JP2009080311A - 光共振器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電磁波を共振させる原共振器103と、原共振器のいずれかの共振モードと重なる位置に配置され、誘電率の実数部が負の値をもちかつ実数部の絶対値が虚数部の絶対値よりも大きな物質から成り、電磁波の受ける散乱がレイリー散乱となる大きさを有する、1個または互いに近接した複数個で一組とした構造体307と、構造体に対し、構造体の大きさよりも小さい距離で近接して配置されている1個または複数個の粒子101と、を具備する。
【選択図】図3
Description
最初に本実施形態の光共振器の概略を示す。
まず原共振器の型を選択する。これは目的や用いる材料系・物理系、利用可能なプロセス技術に応じて、バルク結晶を研磨した大型共振器や極小のフォトニック結晶ナノ共振器等、適当なものを選ぶ。あるいは半導体基板上に形成した平面光回路や、球状共振器等でもよい。これを「原共振器」と呼ぶ。
量子コンピュータの実現において最も重要な指標は、量子ビットの持つ量子情報が失われる前に何回の量子ゲート操作を行うことが可能かである。ここで示す光共振器を用いた量子コンピュータにおいては、量子ゲート操作可能回数∝g/(κ+γ)であり、この値を如何に大きくするかが一つの課題となる。
まずは、従来の光共振器の設計手法について説明する。gを大きくするためにはモード体積を減少させる必要があるが、従来的な手法では、図2に示すように、光共振器それ自体の体積を小さくすることによってモードの広がりを減らすことに主眼が置かれている。すなわち、図1の電場振幅分布106を図2の電場振幅分布206へ電場振幅分布の広がりを減らす。図2は、図1の光共振器103に較べ光共振器の長さ方向を縮める方法を示しているが、横方向すなわち共振モードの径を縮小してもよい。この設計方法は、式(3)における電場Eの分布する範囲、すなわち式(3)の右辺の分子の積分範囲が小さくなるように設計してg/κを増大させる手法に相当する。しかし、この方法によるモード体積の縮小は、共振モードの周回長の減少や回折損失の増大等によりQ値の低下を招く場合が多く、用いる物理系によっては効果が相殺され期待する効果が得られない。特に、ファブリペロー型共振器においてはむしろ高いQ値を得るために大きな共振器長で設計する場合がある。しかし、共振器を大きくすると今度はκと共にgも小さくなるため、γの値により限界が決まってしまう。なお、良く用いられる定在波モードのビームウェストを絞る手法は式(3)の分母を大きくするが、回折損失の増大に関しては同様の問題を持つ。
本実施形態の光共振器では、光共振器103の内部に、その光共振器の共振波長より小さく、共振周波数の光に対し誘電率の実数部が負となる物質によって構成された“構造体”を配置する。図3に図1の共振器に適用した場合の模式図を示す。この構造体307の内側と外側の界面では誘電率の実数部の符号が互いに逆となるため、光が入射した時、この界面に局在する低次元光波308が励起する。これは表面プラズモンポラリトン(SPP)とも呼ばれ、構造体の周囲に強力な電場を形成し、構造体が球状の場合、図4の402に示すような部位に強い電場集中が見られる。この構造体に近接し、強力な電場集中の影響を受けた粒子101は、式(3)の右辺において分母が大きくなるので、この粒子が感じるモード体積は相対的に小さくなる。粒子101は、402に示す強い電場集中のある領域に配置される。すなわち、粒子101は、最も近くに位置する構造体307から粒子101への方向が、共振モードにおける電場の向きの方向若しくは縮退した共振モードのうちの何れか一つ以上において電場の向きとなる方向と同一になるように配置され、粒子101と最も近くに位置する構造体307との距離は、該構造体の大きさの半分以下である。また、粒子は、1個または複数個あり、共振モードの周波数に対し原共振器内部の他の部分と異なる双極子モーメントを持つ。一方、この強力な電場の広がる範囲は構造体に近接した極めて狭い範囲であるため、空間積分の値として式(3)の右辺の分子への寄与は無視できる程度であり、通常、式(3)の右辺の分子の増大は殆どないと考えてよい。したがって共振器のサイズを変更することなくモード体積を減少することが可能となる。
・構造体表面に粒子を静電気的に付着させる(例:有機ポリマーでコーティングされたナノ金属粒子に粒子を付着させる、あるいはナノ金属粒子に誘電体に包まれた粒子を付着させる)
・構造体表面を粒子(あるいは粒子となる原子を含む分子)で修飾する(例:ナノ金属粒子を有機ポリマーでコーティングする最、有機ポリマーに粒子の役目を果たすものを混ぜておく)
・構造体と粒子が一体化し、分子化(或いは結晶化)したものを作成する(例:酸化物超伝導結晶表面にバッファー層を積層し、さらにその上に粒子となる量子ドットを形成する)
などがある。このように、粒子が構造体に対し、付着、修飾、分子化、あるいはこれらに類する方法によって、粒子と構造体の組が物理的に一体となった新しい構造体を形成することにより、粒子と構造体の位置関係を容易に制御することが可能になる。
図5は単一の構造体307による典型的な光散乱のパターンであり、散乱光は共振モードの光の伝搬方向(共振モードの共振方向)404に対し前後方向に発せられる。図6に示すように構造体307を共振モードの入射光に対し垂直方向(横方向)に並べることで、散乱光の垂直方向成分は互いに打ち消しあい弱められる。また、図7に示すように構造体307を共振モードの入射光に対し平行方向(すなわち、入射方向)に並べると、散乱光が干渉して散乱が抑制される。図7では構造体307は共振波長の半整数倍の間隔をもって共振方向に並べられる。
図6の配置における構造体一つあたりの散乱損失を計算した結果を図8に示す。図8は単一の構造体のときの散乱損失に対する比で示されており、1より小さいときは配列により散乱損失が抑制されていることを表している。構造体の数によらず、その互いの距離が共振波長の0.5〜0.9倍、および1.6〜2.0倍の範囲である時には抑制効果が得られることが判る。なお、ここでは散乱による損失と吸収による損失を併せてQstrで代表することとする。
まず、構造体の構成について図9、図10、図11、図12を参照して説明する。
構造体は銀(Ag)で構成し、その複素屈折率を波長600nm近辺においてn=0.06−4.016j(複素比誘電率ε=−17.3−0.5j)とする。構造体サイズは、散乱の影響を最小限に抑えるため、レイリー散乱とみなせるサイズとする。構造体の特性は、大きさのみならずその形状や、光の周波数、周囲の媒質によっても大きく変わるが、ここでは共振モード波長を600nm、共振器を成す媒質の屈折率をn=1.81(比誘電率ε=3.28)と仮定した。本実施例は、図9に示す直径20nmの球(以下、SPHEREと称する)の構造体901、図10に示す直径30nm厚さ10nmの扁平球(以下、EDISKと称する)の構造体1001、および、図11、図12に示すそれらを微小な間隙をおいて2つ並べた場合の光共振器についてのものである。図11の場合は、間隙が4nm、10nmであるそれぞれSPHERE W04,SPHERE W10であり、図12の場合は、間隙が4nm、10nmであるそれぞれEDISK W04,EDISK W10である。
図13の等高線1目盛あたりの強度の変化は、近接光場1302においては構造体の近辺における原共振器の共振モードの電場に対し等倍である。図14の近接光場1403、1404においては指数表示とし、3目盛あたり10倍の強度変化(1目盛りあたり2倍強)に相当する。構造体から十分離れた平坦な部分は構造体の寄与は殆どなく、元の共振モードに対し概ね等倍の電場強度である。また、図14の複数の構造体を並べたもの(1401,1402)は、特にその間隙での電場の集中が顕著である。
実施例2では、イットリアシリケイト(Y2SiO5、以下YSO)単結晶を母材として高反射率ブラッグ反射鏡(DBR)により形成されたファブリペロー型共振器を基礎とした共振器を一例として挙げる。粒子はYSO中に混入したPr(プラセオジウム)イオンとする。イオンの場合、式(2)における係数Aは
また、副次的効果として、構造体の設置により粒子周辺の空間の電場の対象性が崩されるため、粒子の多重極モードの励起が期待され、これはgの増大として現れる。同時に、エネルギー準位の変化も僅かな量であるが期待できる。また構造体の共振器内における局在性、構造体周囲に形成される電場の偏在性を利用することにより、同じ共振器内の粒子の量子状態を場所ごとに制御する操作法も可能となる。
これらの効果は光を用いた量子コンピュータの実現に有用である。
Claims (6)
- 電磁波を共振させる原共振器と、
前記原共振器のいずれかの共振モードと重なる位置に配置され、誘電率の実数部が負の値をもちかつ該実数部の絶対値が虚数部の絶対値よりも大きな物質から成り、前記電磁波の受ける散乱がレイリー散乱となる大きさを有する、1個または互いに近接した複数個で一組とした構造体と、
前記構造体に対し、前記構造体の大きさよりも小さい距離で近接して配置されている1個または複数個の粒子と、を具備することを特徴とする光共振器。 - 電磁波を共振させる原共振器と、
前記原共振器のいずれかの共振モードと重なる位置に配置され、光共振器の特性を示す向上度が1より大きくなる誘電率を有する物質から成り、前記電磁波の受ける散乱がレイリー散乱となる大きさを有する、1個または互いに近接した複数個で一組とした構造体と、
前記構造体に対し、前記構造体の大きさよりも小さい距離で近接して配置されている1個または複数個の粒子と、を具備することを特徴とする光共振器。 - 前記構造体は真球ではない形状であり、該構造体の寸法の最大となる方向が前記共振モードにおける電場の向きの方向若しくは縮退した共振モードのうちの何れか一つ以上において電場の向きとなる方向に前記構造体を配置することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光共振器。
- 前記構造体が、原共振器内に一組または複数組散在し、前記共振モードの電場分布のうち、電場強度の増強度が1より大きくなる位置に配置されており、
前記粒子が、最も近くに位置する構造体から該粒子への方向が、前記共振モードにおける電場の向きの方向若しくは縮退した共振モードのうちの何れか一つ以上において電場の向きとなる方向と同一になるように配置され、該粒子と最も近くに位置する構造体との距離は、該構造体の大きさの半分以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の光共振器。 - 前記構造体の組のうち、一部または全てをそれぞれ互いに、共振モードの波長の0.5〜0.9倍、および、1.6〜2.0倍の範囲の間隔で規則性をもって配置していることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光共振器。
- 前記粒子が前記構造体に対し、付着、修飾、分子化によって、粒子と構造体の組が物理的に一体となった新しい構造体を形成することにより、前記粒子と前記構造体の位置関係を設定している請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光共振器。
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