクロスコネクトを備える。任意には、１つ又はそれ以上のチップが、ノードのクロスコネクトサイズおよびアクセス可能な寸法をさらに増加させるために、組合せ可能である。各マルチスイッチ構造は、好ましくは、非線形方向性カプラを備えるＭＺ干渉計、またはこれらの組合せを備える。
（Ｎ×Ｍ×λ高速波長変換光クロスコネクト）
本発明の実施形態は、全光波長変換クロスコネクトに関係する。波長変換光クロスコネクトは、典型的には、複数の高速波長変換器を持つ複数の高速光クロスコネクトを備える。本発明の実施形態の材料およびデバイスは、本デバイスを形成するために使用可能である。各構成部品の特定の実施形態は、上述したもののリストから選択可能である。
好ましい実施形態において、多重ＷＤＭ信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…ＳＮが、多重の異なる導波路（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…ＧＮ）に沿って波長変換光クロスコネクトに到着する。各信号は、データを運ぶ多重波長（λ１，λ２，λ３…λＭ）を備える。図２３は、３波長、４入力、４出力の間でスイッチング可能な波長変換光クロスコネクトの実施形態を示す。当業者は、より多くの波長、入力及び／又は出力を処理可能な類似のサブシステムが作成可能であることは認識するであろう。同様に、図２３の実施形態は、Ｎ×Ｎ×λクロスコネクトであり、Ｏとは異なるＮを持つＮ×Ｏ×λデバイスも設計可能であることは明らかであろう。
各ファイバ（Ｇｎ）からの各信号（Ｓｎ）は、コンポーネント単一波長信号（λｎ，１，λｎ，２，λｎ，３…λｎ，Ｍ）に多重分離可能である。Ｍ個の個別波長の各々は、異なる（Ｍ＋Ｎ−１）×（Ｍ＋Ｎ−１）光クロスコネクト（ＯＸＣ１，ＯＸＣ２，ＯＸＣ３…ＯＸＣＭ）に入力され、クロスコネクトＯＸＣ１の最初のＮ個の入力は、導波路Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…ＧＮから入力信号（λ１，１，λ２，１，λ３，１…λＮ，１）を受信し、クロスコネクトＯＸＣ２の最初のＮ個の入力は、導波路Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…ＧＮから入力信号（λ１，２，λ２，２，λ３，２…λＮ，２）を受信し、以下同様である。この特定の設計において、個々の光クロスコネクトに到着する信号は、同じ波長を有することに注意する。
各クロスコネクトの最初のＮ個の出力ポートは、入力ポートとして逆の経路に続く。クロスコネクトＯＸＣ１−ＯＸＣＭの第１出力ポートからの信号（λ’１，１，λ’１，２，λ’１，３…λ’１，Ｍ）は、出力導波路Ｇ’１に結合され、同様に、各出力ポート２−Ｎについて出力導波路Ｇ’２−Ｇ’Ｎへと繰り返される。これは、入力Ｇ１−ＧＮでのいずれの単一波長も、いずれの単一の出力Ｇ’１−Ｇ’Ｎへスイッチされることを可能にする。
透明な波長変換を促進するため、Ｍ＋Ｎ−１個の入力および出力の残りが、波長を変化させるために使用される。波長変換すべき信号は、適切な波長変換器のための出力ポートへスイッチされる。変換後、信号は、新しい波長のための適切なクロスコネクトへ輸送される。例えば、ＯＸＣ１の出力ポートＮ＋１は、波長λ１を持つ信号をλ１→λ３波長変換器に取得する。そして、信号は、いずれの出力ポートへスイッチ可能になる。同様に、残りのＭ−１出力ポートおよび各クロスコネクトについて、繰り返される。
どのようにデータが波長変換クロスコネクトを伝送されるかの例として、図２３に示す場合を検討する。波長λ３のデータが入力導波路Ｇ２（左側の矢印）に到着して、波長λ’１に変換され、出力導波路Ｇ’４にスイッチされる。下記の動作が必要になる。Ｇ２でのＳ２が多重分離され、個々のコンポーネント単一波長信号（λ２，１，λ２，２，λ２，３…λ２，Ｍ）に分離される。波長コンポーネントλ２，３は、クロスコネクトＯＸＣ３のポート２へ経路設定される。クロスコネクトの適切な相互接続を通じて、信号λ２，３は、λ３→λ１波長変換器に接続された出力ポート５へ経路設定される。波長変換器の出力は、クロスコネクトＯＸＣ１の入力６へ導く。信号（今はλ’’２，１）が出力４に経路設定され、そしてＧ’４へ多重化される。全体の変換λ２，３→λ’４，１は完了した。同様な手順が、いずれの他の入力信号からいずれの出力信号へ変換及び／又は接続するために、使用可能である。本実施形態の入力ポートおよび出力ポートの特定のラベルおよび場所は、任意のラベルであり、図２３の実施形態の機能性を維持しつつ、複数の代替的構成が可能であることは、当業者に明らかであろう。この図は、説明目的のためだけに提示され、本発明の範囲を制限することを意味しない。
代わりの実施形態では、上記実施形態の幾つか又は全部の構成部品が単一チップに組み込み可能である。例えば、第１のチップは、λ１への波長変換用の全ての回路を備えてもよく、第２のチップは、λ２への波長変換用の全ての回路を備えることができ、以下同様である。その代替として、全てのクロスコネクトが可能であるように、全ての波長変換は単一構造内に収容可能である。同様に、全体デバイスが可能であるように、波長変換およびクロスコネクトが単一チップへ組み込み可能である。いろいろな他の構成が使用可能であることは認識すべきである。
（テラヘルツＴＤＭ多重／分離）
通信システムでの時分割多重（ＴＤＭ）の使用は、幾つかの低バンド幅データストリームを単一の高バンド幅データストリームへ結合するために、使用可能である。現在、ＴＤＭ用の多重化器(multiplexer)および多重分離器(demultiplexer)は、利用可能なスイッチングスピードによってしばしば制限され、これらが提供できるバンド幅に制限される。
本発明の一実施形態は、約１０ＴＨｚに達するスピードで動作する高速光ＴＤＭ通信システムに関係する。基本システムは、光ファイバでの集合伝送のために、幾つかの低速データレート源を１つの高速データレート信号へビットインターリーブ(bit-interleave)する「ＴＤＭ多重」を備え、パルスをデインターリーブ(de-interleave)して、低速データレートへビット落ちさせる「ＴＤＭ分離」を備える。ＴＤＭ多重およびＴＤＭ分離の両方は、本発明の実施形態の材料およびデバイスを備えることができる。
図２４に示すように、ＴＤＭ多重は、２つの部分を有する。第１の部分は、列状(bank)の全光データサンプラであり、これは、低速光データストリーム（例えば、パラレル）のエッジをサンプルして、データエッジと同期したより短い持続時間パルスが得られる。第２の部分は、一連の光遅延ラインであり、これは、列状の光エッジサンプラによって作成された高速パルスをインターリーブするように機能する。インターリーブ可能なチャネルの数は、全光サンプラによって生成可能な最短パルスによって決定される。
全光サンプラの２つの実施形態は、ＴＤＭ多重において使用可能であり、以下のように説明する。１つの好ましい実施形態は、上述したようなＭＺ構造（対称または非対称）であり、アフターパルスを除去するための上述したような全光スイッチでもある（多重分離の動作において、出力は、典型的には、ＭＺのアーム間で位相の不整合が存在するところに発生し、その結果、制御パルスの立上りエッジおよび立下りエッジで所望の時間にゲート動作が生ずることができ、アフターパルスを導く）。第２の好ましい実施形態は、人工非線形ナノ複合材料を備える非対称リング共振器である。
本発明の実施形態の材料およびデバイスを用いた、新規なＴＤＭ多重分離器を実現する方法は幾つかある。１つの好ましい実施形態は、図２５に示しており、図示のような非線形スイッチのブロックからの同期読み出し(readout)である。このデバイスの動作は、パラレル読み出しを持つシフトレジスタとほぼ同じである。高速データストリームは、スイッチのブロックに入る。外部のタイミングが、データフレームがシステム内で一杯（または大体）になったと判断したとき、制御パルスが発生して、高速ビットがパラレルでデインターリーブ可能になる。
（パルス狭窄化(narrowing)およびＣＷ−パルス変換）
本発明の実施形態の材料およびデバイスを組み込み可能な他のシステムは、光信号のパルス幅を減少させねものである。こうしたデバイスは、ＴＤＭ多重の前に、低速で幅広の光パルスを高速で狭いパルスに変換するために、あるいは再生、再タイミング、パルス再整形のため、しばしば必要になる。１００ｆｓより小さい出力パルスが、本発明の実施形態に従って達成可能である。
上述したようなＭＺ干渉計または方向性カプラを用いて、パルス狭窄化すべき信号が、活性領域に印加される同期トリガーパルスと実質的に同時に、入力導波路の１つに入力可能である。トリガーによって変調される入力信号は、同一または実質的に同一のデータストリームを含み、トリガーパルスに匹敵するパルス幅で出力される。出力パルス幅は、トリガーパルス幅で決定され、ＣＷから＜１００ｆｓまで変化可能になる。この効果を利用して、パルス狭窄化を可能にする。データおよびトリガーパルスの波長は同一である必要がないことから、データおよびトリガーパルスが異なる波長である場合、同じデバイスは、波長変換とともにパルス狭窄化を実施できる。
同じデバイスは、ＣＷ信号を、トリガーパルス幅に匹敵するパルスを持つパルス信号へ変換するためにも使用可能である。
本発明の幾つかの実施形態によれば、パルス狭窄化デバイスおよびＣＷ−パルス変換デバイスは、約１０ＴＨｚ程度の高いレートで機能する能力を有する。
（トリガーパルスを導入する方法）
能動デバイスを光回路から離して配置することは、著しい製造の利点を導くことができる。例えば、容易に置き換え可能なレーザ制御ユニットは、生産歩留まりを増強して、現場サービス性を改善する。
トリガーパルスを本発明の実施形態の非線形光学材料へ導入するための種々の方法がある。１つの方法は、スイッチ信号を２つの導波路のうちの１つに発射して、スイッチすべき信号パルスと実質的に同時に、相互作用領域に到達するようにすることである。この方法は、米国特許第５６４２４５３号（Margulis et al., 発明の名称摘nhancing the nonlinearity of an optical waveguide 、１９９７年６月２４日発行）（この開示内容は、参照によって全体がここに組み込まれる）に記載されている。スイッチングパルスが相互作用領域を進行することによる非線形材料のエバネセント照射は、スイッチを活性化するのに充分となり得る。導波路界面を超えて１から２ミクロン程度の距離でのエバネセント電界の比較的高い強度に起因して、こうした照射は、高い強度、全体の相互作用長を横切る均一な照射をもたらし、効率的なスイッチングを産み出す。この照射方法の可能性ある短所は、スイッチングパルスが、信号パルスと実質的に同じ時間で２つの導波路の間で進行して、信号データストリームを汚染する可能性があることである。スイッチングパルスが、ＷＤＭ信号で用いられるものとほぼ同じ波長である場合、これは、伝送されるデータと干渉できることになる。スイッチング波長が特定の「ヘッダ(header)」波長に選択される場合、パルス列への漏洩は、この特定のデータストリームのための将来のスイッチングのタイミングを攪乱し得る。いずれの場合も、信号パルスを汚染し得るスイッチング光量を最小化または低減することが望ましい。
代わりの照射方法は、相互作用領域の直交照射、例えば、上面からあるいは側面からの照射をもたらす第３のビーム路を使用することである。こうした方法は、米国特許第５１３６６６９号（Gerdt, 発明の名称天ariable ratio fiber optic coupler optical signal processing element 、１９９２年４月４日発行）（この開示内容は参照によって全体がここに組み込まれる）に記載されている。導波路に垂直な方向から照射することによって、例えば図２６（ａ）に示すように、スイッチの導波モードへの直接的結合無しで、相互作用領域の強い照射が達成できる。その結果、最小のクロストークとなる。クロストークは、この構成において最小されるとともに、短所は、相互作用領域全体に渡って必要なかなり高い強度の照射を生成するのに、かなりの光パワーがしばしば必要になることである。さらに、全体の相互作用長に渡って均質な照射（例えば、ガウシアン照射ではない）が望ましい場合、複雑なビーム整形光学系が必要になるかもしれない。
非線形導波路スイッチの活性領域の均一で高い強度の照射は、本発明の実施形態の必要な相互作用長をより減少させることになり、より小型なスイッチおよびより低い活性化強度をもたらす。これは最終的に、約１０ＴＨｚに達するスピードで動作する全光論理回路とともに光ヘッダパルスを用いて、直接スイッチングが可能である遠距離通信デバイスを導く。これは、非線形導波路スイッチでの光の効率的スイッチングに関係する既存の問題を解決する。人工非線形ナノ複合材料の使用と組み合わせて、こうした照射は、全光スイッチの性能特性を実質的に改善することができる。
ここで説明した、非線形導波路スイッチでの非線形材料を活性化する幾つかの完全した方法は、活性化が実質的に均一で高い強度であり、活性化パルスとデータストリームとの間の最小または低減したクロストークを有する。これらの方法は、人工非線形ナノ複合材料を備えるデバイスに限定されず、種々の光学デバイス（例えば、χ（３）をベースとした光学デバイス）を活性化するために使用可能である。
ａ）第１の好ましい実施形態において、スイッチング導波路間での非線形材料の均一で高い強度の照射は、材料を通る縦方向に照射することによって得られる。例えば、活性化光は、スイッチ導波路に実質的に平行で、活性材料と実質的に同じ面にある活性化導波路を通じて印加可能である。この場合、活性材料は、相互作用領域内での導波路材料と簡単に置換できる。この構成は、図２６（ｂ）、図２６（ｃ）に示しており、図２６（ｂ）は平面図、図２６（ｃ）は斜視図である。
導波構造にとって１つの主たる要件は、導波路内の光が、望ましくは、導波コアとこれを包囲する材料との間の界面で内部全反射すべき点である。この要件は、導波路材料の屈折率が周囲の材料より大きい場合に、満足できる。これは、クラッドより高い屈折率を持つ材料で製作したコア領域を有する典型的な導波構造について真実である。
これは、望ましくは、スイッチが導波路として適切に機能するために、相互作用領域内部では真実となるべきである。この場合、許容可能な活性領域についての１つの要件は、活性材料の屈折率が、望ましくは、導波路より小さいことである。この条件を用いて、導波路と平行に活性領域の中央を通って発射された活性化光は、反対の相対屈折率界面を感じ得る。それ自体、活性領域へ発射された光は、導波路中へ強く漏洩できて、望ましくない応答をもたらす。
ｂ）代わりの好ましい実施形態において、図２６（ｄ）に示すように、トリガーパルスが、相互作用する導波路に実質的に平行であり、活性材料の面より上方または下方に配置された活性化導波路に沿って導入される。この場合、活性化は、スイッチの導波路を通じて発射される光について同様である（例えば、エバネセントで、均一かつ強い）が、典型的には望ましくは、活性化導波路と活性材料との間の誘電体界面に実質的に直交して配向しているスイッチ導波路と効率的に結合しない。
遠距離通信で用いられる光の比較的長い波長（例えば、〜１５００ｎｍ）に起因して、こうした構造内での活性化光の侵入深さは、高い強度で１−２ミクロンと同程度とすることができる。この活性化は、例えば、図２６（ｆ）に示すように、テーパー（例えば、垂直テーパー）を活性化導波路へ組み込むことによって、さらに増加できるであろう。こうしたテーパー領域の結果、結合、そして活性化領域への活性化光の強度を増加させることが可能になる。
１つの好ましい実施形態において、デバイスは、図２６（ｄ）に示すように、活性領域の上方で、スイッチ導波路と実質的に平行に配置された第３の活性化導波コアを持つ上述した光カプラ導波路スイッチを備える。この活性化導波コアは、スイッチ導波路で用いられる同じ材料を備えてもよく、異なる材料を備えてもよい。活性化導波路のコア材料は、好ましくは、ＳｉＯ２であり、好ましくはＳｉ（例えば、単結晶、多結晶またはアモルファス）でもよく、これらのいずれの組合せ（例えば、ＳｉＯ２−ｘ）でもよい。活性化コア材料は、好ましくは、活性材料の屈折率より大きい屈折率を有し、好ましくは約１．４５と約４．０の間である。
当業者に理解されるように、活性化導波路の寸法は、コアおよび活性材料の屈折率の特定の選択に依存して選択可能である。多くの場合、コアは、約１．４５と約１．５５の間の屈折率を有することになる。この場合、導波路は、好ましくは約５０ミクロンより小さい、より好ましくは約２０ミクロンより小さく、最も好ましくは約１０ミクロンより小さい高さと幅を持つ実質的に長方形の断面を有する。高さと幅は、同じでも異なっていてもよい。多くの好ましい実施形態において、高さは、幅より小さくなる。１つの好ましい実施形態では、幅は約３ミクロンと約６ミクロンの間になり、高さは約１ミクロンと約３ミクロンの間になる。
代わりの実施形態では、第１の活性化導波路と実質的に平行で、第１の活性化導波路から活性領域の対向側に位置決めされる第２の活性化導波路を組み込むことによって、更なる改善が達成可能である。この構成は、図２６（ｅ）に示しており、活性化光が２つの導波路間を進行して、活性化光の侵入を各導波路内で約１−２ミクロンまで増加させることを可能にする（即ち、両側からの活性化）。こうした構成において、スイッチの活性領域の大部分は、実質的に均一で、活性領域の全体長さを実質的に横切る強い方法で、効率的に照射可能になる。本実施形態では、活性化導波路は、典型的には、約１ミクロンと約２０ミクロンの間、より好ましくは約１ミクロンと約１０ミクロンの間、最も好ましくは約４ミクロンと約１０ミクロンの間の距離だけ離隔しているべきである。好ましい実施形態において、活性化導波路は、信号導波路の幅と等しいか、それより大きい距離だけ離隔している。２つの活性化導波路は、好ましくは、互いに鏡像である。その代替として、各活性化導波路は、別個に構成可能である。必要であれば、活性化導波路の一方または両方は、テーパー領域を含むことができる。
１つ又は複数の活性化導波路は、スイッチ導波路に対していずれか特定の方向に配向していることは必要でなく、単に、活性化導波路の一方または両方のコアから延びるエバネセント電磁界が、活性領域において非線形材料と充分に相互作用するにすぎない。こうした構造は、いろいろな方法で製作可能であり、活性化導波路、活性領域およびスイッチ導波路の場所に関して、対称および非対称の構成の両方を含む。しかしながら、活性化導波路と活性材料との間（あるいは相互の）の結合領域が、スイッチ導波路間の相互作用方向に対して実質的に直交して配向していることが好ましい。
好ましい実施形態において、トリガー信号は、光経路設定のためにデータストリームから分割されるヘッダパルスとすることができる。その代替として、このパルスは、光ネットワークでスイッチ間で進行する光パルスのいずれのタイプでもよい。
その代替として、活性化光は、活性領域を横断する際に実質的に減衰せず、スイッチング後に回復可能であり、データパケットとの再結合、あるいは追加のスイッチを活性化するために経路設定されることも可能である。
ｃ）代わりの実施形態において、トリガー信号は、スイッチの非線形材料の照射を上方から、底方からまたは側方からもたらす、ダイオードやレーザなどの光源によって提供可能である。トリガーパルスのタイミングおよび順序は、論理電子信号によって制御される。
１つの好ましい実施形態において、光源は、ＶＣＳＥＬ(vertical cavity surface emitting laser)である。特に好ましい実施形態では、ＶＣＳＥＬは、導波路から分離した基板上に製作される。そして、ＶＣＳＥＬ基板は、ＶＣＳＥＬが活性領域を覆うように、光スイッチに関して逆さまに位置決めされる。その代替として、ＶＣＳＥＬを製作し、その上に直接、光スイッチを製作してもよい（例えば、基板としてＶＣＳＥＬを用いて）。
その代替として、実施形態は、全体の光回路が作成可能なように、アレイ状のＶＣＳＥＬおよびアレイ状のスイッチ（ｎ×ｍ、ここでｎは入力の数を示し、ｍは出力の数を示す。）を備えることができる。本実施形態では、アレイ状のスイッチング素子およびアレイ状のＶＣＳＥＬの配置は、１つ又はそれ以上のＶＣＳＥＬが活性領域を上方から又は底方から照射できるように、位置決めされる。各ＶＣＳＥＬは、独立にまたは一緒に活性化でき、所望の光経路を生成するために、論理信号によって制御可能である。活性領域およびＶＣＳＥＬの両方のこれらのアレイの実現は、特定の応用とすることができる。
各個別デバイスが、トリガーパルスとして機能する１つ又はそれ以上のＶＣＳＥＬと組合せ可能なように、類似の設計が、種々のデバイスおよびシステムを用いて使用できる。
上記実施形態において、動的なトリミングおよび制御が提供されるように、ＶＣＳＥＬへフィードバックを提供することができる。例えば、スイッチは、デバイスの一方または両方の出力にフォトダイオードを組み込むために、一方または両方の出力から出る少量の光が検出されるように、設計可能である。これは、フォトダイオードの前方に９９：１分割器を用いることによって達成可能である。出力の一方に沿った相対信号が他方より高い場合、該出力での信号を最大化しまたは他方での信号を最小化するために、強度が変調されるようにして、フィードバックがＶＣＳＥＬに適用可能である。これに対して、他方の出力での信号がより高い場合、信号は別の方法で最適化できる。この方法では、各スイッチ位置についてのＶＣＳＥＬの正確な強度は、事前に知ることが必要ではなく、スイッチが用いられる時間で決定可能である。その代替として、組み立てプロセスの一部は、両方の位置にある全てのスイッチを動作させ、各位置での最適な識別のために、ＶＣＳＥＬに手動または自動で同調させることが可能である。これは、１回行えば充分であろう。この手順を用いて、同じセットのスイッチは、種々の異なる波長での所望の機能に対して、独立して同調させることができる。
（一般の光学デバイス）
本発明の実施形態の材料で製作可能な他のデバイスは、任意で一般に構成可能なスイッチとして機能するデバイスである。これは、典型的には、大規模に製作可能で、そして、別個のデバイスを生産するためにいろいろな異なる方法で用いられる単一の光部品である。単一の一般デバイスを有することによって、光ネットワークの全ての部品に利用可能な適切なレベルの在庫を維持する際に、著しい節約が実現する。
一般デバイスは、一般化したＭＺスイッチを備え、これは２つのマルチモード相互作用デバイス（ＭＭＩ）を備える。デバイスは、片側に沿った異なる場所にある第１のＭＭＩへ通ずるＮ個の単一モード入力導波路を備える。第１のＭＭＩの反対側では、Ｍ個の単一モード接続導波路が、第１のＭＭＩから第２のＭＭＩへ通じて、それぞれ第２のＭＭＩの一方の壁に沿った異なる場所に入る。最後に、第２のＭＭＩの反対壁には、Ｏ個の単一モード出力導波路がデバイスから離れるように通ずる。Ｎ，Ｍ，Ｏは、これらのいずれの組合せとともに、数値が等しくても等しくなくてもよい。入力導波路、接続導波路および出力導波路の幅は、導波路が各種類に入るように、等しくても等しくなくてもよい。接続導波路の長さは、同じでも異なっていてもよい。
好ましい実施形態において、人工非線形ナノ複合材料は、１つ又はそれ以上の接続導波路の少なくとも１つのセグメント内に配置される。その代替として、ナノ複合材料は、１つ又はそれ以上の接続導波路の周りに配置してもよい。任意には、ナノ複合材料は、第１のＭＭＩ、第２のＭＭＩまたは両方の少なくとも一部の内部に配置してもよい。
ＭＭＩおよび接続導波路の長さおよび間隔を選択することによって、Ｎ×Ｏクロスコネクト、光フィルタ、波長多重分離器、および種々の他のデバイスとして機能できる一般デバイスを作成することができる。デバイスの制御は、いずれか１つ又は全ての接続導波路中の活性材料を照射して、第２のＭＭＩへの異なる出力の干渉を変調することによって、達成できる。第１及び／又は第２のＭＭＩの実効長は、これらの領域中の活性材料を照射することによって、変化可能である。
単一のマルチ波長信号を入力導波路の１つに送り込むことによって、アレイ導波路（ＡＷＧ）と類似した方法で、波長は分離可能である。接続長の差を用いるというより、接続領域での照射強度の差が置き換え可能である。出力導波路の１つだけを外部デバイスに接続することによって、どの波長を活性出力導波路へ経路設定するかを制御するために、接続領域での位相の変調が使用可能である。この方法では、システムは、同調可能光フィルタとして機能する。
単一の波長を１つの入力導波路に送り込むことによって、単一の波長は、接続領域での位相を制御することによって、出力導波路のいずれかの組合せへ変調可能になる。同様に、多重信号は、２つ又はそれ以上の入力導波路へ送り込むことができ、同様にしていずれか１つ又はそれ以上の出力導波路へスイッチ可能になる。ＭＭＩ領域および接続領域での屈折率を独立に制御することによって、この一般光学デバイスについて任意の構成を作成することができる。
図２７（ａ）から図２７（ｄ）は、本発明の幾つかの実施形態に係る一般光学デバイスを示す。線は光導波路を表し、四角はマルチモード干渉計（ＭＭＩ）を表す。マルチ光学モードは、伝搬して、互いに干渉可能である。暗い部分は、人工非線形ナノ複合材料を含む場所を表す。図２７（ａ）では、ナノ複合材料が接続導波路に配置されている。図２７（ｂ）では、ナノ複合材料が接続導波路でのクラッドに配置されている。図２７（ｃ）では、ナノ複合材料がＭＭＩおよび接続導波路に配置されている。図２７（ｄ）では、図２７（ｃ）に示すデバイスが、１つの可能な照射パターンで照射されており、光部分は、ナノ複合材料の照射部分を表す
（同調可能な導波路フィルタ）
上記の一般光学デバイスは、波長多重分離器として機能するように、単一入力でも設計可能である。ＡＷＧの動作は、入力信号の等分割の位相化バージョンの再結合に基づく。個々の分割（位相化アレイで）の位相の完全制御は、典型的には、出力フリーの伝搬領域で１つの単一波長を残りから分離するのに充分である。
（光再生）
他のデバイスは、自己位相変調に起因するスペクトル広幅化の強度依存性を利用して、光再整形を実施する。パルスエネルギーの大部分がデータパルスの歪無し部分にあると仮定して、ハイパス（またはローパス）フィルタを使用でき、データパルスの所望の部分に起因して自己位相変調でシフトしたスペクトルを分離し、データパルスのより低強度の歪みに起因するシフトの少ないスペクトル成分を阻止する。
自己位相変調を生成する１つの方法は、増幅後に、長いシリカファイバの長さを利用することである。遠距離通信で用いられる典型的な強度での比較的低いｎ２に起因して、これは、比較的長いファイバ長さを必要とする（典型的には、キロメータのファイバが所望の効果を得るのに必要になる）。人工非線形ナノ複合材料を用いて、ｎ２を増加させ、自己位相変調を得るのに必要な非線形材料の長さを低減できる。こうして、このタイプの信号再生器は、フォトニック集積回路への組み込み可能である。人工非線形ナノ複合材料を備える、好ましい平面導波路自己位相変調デバイスは、実質的に改善を示す。ファイバ光学系ベースの自己位相変調デバイスにおいてさえ、長さは劇的に低減できる。
（マイクロリングアレイスイッチ）
他のデバイスは、電界の建設的な干渉に起因した電界増強およびマイクロリング構造を用いた実効的相互作用長の増強を利用して、量子ドットを用いた全光スイッチングをより効率的にする。増強は、主として、リング共振器での多重周回（空洞ライフタイム）に起因する。大きな非線形性（例えば、ｎ２）を持つ非線形材料の使用は、共振器サイズをより小型にでき、全光スイッチの時間的応答を改善する。これは、典型的には、周回の回数によって決定される。さらに、より小型のデバイスは、多重機能性のデバイス集積を実現する。
代わりの実施形態において、マイクロリングは、人工非線形ナノ複合材料と組合せ可能であり、同調可能フィルタを形成する。このデバイスは、伝送導波路とマイクロリングとの間の結合領域に組み込まれた人工非線形ナノ複合材料を持つマイクロリングを備える。その代替として、人工非線形ナノ複合材料は、リング自体に追加して組み込み可能である。この場合、ナノ複合材料は、リングの導波コア内部またはリングクラッド中に配置してもよい。結合領域でのナノ複合材料の屈折率を変化させることによって、リングのフィネス(finesse)が変更可能であり、光フィルタのバンド幅を増減できる。リング内のナノ複合材料の屈折率を変化させることによって、実効的なリングサイズが変化して、フィルタの中心波長を調整できる。
（デジタル光スイッチ）
干渉計の固有の感度に起因して、これらは典型的には、波長、偏光、温度および寸法に敏感になる傾向がある。代替物は、デジタル光スイッチ、即ち、入力信号の印加とともに理想的には完全にまたは実質的にオンになるスイッチを使用することである。一般に、このクラスのスイッチは、典型的には、より多くのスイッチングパワーを必要とし（あるいはデバイスが長くなるにつれて）、一方の導波路から他方へ断熱的に結合する光の必要性に起因して、干渉計の光スイッチより高い損失となるかもしれない。一例は、断熱的なＹ分岐を使用することであり、接続点での適切な屈折率増加は、接続点の後、光を２つの導波路のうちの１つへ伝搬させることができる。他の例は、非対称非線形方向性カプラを使用することであり、非線形方向性カプラの一方のアームは、該アームを優先的に導波させる屈折率増加を感じる。これらの両方の例は、典型的には、非線形光学材料の上方からの照射を必要とする。その結果、光の漏洩がほとんど無い。その代替として、制御パルスが、Ｙ分岐の充分近傍にある導波路に導入可能であり、制御ビームのエバネセント裾部が、Ｙ分岐の一方のアームのクラッド層に影響を及ぼして、適切なアームへの優先的な導波を生じさせる。同様な手法は、アームの一方のクラッドに影響を及ぼしてスイッチングを生じさせることによって、アレイ導波路を用いることに関連する。
（吸収変調器）
量子ドットは、極めて大きい内部バンド吸収断面積を有することができる。内部バンド遷移は、典型的には、量子ドットが共鳴励起された場合に発生し、続いて得られる電子−正孔対は、光子によってより高い励起状態に励起され得る。量子ドットでの励起状態の量子化された性質に起因して、ここで説明した材料が、新規タイプの同調可能な吸収変調器を作るために使用可能である。この変調器は、実質的に驚異の改善を示す、極めて大きいダイナミックレンジを有することができる。
本発明の一実施形態は、光ビームの吸収レベルを変調するために、共鳴光励起を使用することに関係する。本実施形態では、人工ナノ複合材料のバンドギャップより高いエネルギーの光子が、第２のビームの波長での光子を吸収する電子−正孔対を励起するために用いられる。用いられる量子ドットのサイズおよび材料は、基底状態の量子ドットによる第２のビームの直接吸収を最小化または低減するように、選択可能である。共鳴励起の強度が増加するにつれて、典型的には、第２のビームの吸収レベルが増加する。存在し得る極めて大きい内部バンド断面積に起因して、極めて大きい変調が得られる。好ましい実施形態では、人工ナノ複合材料は、最低の励起状態からの内部バンド遷移の少なくとも１つのエネルギーが、第２のビームの関心波長範囲と実質的に整合するように、選択される。任意には、サイズ分布は、内部バンド遷移エネルギーの分布が、大きい関心波長範囲、好ましくは１５５０ｎｍまたは１３００ｎｍ周辺の１００ｎｍより大きい範囲をカバーするように、選択可能である。その代替として、サイズ分布は、波長の小さい部分、好ましくは１５５０ｎｍまたは１３００ｎｍ周辺の５０ｎｍより小さい部分、より好ましくは２５ｎｍより小さい部分だけが吸収されるように、任意に選択される。
一実施形態において、人工ナノ複合材料は、コアに沿って伝送される第２のビームが、共鳴ビームの存在下で減衰するように、導波コアに組み込まれ、減衰のレベルは共鳴ビームの強度に関係する。任意には、第２のビームは、トリガー信号の不存在で著しく減衰せず、好ましくは約１０％より小さい減衰であり、より好ましくは約５％より小さい減衰である。
代わりの実施形態において、ナノ複合材料は、光ファイバコアに組み込まれる。その代替として、材料は、導波路または光部品のクラッドに組み込まれる。その代替として、材料は、自由空間光システムへ組み込まれる。
好ましい実施形態において、共鳴光および第２のビームは、トリガー信号、データ信号および他の信号のリストから独立に選択可能である。共鳴及び／又は第２のビームは、ＣＷ信号、非ＣＷ信号およびパルス信号のリストから独立に選択可能である。特に好ましい実施形態において、デバイスは、波長変換器に対応しており、例えば、一方の波長の制御ビーム上のデータは、他方の波長での信号に実質的に刻まれる。
好ましくは、共鳴ビームは、第２のビームより短い波長である。任意には、共鳴ビームおよび第２のビームの波長は、同一である。その代替として、共鳴ビームは、第２のビームより長い波長であり、共鳴ビームは活性材料での著しい２光子吸収を受ける。
その代替として、人工ナノ複合材料内の量子ドットは、電気的に励起され、第２のビームの減衰はナノ複合材料内での量子ドットの電荷レベルに関係する。任意には、人工ナノ複合材料からなるマトリクス材料は、導電材料を備える。導電マトリクス材料は、導電性ポリマー、導電性ガラス、半導体、金属、またはインジウム錫酸化物などの透明導電体を非限定的に含む。
その代替として、量子ドットは熱励起され、第２のビームの減衰をもたらす。任意には、量子ドットは、カソード励起によって励起される。その代替として、量子ドットは、化学的に励起される。
（量子ドットレーザおよび増幅器のための集積光ポンプ）
従来の量子ドットベースのレーザおよび増幅器は、典型的には、電気励起の効率的な手段を欠いている。この問題の１つの手段は、レーザおよび増幅器として使用するため量子ドットを光励起する効率的で安価な方法を見つけることである。新規タイプのＳＯＡは、ポンプレーザ（例えば、ＥＤＦＡ用の９８０ｎｍポンプレーザ）と、ポンプビームを集束するように構成されたデバイスと、本発明の幾つかの実施形態に係るナノ複合材料とを備える。この構成は、ＳＯＡが現在検討されているどんな応用（例えば、安価なマルチ波長増幅器、全光スイッチ、波長変換器など）でも見つける可能性がある。さらに、光励起量子ドットレーザは、パルスレーザ源（高速なオージェ再結合を克服するため）および、レーザ空洞を生成するためのデバイスを必要とするであろう。
（共鳴屈折率変化）
人工非線形ナノ複合材料の多くの光スイッチング応用が、１光子共鳴にも類似して使用可能である。しかしながら、吸収による損失が生じ得る。この１つの方法は、利得の存在下での非線形性を利用すること、例えば、反転した量子ドットを用いることである。理想的には、量子ドットから電荷を注入して抽出する効率的な方法が用いられる。これは、例えば、導電性のポリマーや分子ワイヤを量子ドットに付着させることによって、表面の化学性質を変えることによって、実施してもよい。その代替として、共鳴屈折率変化を利用するために、光励起を使用してもよい。
（好ましい導波構造）
下記のデバイスおよび構造は、光導波路での使用のための構造である。
（２Ｄおよび３Ｄテーパー導波路）
導波システムを光ネットワークに結合させるために、一般には、従来の円柱状ファイバを平面回路の端部に付着させることが望ましい。円柱状ファイバモードと長方形導波路モードとの間の結合損失を最小化または低減するために、界面での平面導波路は、ファイバと類似する寸法で実質的に四角形状にすることが好ましい（光結合のための絶対寸法は、導波コアとクラッドとの間の屈折率差に依存する）。遠距離通信のシングルモードファイバ（コア直径は約８μｍと約９μｍの間）では、典型的な平面導波路屈折率差は〜０．７％で、ファイバと整合する最適な導波路寸法は、約６μｍ×６μｍである。
多くのデバイスでは、デバイス長は、典型的には、単一チップに適合できるデバイスの数への基本的制限となる（よって、達成可能な最大光回路複雑性に設定する）。用いる構造に依存して、導波路の幅は、周囲のクラッドへのエバネセント結合の量に著しい影響を与えるため、デバイス長に劇的なインパクトを有する。６μｍ幅の導波コアで作成された方向性カプラは、典型的には、４μｍ幅の導波コアで作成されたものより２倍以上長くなる（６μｍの均一なコア高さと４μｍの間隔距離を想定して）。
人工非線形ナノ複合材料をベースとしたデバイスの他の重要な要因は、より小型の導波路は、典型的には、光エネルギーを集中させて、強度を増加させ、デバイスの非線形応答を増強させる点である。
この状況を取り扱うため、本発明の実施形態は、導波路テーパー（例えば、導波路寸法は、寸法の一方の組から他方へゆっくりと（例えば、断熱的に）変化する領域）を備える導波構造に関係する。水平テーパーは、標準的なリソグラフ技術を用いて製造可能である。しかしながら、垂直テーパーは別の問題である。
本発明の一実施形態は、垂直テーパーおよびこの形成方法に関係する。本発明の他の実施形態は、垂直テーパーおよび水平テーパーを備える３Ｄテーパーと、この製造方法に関係する。
好ましい実施形態において、垂直テーパーは、テーパー状のレジストマスクを導波路に印刷し、それをシリカへ移送して、垂直テーパー状の導波路を作成することによって、製造される。レジストマスクでの垂直レジストテーパーとレジストマスクでの横方向レジストテーパーの組合せで、３Ｄテーパー導波路が形成される。
この好ましい実施形態において、垂直テーパーは、より厚くすべきエリアでのエッチングに対してより高い抵抗性を有するように、フォトレジスト層が部分的に露光される「傾斜エッチング(graded etch)」を用いて製造される。傾斜エッチングは、アパーチャ格子を通してレジストを露光することによって、達成可能であり、アパーチャサイズ及び／又は格子間隔は、傾斜および露光レベルを規定する。本実施形態では、マスクは、任意に焦点をずらして、アパーチャ間で均一な傾斜を作成してもよい。そして、実質的に均一なエッチングプロセスは、レジストがより少ない抵抗性である領域から、より多くの材料を除去するようになり、層厚での水平傾斜をもたらす。
さらに他の好ましい実施形態において、標準的レジストが、導波エリアで可変濃度の非撮像構造を持つマスクとともに用いられる。これは、レジストに到達する光子流で差異をもたらし、現像剤で異なる溶解レートを生み出す。その結果、垂直方向のテーパーが得られる。そして、このテーパーは、例えば、エッチング技術または埋め込み(implant)エッチング技術を用いて、下地シリカに移送可能になる。エッチング技術において、フォトレジストおよび下地シリカのエッチングレートが、実質的に等しくなるように、圧力、組成、パワー、温度を非限定的に含む種々のプロセスパラメータを用いて調整される。よって、この積層が上記の条件下でエッチングされる場合、テーパー状の導波路が形成される。埋め込み技術を用いて、テーパーは、ある種類のものを層内で異なる深さに埋め込むために用いられる。続いて、層がエッチングされ、マスクのテーパーが下地シリカに移送される。
（テーパーおよび傾斜したクラッド）
一方のクラッド材料から他方へ遷移させることは、多くのデバイスで重要となり得る。例えば、ドープシリカのクラッドは、ファイバ導波路界面での効率的な結合に使用可能であり、急な導波路屈曲に起因した損失を最小化または低減するために、空気クラッドに変化する。そして、このクラッドは、デバイスの活性材料を備える第３の材料へ遷移してもよい。クラッドまたは導波コアでの屈折率の急激な遷移は、多くの集積光学デバイスの性能を劣化させる高次の光学モードの励起をもたらすことがある。現在の製造技術は、典型的には、クラッド屈折率の長手方向の傾斜を導入することを困難にしている。
こうした遷移を容易にするため、本発明の実施形態は、異なる材料からなるクラッド領域間で遷移するテーパー状のクラッドを含む導波構造に関係する。）図２８（ａ）、図２８（ｂ）は、本発明の実施形態に係るテーパー状クラッドの２つの例を示す。ここで、矢印は、光伝搬方向を表す。屈折率ｎ０の領域は、光導波路を表し、屈折率ｎ１，ｎ２の領域は、導波路を包囲するクラッド領域を表す。テーパーの方向は、典型的には、より低い屈折率のクラッドがコアから最も遠くに位置するように選択される。テーパーは、望ましくは、断熱的結合にとって充分に長くすべきである（例えば、約２００μｍと約１００００μｍの間で、好ましくは≧５００μｍ）。垂直クラッドテーパーは、垂直導波コアテーパーについて上述した同じ技術を用いて達成してもよい。導波路またはテーパーは、直線である必要はないが、テーパー厚さは、距離とともに実質的に単調に変化していることが好ましい。
その代替として、クラッドテーパーを導波コアテーパーと組合せて、断熱的遷移を維持しつつ、より短いテーパー長を容易にすることが可能である。最初および最後の導波路サイズと、最初および最後のクラッド屈折率を適切に選択することによって、コアおよびクラッドのテーパー形成を用いて（例えば、コアおよびクラッドの同時テーパー形成）、導波コアテーパーだけ又はクラッドテーパーだけを用いて達成できるものより、垂直および横方向により短い距離（時には著しく短い）に渡って、実質的に断熱的遷移が作成可能である。好ましい実施形態において、テーパー状コアおよびクラッドは、コア内部の光学モードのエバネセント漏洩が、光がテーパー領域の一端から他端へ進行するにつれて実質的に変化しないように、設計される。一実施形態では、遷移は、実質的に急峻とすることができる。
（ブラッグ無反射導波路回折格子）
導波コア材料としてシリコンを用いる多くの利点がある。主たる利点は、より急な（時にはかなり急に）屈曲が、最小または低減した損失で可能である点である。これは、実質的に小型のデバイスをもたらし、より高いレベルの集積化が、例えば、チップ上で可能になる。１つの可能性ある問題は、信号が通常はシリカコアファイバから到来することである。シリカ／シリコン誘電体界面（ｎＳｉＯ２：ｎＳｉ＝１．４５：３．４）からのフレネル反射は、［（３．４−１．４５）／（３．４＋１．４５）］２＝１６％である。これは、多重スイッチがシリカファイバによって相互接続される場合、法外となることがある。
反射損失を低減するために、無反射コーティングは、シリコン導波路内で界面のすぐ内側にブラッグ回折格子を作成することによって、シリカ／シリコン界面で形成可能である。好ましい実施形態において、こうしたブラッグ回折格子は、エッチングし、導波路を一連の低屈折率層または高屈折率層で満たすことによって関心波長範囲での無反射コーティングを作成する周期的間隔を作成することによって、形成可能である。これは、同調可能な導波路回折格子について上述したものと類似している。例えば、シリコン導波路の交替する部分を単に酸化して、無反射導波コアの短い部分またはスペーサ部分を形成することが可能である。
他の実施形態において、シリカ導波路のテーパー形成は、光ファイバとの結合を増加させ得る。ブラッグ回折格子は、シリカ導波路を遷移させて、より高いレベルの集積化を提供し、そして他端で光ファイバと結合するためのシリカ導波路に元に遷移させるために、使用可能である。
（モノリシックマイクロ光学ベンチ(bench)）
本発明の幾つかの実施形態に係る他のデバイスは、モノリシックシリコンで製作したマイクロスケールの自由空間光学ベンチである。このデバイスは、異方性エッチング可能な、一片のモノリシックシリコンまたは他の基板材料を備える。基板へのエッチングによって、３Ｄ構造は、複数の角度および形状を作成することによって形成可能であり、それぞれが個別の光構成部品を形成できる。基板の材料は、関心波長範囲において任意には反射性であり、特定の構造で所望の特性を持つ反射率を作成するために、選択的にコート可能である。ある場合には、材料が所望の波長で透明であることが望ましく、適切な厚さのコーティングが塗布された場合、透過したビームに対する反射ビームのいろいろな比が実現でき、非限定的には３ｄＢ分割器などがある。マイクロ光学ベンチの要素を組合せることによって、複数の自由空間光学構成が作成可能であり、非限定的には無共鳴リングなどがある。
（リニアアレイ導波路）
本発明の幾つかの実施形態に係る他のデバイスは、２つ又はそれ以上（例えば、全て）の接続導波路の長さが同一とすることができる、新規なアレイ導波路デバイスである。典型的なアレイ導波路は、接続導波路の長さが変化して、各導波路で位相差を生成する。幾つかの実施形態において、異なる実効長さは、異なる長さの第２の屈折率を挿入することによって、同一または実質的に同一の長さの導波コアの内部に作成可能である。各導波路の部分を高屈折率材料で置換することによって、実効長が変化する。標準的なアレイ導波路の位相変化を再現するために、導波路の実効長が従来のアレイ導波路デバイスでの実際の長さと整合するように、異なる長さの部分が各導波路へ挿入可能である。他の実施形態では、非線形材料が、クラッド及び／又は２つ又はそれ状の接続導波路の中に組み込み可能であり、非線形材料は、異なる実効長を作成するめたに照射される。一実施形態では、図２９（ａ）に示すように、これは、接続領域でのクラッドに非線形材料を組み込んで、クラッドをあるパターン、例えば、最大に照射された部分が最上の導波路に隣接し、次に最大に照射された部分が第２の導波路に隣接し、以下同様にして照射することによって、達成される。他の実施形態において、図２９（ｂ）に示すように、これは、ゲルマニウムなどの材料で導波路をドープし、各導波路の所定領域を、例えば、最大に照射された部分が最上の導波路となり、次に最大に照射された部分が第２の導波路となり、以下同様にして照射することによって、達成される。その代替として、図２９（ｃ）に示すように、シリコンの部分が、デバイス長を低減するために、シリカ導波構造へ挿入可能である。この場合、各界面での屈折率変化に起因して反射損失が生ずるかもしれないが、各チャネルに沿った損失は実質的に同じであり、従来のデバイスと実質的に同じ性能を持つデバイスを生産する。
当業者は、接続導波路の長さが実質的に同じままで、実効長が相違するように屈折率を変更するためのいろいろな方法があることを認識するであろう。こうしたデバイスを用いて、実質的により短く、光回路内で実質的に直線に製作可能であるアレイ導波路デバイスを製作することができる。
（追加のデバイス）
図３０は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた全光波長変換を示す。プロットにおいて、縦軸は、適切なフィルタを通過した検出光のフォトダイオード信号を表し、横軸は、実時間を表す。
図３１は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた、ＴＤＭシステム用の全光多重分離を示す。プロットにおいて、縦軸は、検出光のフォトダイオード信号を表し、横軸は、実時間を表す。図３１は、例えば、制御ビームを必要としない、受動的な多重分離器を示す。
図３２は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた、全光ＡＮＤ論理ゲート（波長変換器も）を示す。プロットにおいて、縦軸は、検出光のフォトダイオード信号を表し、横軸は、実時間を表す。
現段階で、当業者は、本発明の幾つかの実施形態に関連したいろいろな利点を認識するであろう。本発明の実施形態はまた、ナノ結晶性材料を合成する方法を提供する。本発明の実施形態はまた、有機的に機能付与された表面を持つ量子ドットを生産する合成方法および、酸化物で皮膜保護された表面を持つ量子ドットを生産する合成方法を提供する。本発明の実施形態はまた、安全で、エネルギー効率が高く、規模変更可能で、費用対効果が高い、合成方法を提供する。本発明の実施形態はまた、環境に優しい開始材料または、商業的に入手可能もしくは準備が容易な材料を採用した合成方法を提供する。好都合には、
本発明の実施形態は、高い歩留まりをもたらす合成方法、および溶解可能で処理可能な製品が得られる合成方法を提供する。さらに、本発明の実施形態は、高い結晶性の材料が得られ、例えば、１５％ｒｍｓより小さいサイズ分布の分散など、狭いサイズ分布を持つ量子ドットを生産する合成方法を提供する。本発明の実施形態は、狭く鋭い分布をもつ量子ドットを生産する合成方法、および組成が均一な量子ドットを生産する合成方法を提供する。さらに、本発明の実施形態は、表面の化学性質が均一な量子ドットを生産する合成方法を提供する。
本明細書で言及し参照した、特許出願、特許、刊行物および他の発行文献の各々は、参照によって全体がここに組み込まれ、個々の特許出願、特許、刊行物および他の発行文献が、参照によって組み込むために具体的に個別に示されたのと同じ程度に組み込まれる。
本発明は、この特定の実施形態を参照しつつ説明したが、添付クレームによって定義されるような本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、いろいろな変形が可能であり、等価なもので置換可能である。さらに、特定の状況、材料、物の組成、方法、プロセス工程を、本発明の対象、精神および範囲に適合するように、多くの変更が可能である。こうした変更の全ては、添付したクレームの範囲内に入るものと意図している。特に、ここで説明した方法は、特定の順番で実施される特定の工程を参照しつつ説明したが、本発明の教示から逸脱しないで等価な方法を形成するために、これらの工程は、組み合せたり、細く分割したり、並び替えしたりしてもよい。従って、ここに個別に示していない限り、工程の順番およびグループ化は、本発明の制限とならない。
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）は、本発明の幾つかの実施形態に係る量子ドットを示す。 図２は、本発明の実施形態に従って、量子ドットのサイズの関数としてプロットした、シリコンで製造した量子ドットのエネルギーギャップを示す。 図３は、本発明の実施形態に従って、シリコン量子ドットの異なるサイズを持つ６つのサンプルからのフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。 図４（ａ）は、本発明の実施形態に従って、量子ドットのサイズの関数としてプロットした、ゲルマニウムで製造した量子ドットのエネルギーギャップを示す。図４（ｂ）は、本発明の実施形態に従って、ゲルマニウム量子ドットの異なるサイズについてサイズ選択性のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。 図５（ａ）は、本発明の実施形態に従って、人工シリコンドープの非線形ナノ複合材料およびゲルマニウム量子ドットについての線形屈折率の濃度依存性を示す。 図５（ｂ）は、本発明の実施形態に従って、人工シリコンドープの非線形ナノ複合材料およびゲルマニウム量子ドットについての光学非線形性の濃度依存性を示す。 図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）、図６（ｆ）は、本発明の幾つかの実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える非線形方向性カプラを示す。 図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ）は、人工非線形ナノ複合材料を備える非線形マッハツェンダ（ＭＺ）干渉計の実施形態を示す。 図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）、図８（ｄ）は、人工非線形ナノ複合材料を備える非線形ＭＺ干渉計の代替の実施形態を示す。 図９は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を持つ全光スイッチングの性能指数（ＦＯＭ）を量子ドットサイズの関数として示す。 図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本発明の実施形態に従って作られたシリコン量子ドットのフォトルミネセンススペクトルを示す。 図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、本発明の実施形態に従って作られたゲルマニウム量子ドットのフォトルミネセンススペクトルを示す。 図１２は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える光学デバイスを示す。 図１３は、公知のパッシブ方向性カプラを示す。 図１４（ａ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える方向性カプラでのスイッチングのシミュレーションを示す。 図１４（ｂ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える方向性カプラでのスイッチングのシミュレーションを示す。 図１４（ｃ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える方向性カプラでのスイッチングのシミュレーションを示す。 図１４（ｄ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える方向性カプラでのスイッチングのシミュレーションを示す。 図１５は、公知のＭＺ干渉計を示す。 図１６（ａ）、図１６（ｂ）、図１６（ｃ）、図１６（ｄ）、図１６（ｅ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備えるＭＺＩスイッチでのスイッチングのシミュレーションを示す。 図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える光学トランジスタの幾つかの可能性ある実施形態を示す。図１７（ｆ）、図１７（ｇ）、図１７（ｈ）、図１７（ｉ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える光学トランジスタのシミュレーションを示す。 図１８は、公知のブラッグ反射器を示す。 図１９（ａ）、図１９（ｂ）は、本発明の実施形態に従って、人工非線形ナノ複合材料を備える活性化可能な非線形導波路ブラッグ反射器を不活性化状態と活性化状態で示す。 図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、本発明の実施形態に係る、同調可能な非線形導波路ブラッグ反射器を不活性化状態と活性化状態で示す。 図２１（ａ）、図２１（ｂ）は、本発明の幾つかの実施形態に従って、レーザが屈折率増加を誘起して一時的な光学導波路を規定するために用いられる再構成可能な集積光学システム(Reconfigurable Integrated Optical Systems)の２つの好ましい実施形態を示す。 図２２は、再構成可能なフォトニックバンドギャップ集積光学システムの好ましい一実施形態を示す。 図２３は、本発明の実施形態に係る、波長変換光クロスコネクト（ＯＸＣ）のサブシステムを示す。 図２４は、本発明の実施形態に係る、全光ＴＤＭマルチプレクサを示す。 図２５は、本発明の実施形態に係る、全光ＴＤＭデマルチプレクサを示す。 図２６（ａ）、図２６（ｂ）、図２６（ｃ）、図２６（ｄ）、図２６（ｅ）、図２６（ｆ）は、本発明の実施形態に従って、トリガーパルスを光学デバイスへ導入するための種々の構成を示す。 図２７（ａ）、図２７（ｂ）、図２７（ｃ）、図２７（ｄ）は、包括的な光学デバイスの好ましい実施形態を示す。 図２８（ａ）、図２８（ｂ）は、本発明の幾つかの実施形態に係るテーパー状クラッドを示す。 図２９（ａ）、図２９（ｂ）、図２９（ｃ）は、リニアアレイ導波路デバイスの３つの好ましい実施形態を示す。 図３０は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた全光波長変換を示す。 図３１は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた、ＴＤＭシステム用全光デマルチプレクサを示す。 図３２は、本発明の実施形態の人工非線形ナノ複合材料を用いた、全光ＡＮＤ論理ゲート（波長変換器も）を示す。

Claims (94)

  1. ａ）ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含むコアと、
    ｂ）前記コアを包囲するシェルと、を備える量子ドットであって、
    前記量子ドットは、前記量子ドットが１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示すように、実質的に欠陥フリーである量子ドット。
  2. ＹがＳｉであり、前記コアは、約１ｎｍと約２０ｎｍの間の直径を有する請求項１記載の量子ドット。
  3. ＹがＧｅであり、前記コアは、約１ｎｍと約５０ｎｍの間の直径を有する請求項１記載の量子ドット。
  4. 前記コアは、約１ｎｍと約１０ｎｍの間の直径を有する請求項１記載の量子ドット。
  5. 前記コアは、約０．８と約１．２の間のアスペクト比を持つ実質的に球状である請求項１記載の量子ドット。
  6. 前記シェルは、約０．１ｎｍと約５ｎｍの間の厚さを有する請求項１記載の量子ドット。
  7. 前記シェルは、酸化物を有する請求項１記載の量子ドット。
  8. 前記シェルは、ｎが約０と約２の間にある酸化物ＹＯｎを含む請求項１記載の量子ドット。
  9. ｎが約１．８と約２の間にある請求項８記載の量子ドット。
  10. 前記シェルは、完全に前記コアを包囲している請求項１記載の量子ドット。
  11. 前記量子ドットは、少なくとも２０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項１記載の量子ドット。
  12. 前記量子ドットは、少なくとも５０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項１記載の量子ドット。
  13. 前記シェルに結合した、少なくとも１つの表面配位子をさらに備える請求項１記載の量子ドット。
  14. 前記シェルに結合した複数の表面配位子をさらに備え、約５０％と約１００％の間の表面被覆を提供している請求項１記載の量子ドット。
  15. ａ）ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含むコアと、
    ｂ）前記コアを包囲する配位子層と、を備える量子ドットであって、前記配位子層は、複数の表面配位子を含み、
    前記量子ドットは、１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示す量子ドット。
  16. 前記複数の表面配位子は、前記コアに結合して、約５０％と約１００％の間の表面被覆を提供している請求項１５記載の量子ドット。
  17. 前記複数の表面配位子は、前記コアに結合して、約８０％と約１００％の間の表面被覆を提供している請求項１５記載の量子ドット。
  18. 前記複数の表面配位子のうちの１つの表面配位子は、Ｃ，Ｏ，Ｓ，Ｓｉ，Ｎ，ＰおよびＳｅからなるグループから選択された原子を含み、前記コアは、前記原子との共有結合を形成している請求項１５記載の量子ドット。
  19. 前記複数の表面配位子のうちの１つの表面配位子は、アルキル、アルケニル、アルキニル、芳香環、芳香族複素環、共役芳香環、ポリエン、シアニド、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシレート、フェノキシ、シロキシ、シアネート、チオアルキル、チオアリール、チオシアネート、シリルチオ、置換シリル基、アミノ基、モノ置換アミン、ジ置換アミン、イミノ基、およびシリルアミノからなるグループから選択される請求項１５記載の量子ドット。
  20. 前記量子ドットは、少なくとも２０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項１５記載の量子ドット。
  21. 前記コアと前記配位子層の間に配置され、前記コアを包囲するシェルをさらに含み、前記シェルは、ｎが約０と約２の間にある酸化物ＹＯｎを含む請求項１５記載の量子ドット。
  22. ａ）ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含む複数の量子ドットであって、複数の量子ドットのうちの少なくとも１つの量子ドットは、１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示す複数の量子ドットと、
    ｂ）リニアアレイ、２次元アレイおよび３次元アレイの１つを形成するために、前記複数の量子ドットと結合する複数の分子と、を備えるナノ複合材料。
  23. 前記複数の量子ドットは、約１ｎｍと約１００ｎｍの間のピークサイズを有する請求項２２記載のナノ複合材料。
  24. 前記複数の量子ドットは、実質的に単分散のサイズ分布を有する請求項２２記載のナノ複合材料。
  25. 前記複数の量子ドットは、実質的に単分散の形状分布を有する請求項２２記載のナノ複合材料。
  26. 前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットが、Ｙを含むコアと、前記コアを包囲し、実質的に欠陥フリーであるシェルとを含んでいる請求項２２記載のナノ複合材料。
  27. 前記シェルは、ｎが約０と約２の間にある酸化物ＹＯｎを含む請求項２６記載のナノ複合材料。
  28. 前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットは、少なくとも２０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項２２記載のナノ複合材料。
  29. 前記複数の量子ドットは、少なくとも１０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項２２記載のナノ複合材料。
  30. 前記複数の分子のうちの１つの分子は、前記複数の量子ドットのうちの第１量子ドットおよび第２量子ドットに結合し、前記分子は、前記第１量子ドットと前記第２量子ドットの間の電荷輸送を提供する請求項２２記載のナノ複合材料。
  31. 前記ナノ複合材料が、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長λを有する光で照射された場合、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗの非線形屈折率γを有する請求項２２記載のナノ複合材料。
  32. 前記ナノ複合材料は、βを、ｃｍ／Ｗで表される前記ナノ複合材料の２光子吸収係数として、性能指数を２γ／βλで定義したとき、少なくとも１の性能指数を有する請求項３１記載のナノ複合材料。
  33. 前記性能指数は、少なくとも１．８である請求項３２記載のナノ複合材料。
  34. ２次元アレイおよび３次元アレイの１つで配列され、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含む複数の量子ドットを備えるナノ複合材料であって、前記複数の量子ドットのうちの少なくとも１つの量子ドットは、１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示すナノ複合材料。
  35. 前記複数の量子ドットは、約１ｎｍと約５０ｎｍの間のピークサイズを有する請求項３４記載のナノ複合材料。
  36. 前記ナノ複合材料における前記複数の量子ドットの充填密度は、前記ナノ複合材料の体積の約０．００５％と約７５％の間にある請求項３４記載のナノ複合材料。
  37. 前記ナノ複合材料における前記複数の量子ドットの充填密度は、前記ナノ複合材料の体積の約５０％と約７５％の間にある請求項３４記載のナノ複合材料。
  38. 前記複数の量子ドットは、実質的に立方最密充填アレイで配列されている請求項３４記載のナノ複合材料。
  39. 前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットは、Ｙを含むコアと、前記コアを包囲し、ｎが約０と約２の間にある酸化物ＹＯｎを含むシェルとを含む請求項３４記載のナノ複合材料。
  40. 前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットは、Ｙを含むコアと、前記コアを包囲し、複数の表面配位子を含む配位子層とを含む請求項３４記載のナノ複合材料。
  41. 前記複数の量子ドットの少なくとも１つの量子ドットは、少なくとも５０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項３４記載のナノ複合材料。
  42. 前記複数の量子ドットが、少なくとも１０％の量子効率を持つフォトルミネセンスを示す請求項３４記載のナノ複合材料。
  43. 前記ナノ複合材料が、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長λを有する光で照射された場合、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗの非線形屈折率γを有する請求項３４記載のナノ複合材料。
  44. 前記ナノ複合材料は、βを、ｃｍ／Ｗで表される前記ナノ複合材料の２光子吸収係数として、性能指数を２γ／βλで定義したとき、少なくとも１の性能指数を有する請求項４３記載のナノ複合材料。
  45. ａ）導波コアと、
    ｂ）前記導波コアに光学的に結合されたナノ複合材料とを備え、
    前記ナノ複合材料は、複数の量子ドットを含み、前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットは、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含むコアを含み、前記量子ドットは、１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示し、前記ナノ複合材料は、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長λを有する活性化光で照射された場合、少なくとも１０−９ｃｍ２／Ｗの非線形屈折率γを有する光学デバイス。
  46. 前記ナノ複合材料に光学的に結合された光源をさらに備え、前記光源は、前記ナノ複合材料を前記活性化光で照射するように構成されている請求項４５記載の光学デバイス。
  47. 前記導波コアが第１の導波コアであり、前記光学デバイスは前記第１の導波コアに光学的に結合された第２の導波コアを含む請求項４５記載の光学デバイス。
  48. 前記光学デバイスが、マッハツェンダ干渉計として構成される請求項４７記載の光学デバイス。
  49. 前記光学デバイスが、光トランジスタとして構成される請求項４７記載の光学デバイス。
  50. 前記ナノ複合材料に光学的に結合された活性化導波コアをさらに備え、前記活性化導波コアは、前記活性化光で前記ナノ複合材料を照射する請求項４７記載の光学デバイス。
  51. 第１クラッド層と、前記第１クラッド層に近接して配置された第２クラッド層とをさらに備え、前記第１導波コア、前記ナノ複合材料および前記第２の導波コアは、前記第１クラッド層中に配置され、前記活性化導波コアは、前記第２クラッド層中に配置されている請求項５０記載の光学デバイス。
  52. 前記活性化導波コアは、前記ナノ複合材料に光学的に結合されたテーパー部を含む請求項５０記載の光学デバイス。
  53. 前記ナノ複合材料は、前記第１導波コアと前記第２導波コアの間に配置され、前記ナノ複合材料は、前記第２導波コアに光学的に結合されている請求項４７記載の光学デバイス。
  54. 前記光学デバイスは、非線形方向性カプラとして構成される請求項５３記載の光学デバイス。
  55. 前記光学デバイスは、マイクロリングアレイスイッチとして構成される請求項４５記載の光学デバイス。
  56. 前記光学デバイスは、デジタル光スイッチとして構成される請求項４５記載の光学デバイス。
  57. ナノ複合材料で形成された部分を有する導波コアを備える光学デバイスであって、
    前記ナノ複合材料は、
    マトリクス材料と、
    前記マトリクス材料の中に分散された複数の量子ドットとを含み、前記複数の量子ドットの１つの量子ドットは、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含み、前記量子ドットが１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示すように、実質的に欠陥フリーであるようにした光学デバイス。
  58. 前記導波コアを包囲するクラッドをさらに備える請求項５７記載の光学デバイス。
  59. 前記光学デバイスは、光リミッタとして構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  60. 前記光学デバイスは、可飽和吸収体として構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  61. 前記光学デバイスは、空間光変調器として構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  62. 前記光学デバイスは、マルチモード干渉デバイスとして構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  63. 前記光学デバイスは、光再生器として構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  64. 前記前記導波コアは、前記導波コアの長軸に沿った個々の場所に配置される複数の部分を含み、前記複数の部分はナノ複合材料で形成されている請求項５７記載の光学デバイス。
  65. 前記光学デバイスは、同調可変導波路ブラッグ回折格子として構成される請求項６４記載の光学デバイス。
  66. 前記光学デバイスは、吸収変調器として構成される請求項５７記載の光学デバイス。
  67. 前記導波コアは、第１の導波コアであり、前記光学デバイスは、前記第１の導波コアに光学的に結合された第２の導波コアをさらに備える請求項５７記載の光学デバイス。
  68. 前記光学デバイスは、マッハツェンダ干渉計として構成される請求項６７記載の光学デバイス。
  69. 前記光学デバイスは、光トランジスタとして構成される請求項６７記載の光学デバイス。
  70. ナノ複合材料で形成されたフィルムを備える光学デバイスであって、
    前記ナノ複合材料は、複数の量子ドットを含み、前記複数の量子ドットのうちの１つの量子ドットは、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料を含むコアを含み、前記量子ドットは、１０％より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示す光学デバイス。
  71. 前記ナノ複合材料が、約３×１０−５ｃｍと約２×１０−４ｃｍの間の波長λを有する活性化光で照射された場合、少なくとも１０−８ｃｍ２／Ｗの非線形屈折率γを有する請求項７０記載の光学デバイス。
  72. 前記ナノ複合材料は、βを、ｃｍ／Ｗで表される前記ナノ複合材料の２光子吸収係数として、性能指数を２γ／βλで定義したとき、少なくとも１の性能指数を有する請求項７１記載の光学デバイス。
  73. 前記性能指数が、少なくとも１．８である請求項７２記載の光学デバイス。
  74. 前記フィルムに光学的に結合した光源をさらに備え、前記光源は、前記フィルムを活性化光を用いて所定の照射パターンで照射するように構成される請求項７１記載の光学デバイス。
  75. ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙを含む粒子を用意することと、
    音響エネルギーおよび光エネルギーを前記粒子に印加して、１０％以上より大きい量子効率を持つフォトルミネセンスを示す量子ドットを形成することとを含み、前記量子ドットはコアを含み、前記コアはＹを含むようにした、量子ドットの形成方法。
  76. 前記粒子は、約１ｎｍと約１００ｎｍの間のサイズを有する請求項７５記載の方法。
  77. 前記粒子を容易することは、
    Ｙを含む基板上に多孔質層を形成することと、前記多孔質層を処理して前記粒子を形成することとを含む請求項７５記載の方法。
  78. 前記粒子を溶媒に分散させることをさらに含み、
    前記音響エネルギーおよび前記光エネルギーを印加することは、前記音響エネルギーおよび前記光エネルギーを、前記溶媒中の前記粒子に印加することを含む請求項７５記載の方法。
  79. 前記音響エネルギーおよび前記光エネルギーを印加することは、所定範囲内の直径を持つ前記コアを形成するのに充分な時間中、前記音響エネルギーを前記粒子に印加することを含む請求項７５記載の方法。
  80. 前記音響エネルギーと前記光エネルギーを印加することは、前記コアを包囲するシェルを形成するのに充分な時間中、前記音響エネルギーを前記粒子に印加することを含む請求項７５記載の方法。
  81. 前記シェルは、ｎが約０と約２の間にある酸化物ＹＯｎを含む請求項８０記載の方法。
  82. 前記シェルは、実質的に欠陥フリーである請求項８０記載の方法。
  83. 前記音響エネルギーと前記光エネルギーを印加することは、所定範囲内の直径を持つ前記コアを形成するのに充分な時間中、前記光エネルギーを前記粒子に印加することを含む請求項７５記載の方法。
  84. 約−７８℃と約３００℃の間の温度に維持された反応媒質中において、ＳｉとＧｅからなるグループから選択された半導体材料Ｙの原料を、ＩＩＡ族金属、遷移金属およびランタン系列元素からなるグループから選択された還元剤と反応させて、コアを含み、前記はＹを含む粒子を形成することと、
    前記粒子を表面配位子の原料と反応させて、前記コアを包囲し、少なくとも１つの表面配位子を含む配位子層を形成し、量子ドットを形成することと、を含む量子ドットの形成方法。
  85. 前記Ｙの原料を前記還元剤と反応させることは、前記Ｙの原料と前記還元剤を前記反応媒質中で混合することを含む請求項８４記載の方法。
  86. 前記Ｙの原料を前記還元剤と反応させることは、前記Ｙの原料と前記還元剤を前記反応媒質中で、約１気圧下で混合することを含む請求項８４記載の方法。
  87. 前記Ｙの原料を前記還元剤と反応させることは、反応媒質を約６０℃と約２８０℃の間の温度に維持することを含む請求項８４記載の方法。
  88. 前記Ｙの原料は、化学式ＹＸａで与えられる構造を有する化合物を含み、ここで、ａは２から４の範囲の整数であり、Ｘは、−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｉ、−Ｏ−ＣＯ−Ｒ（１）、−ＮＲ（２）Ｒ（３）、−Ｏ−Ｒ（４）および−Ｓ−Ｒ（５）からなるグループから選択され、Ｒ（１）、Ｒ（２）、Ｒ（３）、Ｒ（４）およびＲ（５）は、アルキル、アルケニル、アルキニル、アリールからなるグループから独立して選択される請求項８４記載の方法。
  89. 前記還元剤は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｚｎ，ＣｅおよびＳｍからなるグループから選択される請求項８４記載の方法。
  90. パウダー状の前記還元剤を用意することと、
    前記パウダー状の前記還元剤を前記反応媒質中に分散させることとをさらに含む請求項８４記載の方法。
  91. 前記反応媒質は、２つの異なる配位結合する溶媒を含む請求項８４記載の方法。
  92. 前記反応媒質は、酸素含有有機溶媒、窒素含有有機溶媒、硫黄含有有機溶媒、およびリン含有有機溶媒からなるグループから選択された溶媒を含む請求項８４記載の方法。
  93. 表面配位子の前記原料は、有機金属化合物を含む請求項８４記載の方法。
  94. 前記有機金属化合物は、化学式Ｒ（６）−Ｍで与えられる構造を有し、ここで、Ｒ（６）は表面配位子であり、Ｍは、ＩＡ族金属、ＩＩＡ族金属、ＩＩＢ族金属からなるグループから選択される請求項９３記載の方法。



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