JP2010026385A

JP2010026385A - 光導波路システム

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Publication number: JP2010026385A
Application number: JP2008189876A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Yamagiwa; 際正和山; Kenji Todori; 鳥顕司都; Reiko Yoshimura; 村玲子吉; Miho Maruyama; 山美保丸; Hiroshi Yamada; 田紘山; Yasuyuki Hotta; 田康之堀; Tsukasa Tada; 田宰多
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Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-04
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Abstract

【課題】波長の選択が可能でかつ変換効率が可及的に高いカップリング機構を有するとともに、光の伝搬方向に指向性を持たせることができる光導波路システムを提供することを可能にする。
【解決手段】内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造２と、誘電体中５に複数の金属ナノ粒子６が分散された構造を有し、端部４ａが三次元フォトニック結晶構造の結晶柱間に挿入され、かつ金属ナノ粒子に隣接して配置されて励起光を受光すると近接場光を発生する半導体量子ドット８を含む光導波路４と、半導体量子ドットを励起するための励起光を発生する励起用光源１０と、を備え、金属ナノ粒子は前記近接場光を受光すると表面プラズモンが励起される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路システムに関する。

表面プラズモンは金属と誘電体あるいは空気の境界表面で発生する電磁波モードであり、電磁波が光の回折限界以下の領域に表面に沿って局在しかつ増強する特性を持つ。これらの特性を活かし、近年ナノフォトニクスやバイオテクノロジー等の分野において応用研究が展開されている。この研究の最先端に、プラズモン励起媒体として、体積に対する面積の比が大きいナノオーダーサイズの金属ナノ粒子の応用がある。その電磁波モードは局在表面プラズモンとして知られている。特にこの金属ナノ粒子を使ったプラズモン・ポラリトンを光導波路内の電磁波信号として伝送する手法が積極的に追求されている。このような応用に向けて、金属ナノ粒子の製造方法の研究が進んでいるのと同時に、プラズモン・ポラリトンを発生する様々な手法が検討されている。

また、光源の光をプラズモン・ポラリトンに変換する際の損失を軽減する為の、様々な形状・特性を持つ近接場光プローブの研究が行われている（非特許文献１）。この非特許文献１には、例えば、プローブ根本付近の先鋭角に対し、先鋭部の断面直径が光波長以下となる部分で先鋭角を大きくし、先端部までの距離をできる限り小さくすることにより、高い分解能かつ高い光伝達効率の性能を有する２段階先鋭化型近接場光プローブが開示されている。

この分野において、もっとも一般的に行われるプラズモン・ポラリトンの発生方法は、光源の伝搬光を近接場光に変換しそれでプラズモン・ポラリトンを励起する手法である。先鋭化近接場光プローブを用いたこの手法は、ナノメートル・オーダの位置制御装置および加工技術が必須となる。また近接場光プローブなどの近接場光発生装置は基本的にその変換効率が１０^−４のオーダと低いという問題がある。

先鋭化した近接場光プローブに対し、金属薄膜の表面を同心円状に微細加工した表面プラズモンアンテナの検討も精力的に行われている。この手法は同心円の中心の局所領域（例えば、直径が３００ｎｍの領域）に表面プラズモンを集中させ近接場光を発生させる。表面プラズモンを集中した領域におかれたＳｉナノフォトダイオードによる測定では、１桁の効率向上を報告されている（例えば、非特許文献２参照）。

同様に、伝搬光から回折格子を介して発生させた表面プラズモンを、半円周状に配置された数個の金属微粒子から構成される表面プラズモン・ポラリトンコンデンサーで局所領域（この場合はナノドットカプラーの片端）に集光する手法も報告されている（非特許文献３）。伝搬光からプリズムの全反射面で発生する近接場光を介して、プリズム全反射面に塗布あるいは近接させた金属薄膜に表面プラズモンを発生させる全反射測定法（ＡＴＲ(Attenuated Total Reflection)法）により、膜状の構造に表面プラズモンを励起する手法も知られている（例えば、非特許文献４参照）。

より直接的なカップリング手法として、レンズで集光した伝搬光を一次元に配列したナノ粒子の片端に直接照射し、このナノ粒子にプラズモンを励起する方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、高屈折率の埋め込み型テーパー状「ハイメサ」光導波路も提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、この様なトップ・ダウン的な微細加工手法では、電子ビームリソグラフィなどの高価な微細加工装置の導入が必要であり、光導波路システムの大量生産時には、製造コストが高くなるという問題がある。さらに、その導波路に導入する光の波長制御性は、構造によって限定されてしまう。また、伝搬光と近接場光のカップリングには、位相整合が必要である。

上述したトップ・ダウン的な手法に対し、金属ナノ粒子および無機複合体に量子ドットを、ゲイン材料として混在させることが提案されている（例えば、非特許文献５）。この非特許文献５に記載の技術は、三次元的に金属ナノ粒子分散組織中に量子ドットを混在し、導波路内での光の損失を量子ドット（ゲイン材料）により低減することが可能であり、導波距離が伸びる事を報告している。さらに、量子ドットのサイズや材料による発光波長選択性もゲインに寄与する点が述べられている。
T. Saiki, S. Mononobe, M. Ohtsu, N. Saito, and J. Kusano, Appl. Phys. Lett. 68, 2612 (1996). T. Ishi, J. Fujikata, K. Makita, T. Baba, K. Ohashi, "Si Nano-Photodiode with a Surface Plasmon Antenna" Jpn. J. Appl. Phys. 44, L364-L366 (2005). W. Nomura, M. Ohtsu, and T. Yatsui, Appl. Phys. Lett. 86, 181108 (2005). H.Raether, Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, (Springer-Verlag Berlin Heidelberg) 1988. 特開２００６−１７１４７９号公報特開２００２−３１１２６２号公報 D. Parekh, L. Thylen, C. J. Chang-Hasnain, "Metal nanoparticle and quantum dot metamaterials for near resonant surface plasmon waveguides" Nano-Optoelectronics Workshop, 2007, I-NOW ’07. International July 29 2007 - August 11 2007 pp 150-151.

以上説明したように、様々な波長の光源の伝搬光を近接場光に変換し、光導波路にカップリングするシステムは大がかりになるという問題があった。また、位相整合の必要性があり、変換効率が低いという問題があった。さらに、光源からの光が導波路の端から所望の伝搬方向に沿う指向性がないという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、波長の選択が可能でかつ変換効率が可及的に高いカップリング機構を有するとともに、光の伝搬方向に指向性を持つことの可能な光導波路システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様による光導波路システムは、内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造と、誘電体中に複数の金属ナノ粒子が分散された構造を有し、端部が前記三次元フォトニック結晶構造の結晶柱間に挿入され、かつ前記金属ナノ粒子に隣接して配置されて励起光を受光すると近接場光を発生する半導体量子ドットを含む光導波路と、前記半導体量子ドットを励起するための励起光を発生する励起用光源と、を備え、前記金属ナノ粒子は前記近接場光を受光すると表面プラズモンが励起されることを特徴とする。

本発明によれば、波長の選択が可能でかつ変換効率が可及的に高いカップリング機構を有するとともに、光の伝搬方向に指向性を持たせることが可能な光導波路システムを提供することができる。

本発明の実施形態を以下に図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の光導波路システムを図１および図２に示す。図１は、本実施形態の光導波路システムを示す斜視図、図２は、図１に示す光導波路システムの光導波路の延在する方向に沿って切断した縦断面図である。

本実施形態の光導波路システムは、内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造２と、この三次元フォトニック結晶構造２の上記中空構造の結晶間に端部４ａが挿入された光導波路４と、励起用光源１０とを備えている。光導波路４は、誘電体（例えばＳｉＯ_２）５中にナノメートルサイズの金属ナノ粒子（例えば銀ナノ粒子）６が均一に分散された構造を有し、フォトニック結晶構造２に挿入される端部４ａには金属ナノ粒子ばかりでなく双極子光源となる半導体量子ドット８も分散されている。励起用光源１０は、三次元フォトニック結晶構造２上に設けられ、三次元フォトニック結晶構造２に挿入された光導波路４の端部４ａ内の半導体量子ドット８に励起光を照射して半導体量子ドット８を励起し、近接場光を発生させる。すなわち、励起用光源１０は、光導波路４の延在する方向と略平行な、光導波路４の端部４ａの側面を励起光で照射するように配置されている。なお、半導体量子ドット８に励起光が照射されると、半導体量子ドット８から近接場光の他に、この近接場光と同じ波長の伝搬光も発生される。半導体量子ドット８から発生される近接場光および伝搬光は、フォトニック結晶構造４の外部に漏れ出ないが、励起光は入射可能なようにフォトニック構造を構成しておく。すなわち、半導体量子ドットからの発光波長がフォトニックバンドギャップの中にあり、励起光の波長はバンド上にあるように設計しておく。そして、半導体量子ドット８から発生された近接場光はこの半導体量子ドット８に近接している金属ナノ粒子６に照射されてこの金属ナノ粒子６からプラズモンが発生され、光導波路４中に分散された金属ナノ粒子６を介して伝搬されていく。

このように構成された本実施形態の光導波路システムにおいては、外部からの光が入射される光導波路４の端部４ａには、双極子光源となる半導体量子ドット８が存在し、この半導体量子ドット８は、励起用光源１０により励起される。そして、半導体量子ドット８はその材料、構造、サイズによって規定される波長の光を放出する。その発光はフォトニック結晶構造２により光導波路４内に閉じ込められる。その際、半導体量子ドット８に隣接する金属ナノ粒子６へ近接場成分としてカップリングを実現し、光導波路４の延在する方向に上記光は伝搬し、その密度を制御することにより光導波路４内での変換効率が向上させることができる。

ここで、半導体量子ドット８は、溶媒中に混在できる材料であることが望ましい。また。、半導体量子ドット８は、光導波路４内の全般に渡り混在しても良いが、光導波路４の主に光が入射される端部４ａに量子ドットが混在し、その密度が制御できていることが望ましい。また、半導体量子ドット８は、ドット単体乃至コア・シェル構造でありその材料の組み合わせにより発光波長が制御可能であり、この発光波長がプラズモン・ポラリトンの共鳴波長と一致することが望ましい。また、半導体量子ドット８は金属ナノ粒子６と同じオーダのサイズであることが望ましい。

励起用光源１０は、既存の半導体微細加工技術乃至半導体微結晶成長技術で作製可能な波長選択性の高い光源であることが望ましい。また、励起用光源１０は半導体量子ドット８の発光波長より短波で発振する光源であることが望ましい。また、励起用光源１０はフォトニック結晶構造２が吸収または反射の少ない波長で発振する光源であることが望ましい。また、フォトニック結晶構造２の欠陥モード波長が半導体量子ドット８の発光波長と近いあるいは同じであることが望ましい。フォトニック結晶構造２を構成する部材としては、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの半導体や、ＴｉＯ_２などの誘電体等が挙げられる。フォトニック結晶構造は、例えば、文献（J O U R N A L O F L I G H T W A V E TE C H N O L O G Y , V O L . 1 7 , p 1 9 4 8）に掲載されている様な、公知の技術を用いて作製する。この方法により、内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造を作製することができる。また、三次元フォトニック結晶構造の中空構造に光導波路４が挿入された場所以外の中空部分が、光導波路４を構成する誘電体（例えばＳｉＯ_２）５のみで満たされていてもよい。

次に、本実施形態の光導波路システムの製造方法を、図３を参照して説明する。図３に示すように、内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造２を作製し、この三次元フォトニック構造２の中空構造の結晶柱間隔（例えば１μｍ）と同じサイズの開口を有するマスク（図示せず）を、この開口が一つの結晶柱間に対応するように、図３では三次元フォトニック結晶構造２の側面に形成し、この開口を通して上記開口に対応する三次元結晶構造の結晶柱間に、金属ナノ粒子６および半導体量子ドット８が分散されたＳｉＯ_２５を埋め込み、光導波路４の端部４ａを形成する。続いて、上記開口を金属ナノ粒子６が分散されたＳｉＯ_２５を埋め込み、端部４ａ以外の光導波路４を形成する。なお、このように形成される光導波路４においては、例えば銀からなる直径１０ｎｍの金属ナノ粒子６は、ＳｉＯ_２５中に５ｎｍの間隔で配置され、直径１０ｎｍの半導体量子ドット８は、約５ｎｍの間隔を隔てて金属ナノ粒子６に隣接するように構成される。

金属ナノ粒子としては、Ａｇの他、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ等を用いてもよい。

半導体量子ドット８としては、ＩＶ族半導体（Ｓｉ、Ｇｅ）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、ＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＰ、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ、ＩｎＮ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ）またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ）のいずれかからなる結晶材料あるいは混晶材料であり、その発光波長は最短４００ｎｍから最長５３３０ｎｍである。

短波長の限界（４００ｎｍ）の根拠としては、以下の通りである。金属ナノ粒子が分散された光導波路において、金属ナノ粒子（銀または金）の光学的応答が金属的である最も短い光の波長は、４００ｎｍである。これより短波長の光に対しては、光学的応答が金属的ではなく、プラズモンの発生が起きない。

また、長波長の限界（５３３０ｎｍ）の根拠としては、以下の通りである。半導体量子ドットの量子準位間隔が室温（３００Ｋ）での熱エネルギーより小さくなると半導体量子ドットの準位が離散的ではなくなり、半導体量子ドットが光源として機能しなくなる。量子準位間隔は発光波長が長くなるにつれ小さくなるので、半導体量子ドットの材料として選んだものの中からその限界となる発光波長が最長５３３０ｎｍであり、この波長５３３０ｎｍを長波長の限界に選んだ。

本実施形態の光導波路システムにおいて、光導波路４の光導波方向（光導波路４が延在する方向）にのみ電磁場が導波した。

また、本実施形態においては、半導体量子ドット８によって励起光は近接場光に変換され、この変換された近接場光は三次元フォトニック結晶構造２から外部に漏れでないので、変換効率を可及的に高くすることができる。

また、半導体量子ドット８の材料を適宜選択することにより、光導波路４を導波する波長の選択が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、波長の選択が可能でかつ変換効率が可及的に高いカップリング機構を有するとともに、光の伝搬方向に指向性を持たせることが可能な光導波路システムを提供することができる。また、本実施形態の光導波路システムは、基板面内の光配線に用いる場合に有用である。

また、従来の場合は、伝搬光と近接場光のカップリングには、位相整合が必要であるが、本実施形態の光導波路システムにおいては、波長選択可能、かつ密度制御による高変換効率化可能な半導体量子ドットを光導波路カップリング用微小光源として用いて、励起された半導体量子ドットからの発光近接場成分が金属ナノ粒子とカップリングするため、伝搬光（励起光）とのカップリングにおいて位相整合する必要がない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による光導波路システムを図４乃至図５を参照して説明する。図４は、本実施形態の光導波路システムを示す斜視図、図５は、図４に示す光導波路システムの光導波路の延在する方向に沿って切断した縦断面図である。

本実施形態の光導波路システムは、図１乃至図３に示す第１実施形態の光導波路システムにおいて、励起用光源１０を三次元フォトニック結晶構造２の上面に配置する代わりに、励起用光源１０の励起光を発光する面が、光導波路４の端部４ａの端面（プラズモンが導波する方向（光導波路４の延在する方向））に略直交する端面に対向するように、励起用光源１０を三次元フォトニック結晶構造２の側面に配置した構造となっている。すなわち、励起用光源１０は、光導波路４の延在する方向と略直交する、光導波路４の端部４ａの端面を励起光で照射するように配置されている。

なお、本実施形態においては、図６に示すように、光導波路４の端部４ａの上記端面が三次元フォトニック結晶構造２の側面から露出するように、光導波路４の端部４ａが三次元フォトニック結晶構造２を貫通するように構成してもよい。

また、本実施形態においては、光導波路４内の金属ナノ粒子６および半導体量子ドット８は、第１実施形態と同様に、誘電体（例えばＳｉＯ_２）中に均一に分散されている。そして、金属ナノ粒子６および半導体量子ドット８は、第１実施形態と同じ材料を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、波長の選択が可能でかつ変換効率が可及的に高いカップリング機構を有するとともに、光の伝搬方向に指向性を持たせることが可能な光導波路システムを提供することができる。また、本実施形態の光導波路システムは、基板面内に垂直に貫通する光配線に用いる場合に有用である。

次に、本発明の実施例を説明する。

（第１実施例）
本発明の第１実施例による光導波路システムは、図４乃至図６に示す第２実施形態の光導波路システムであって、光導波路４の誘電体はＳｉＯ_２、金属ナノ粒子６は直径が１０ｎｍの銀ナノ粒子で５ｎｍの間隔で誘電体中に分散配置され、半導体量子ドット８は直径１０ｎｍの材料Ｇｅであって、銀ナノ粒子とは約５ｎｍの間隔を隔て配置されている。なお、Ｇｅ量子ドットは、量子サイズ効果によりそのバンドギャップが直接遷移型になる事が報告されている（例えばJournal of Chemical Physics, VOL. 101, p1607 等に掲載）。励起用光源１０の励起光の波長は、半導体量子ドット８の発光波長（１．５７μｍ）より短い波長であり、三次元フォトニック結晶構造２を構成する部材による吸収が大きくなる波長よりも長い波長（８７０ｎｍ）であった。

半導体量子ドット８は、励起光を受けると、１．５７μｍの波長の近接場光を発生し、この近接場光によって銀ナノ粒子６がプラズモンを発生し、このプラズモン（電磁場）が光導波路４内で約１μｍ導波したのを観測した。その観測結果を図７に示す。量子ドット８間の量子力学的カップリングを無くすため、その密度を、銀ナノ粒子６を必ず隣接する程度の密度を上限とした。さらに、双極子光源となる半導体量子ドット８の数を増やすと、光導波路４内を進む電磁場パワーの強度が増大することを確認した（図８参照）。図８は、半導体量子ドットの数と、この半導体量子ドットから１μｍの距離における光導波路４内の電磁場エネルギー密度を示す。３個の量子ドット８は１００ｎｍの間隔で並ぶように配置した。半導体量子ドット８の個数が増えるにつれ、光導波路内４の電磁場エネルギー密度は線形に増大した。したがって、微小光源（半導体量子ドット８）の個数を増やすことにより、光導波路４のカップリング効率が上昇した。光導波路４内において、半導体量子ドット８の間隔が近すぎると、量子力学的カップリングにより、その発光波長などの特性が変わった。そこで本実施例では、半導体量子ドット８の間に少なくとも１個の金属ナノ粒子を挟み、これを防いだ。これによって求まった最大許容密度は４×１０^２２ｍ^−３であった。半導体量子ドット８の密度が４×１０^２２ｍ^−３より大きい場合、半導体量子ドット８が少なくとも２個隣接し、隣接した半導体量子ドット８間の電子・正孔（電子が１個抜けている状態）相互作用により離散的なエネルギー準位が変わり、結果としてそれら半導体量子ドット８の集合体の励起・発光波長が変わり、金属ナノ粒子が分散された光導波路４の所望の光源として機能しなかった。ここで、半導体量子ドット８の全体としての発光スペクトルの幅が狭い方が望ましいが、隣接した半導体量子ドット８が混在した場合、全体としての発光スペクトルの幅が広がったので、光源として望ましくなかった。また、半導体量子ドット８の密度が４×１０^２２ｍ^−３より大きい場合、半導体量子ドット８が複数個隣接し、半導体量子ドット８の間の電子・正孔相互作用により、電子・正孔対の緩和過程が変わり、非発光緩和過程の出現により、半導体量子ドット８の発光効率が低下した。

次に、光導波路４の端部４ａを覆うようにフォトニック結晶構造２が設けられている場合と、フォトニック結晶構造がない場合に対して、銀ナノ粒子が分散された光導波路４内外での電磁場パワーの違いを確認した。フォトニック結晶構造２の構成材料の屈折率は３であり、まわりの媒質の屈折率は１．４３であった。フォトニック結晶構造２の構成材料は、直径が０．３６５μｍ、格子間隔が０．９６μｍであって、六方晶の形で配列していた。フォトニック結晶構造２は、並んだ６本のフォトニック結晶構造を構成する材料の柱を除き、そこに半導体量子ドット８を含む光導波路４の端部４ａを配置した。半導体量子ドット８は、１．５７μｍの波長で近接場光を発生した。この近接場光を光源とした時、光導波路４の端部４ａにフォトニック結晶構造２がある場合は、フォトニック結晶構造２がない場合に比べ、光導波路４の外では電磁場パワーが弱くかつ光導波路４の中では電磁場パワーが強い事を確認した。このことは、フォトニック結晶構造２の効果により、銀ナノ粒子が分散された光導波路４の外への電磁場パワーの漏れが低減され、光導波路４の中を伝搬する電磁場パワーを増強していと考えられる。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例による光導波路システムを説明する。

本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、電子と正孔の離散的準位のエネルギー差を変えることより発光波長を制御する構成を有している。この発光波長の制御は、半導体量子ドット８のサイズ（直径）で決定された。実際に電子と正孔の閉じ込めが確認できる半導体量子ドット８の直径は最大４６ｎｍであるが、この大きさ以下の半導体量子ドット８を用いた。この半導体量子ドット８に励起用の光源を照射すると、半導体量子ドット８は発光した。直径が４６ｎｍより大きいと、量子閉じ込め効果が弱くなり離散的エネルギー準位の間隔が離散的にならず電子・正孔の波動関数が半導体量子ドット８に局在しなくなった。結果として半導体量子ドット８での励起・発光過程が起きなくなり、光源としての特性が低下した。

以上説明したことにより、半導体量子ドットの直径は４６ｎｍ以下であることが好ましい。

（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８のサイズあるいは材料を変えることにより、半導体量子ドット８から発生される近接場光の可視（４００ｎｍ）から赤外（５３３０ｎｍ）まで発光波長を得ることができた。なお、光ディテクタとし、４００ｎｍから１０００ｎｍはＳｉディテクタ、１０００ｎｍから２０００ｎｍはＩｎＡｓディテクタ、２０００ｎｍから５３３０ｎｍはＩｎＳｂディテクタを使用した。発光波長が４００ｎｍから５３３０ｎｍに範囲にあることにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴波長（４００ｎｍから６００ｎｍ程度）の励起から、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長（４００ｎｍから５３３０ｎｍ程度）までを十分網羅できた。４００ｎｍより短波の光では、単一金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴を励起できず、また５３３０ｎｍより長波の光では金属ナノ粒子が分散された光導波路４の損失が大きかった。このため、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモンの共鳴励起による連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４の最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

４００ｎｍより短波の光では、単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起できなかったが、単一金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや形状を変えることにより、その表面プラズモン共鳴の波長が４００ｎｍから６００ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、単一金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴を励起できた。

５３３０ｎｍより長波の光では、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４の損失が大きかったが、光導波路４中の金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや間隔を変えることにより、光導波路での導波損失が最も低い波長が４００ｎｍから５３３０ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（第４実施例）
次に、本発明の第４実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、かつ量子ドット材料としてＳｉのＩＶ族半導体を用い、サイズを半径１ｎｍから７ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。なお、光導波路４中の半導体量子ドットのサイズは同じものを用いている。すると、発光波長が５５７ｎｍから１０８５ｎｍとなる光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６を共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子が分散された光導波路４の最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

本実施例も第３実施例と同様に、４００ｎｍより短波の光では、単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起できなかったが、単一金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや形状を変えることにより、その表面プラズモン共鳴の波長が４００ｎｍから６００ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、単一金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴を励起できた。また、５３３０ｎｍより長波の光では、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４の損失が大きかったが、光導波路４中の金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや間隔を変えることにより、光導波路での導波損失が最も低い波長が４００ｎｍから５３３０ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
第４実施例の比較例として、第４実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドットとして、７ｎｍより大きな半径を持つＳｉの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す。

（第５実施例）
次に、本発明の第５実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＧｅのＩＶ族半導体を用い、サイズが半径１ｎｍから８ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。なお、光導波路４中の半導体量子ドットのサイズは同じものを用いている。すると、発光波長が５５６ｎｍから１８１１ｎｍとなる光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴の励起による連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第５実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、８ｎｍより大きな半径を持つＧｅの量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第６実施例）
次に、本発明の第６実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＧａＡｓのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１４ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。なお、光導波路４中の半導体量子ドットのサイズは同じものを用いた。すると、発光波長が４１２ｎｍから８５４ｎｍとなる光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６を共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長を得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第６実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１４ｎｍより大きな半径を持つＧａＡｓの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第７実施例）
次に、本発明の第７実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＡｌＡｓのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１１ｎｍまでの半導体量子ドットをとした。なお、光導波路４においては、同じサイズの半導体量子ドットを用いている。すると、発光波長が４１８ｎｍから５７０ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第７実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１１ｎｍより大きな半径を持つＡｌＡｓの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第８実施例）
次に、本発明の第８実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎＡｓのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径３ｎｍから９ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。なお、光導波路４においては、同じサイズの半導体量子ドットを用いている。すると、発光波長が５２８ｎｍから２１６７ｎｍの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６を共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第８実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、９ｎｍより大きな半径を持つＩｎＡｓの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第９実施例）
次に、本発明の第９実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料として、ＧａＰのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径１ｎｍから６ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。なお、光導波路４において半導体量子ドットのサイズは同じとする。すると、発光波長が４２６ｎｍから５４２ｎｍの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６を共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第９実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、６ｎｍより大きな半径を持つＧａＰの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１０実施例）
次に、本発明の第１０実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎＰのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１３ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４５６ｎｍから９０３ｎｍの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１０実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１３ｎｍより大きな半径を持つＩｎＰの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１１実施例）
次に、本発明の第１１実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＧａＳｂのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径３ｎｍから１６ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長６３８ｎｍから１５６６ｎｍの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

本実施例も第３実施例と同様に、４００ｎｍより短波の光では、単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起できなかったが、単一金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや形状を変えることにより、その表面プラズモン共鳴の波長が４００ｎｍから約６００ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、単一金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴を励起できた。また、５３３０ｎｍより長波の光では、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４の損失が大きかったが、光導波路４中の金属ナノ粒子６の材料、周りの誘電体の材料、サイズや間隔を変えることにより、光導波路での導波損失が最も低い波長が４００ｎｍから５３３０ｎｍの間の値を取ることが可能となる。この場合、その波長で発光できる半導体量子ドット８を用いることにより、最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１１実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１６ｎｍより大きな半径を持つＧａＳｂの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１２実施例）
次に、本発明の第１２実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＡｌＳｂのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径１ｎｍから８ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４２２ｎｍから７５６ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１２実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、８ｎｍより大きな半径を持つＡｌＳｂの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１３実施例）
次に、本発明の第１３実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎＳｂのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径４ｎｍから２３ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が６４７ｎｍから５３３２ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１３実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、２３ｎｍより大きな半径を持つＩｎＳｂの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１４実施例）
次に、本発明の第１４実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＣｄＳｅのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１１ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４６４ｎｍから７００ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６を共鳴励起することが可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１４実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１１ｎｍより大きな半径を持つＣｄＳｅの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１５実施例）
次に、本発明の第１５実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＣｄＳのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い、サイズを半径３ｎｍから９ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４３６ｎｍから４７５ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１５実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、９ｎｍより大きな半径を持つＣｄＳの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１６実施例）
次に、本発明の第１６実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を用い混晶比ｘを調整し、かつサイズを半径２ｎｍから１４ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４１２ｎｍから８５４ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１６実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１４ｎｍより大きな半径を持つＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）の混晶半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１７実施例）
次に、本発明の第１７実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を用い混晶比ｘを調整しかつ、サイズを半径２ｎｍから１６ｎｍまで半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４１２ｎｍから１５６６ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１７実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１６ｎｍより大きな半径を持つＧａＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）の混晶半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１８実施例）
次に、本発明の第１８実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＰ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を用い、混晶比ｘを調整しかつサイズを半径１ｎｍから１３ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４２６ｎｍから９０３ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４のおける最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１８実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１３ｎｍより大きな半径を持つＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＰ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）の混晶半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第１９実施例）
次に、本発明の第１９実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を用い、混晶比ｘを調整しかつサイズを半径２ｎｍから９ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４１２ｎｍから２１６７ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第１９実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、９ｎｍより大きな半径を持つＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）の混晶半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第２０実施例）
次に、本発明の第２０実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＺｎＳｅのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い、サイズを半径３ｎｍから１０ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４０１ｎｍから４３６ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第２０実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１０ｎｍより大きな半径を持つＺｎＳｅの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第２１実施例）
次に、本発明の第２１実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＺｎＴｅのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い、サイズを半径３ｎｍから１１ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４４１ｎｍから５５１ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第２１実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１１ｎｍより大きな半径を持つＺｎＴｅの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第２２実施例）
次に、本発明の第２２実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎＮのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１１ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４３０ｎｍから６２０ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第２２実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１１ｎｍより大きな半径を持つＩｎＮの半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

（第２３実施例）
次に、本発明の第２３実施例による光導波路システムを説明する。本実施例の光導波路システムは、第１または第２実施形態の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８の離散的エネルギー準位を利用し、量子ドットの材料としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用い、サイズを半径２ｎｍから１１ｎｍまでの半導体量子ドットを用いた。すると、発光波長が４３０ｎｍから６２０ｎｍまでの光導波路システムが得られた。これにより、単一金属ナノ粒子６の共鳴励起が可能でかつ金属ナノ粒子６が分散された光導波路４における最も損失の少ない波長が得られた。よって、金属ナノ粒子６が分散された光導波路４において、半導体量子ドット８に隣接した単一金属ナノ粒子６の表面プラズモン共鳴を励起することによる連鎖的な近接場光の導波や、金属ナノ粒子６分散された光導波路４における最も損失の低い波長の電磁場の導波を行うことができた。

（比較例）
比較例として、第２３実施例の光導波路システムにおいて、半導体量子ドット８として、１１ｎｍより大きな半径を持つＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（混晶比ｘ：０≦ｘ≦１）の半導体量子ドットを用いた。この比較例の光導波路システムにおいては、室温（３００Ｋ）における熱揺らぎ（ｋＴ）４．１４ｍｅＶより半導体量子ドットの離散的量子準位の間隔が小さくなったため、半導体量子ドットの離散的量子準位は、離散的準位として機能せず、所望の発光が得られなかった。

上記第４実施例から第２３実施例において用いられた半導体量子ドットの材料、最小半径（ｎｍ）、最大半径（ｎｍ）、最短発光波長（ｎｍ）、および最長発光波長（ｎｍ）を一覧表にしたものを図９に示す。

また、第１乃至第２３実施例では、光導波路４内に分散された金属ナノ粒子は、銀ナノ粒子であったが、金ナノ粒子を用いても同様の効果を得ることができた。

なお、光導波路内に分散された金属ナノ粒子の材料として、Ａｇ、Ａｕの他に、Ｐｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ等を用いてもよい。

次に、光導波路内に半導体量子ドットを分散させる分散材料について説明する。金属ナノ粒子が分散された光導波路の、マトリックスであるＳｉＯ_２への分散プロセスで決まる分散材料としては、Tri-n-octylphosphine oxide/ Tri-n-octylphosphine (TOPO/TOP)で包まれた半導体量子ドットの場合、hexane、pyridine、methanolや芳香族化合物等が挙げられる（具体的な合成は、Journal of the American Chemical Society, VOL. 115, p8706 等に掲載されているような、公知の技術を用いる）。

また、分散材料としては、Poly (acrylonitrile-styrene) polymer等が挙げられる。

また、ドット分散材料としては、thiophenolで包まれた量子ドットの場合、acetonitrile等が挙げられる（具体的な合成は、Journal of Applied Physics, VOL. 73, p5237 等に掲載されている様な、公知の技術を用いる）。

また、分散材料としては、Tri-n-octylphosphine oxideで包まれた量子ドットの場合、chloroform、toluene、PMMA/toluene等が挙げられる（具体的な合成は、Journal of Physical Chemistry B, VOL. 108, p143、Journal of Physical Chemistry B, VOL. 101, p9463、等に掲載されている様な、公知の技術を用いる）。

また、分散材料としては、S-phenyl基で包まれた量子ドットの場合、水等が挙げられる（具体的な合成は、Applied Physics A, VOL. 53, p465 等に掲載されているような、公知の技術を用いる）。

また、分散材料としては、poly vinyl pyrrolidone - sodium selenosulfateで包まれた量子ドットの場合、水、acetonitrile等が挙げられる（具体的な合成は、Materials Science and Engineering B, VOL. 52, p89 等に掲載されているような、公知の技術を用いる）。

また、分散材料としては、poly (aminoamine) dendrimersで包まれた量子ドットの場合、水、methanol等が挙げられる（具体的な合成は、Materials Science and Engineering B, VOL. 52, p89 等に掲載されているような、公知の技術を用いる）。これらの分散材料を用いることにより、光導波路４のマトリックスであるＳｉＯ_２中に半導体量子ドットを分散させることができた。

第１実施形態による光導波路システムの斜視図。第１実施形態の光導波路システムの縦断面図。第１実施形態に係る光導波路内の金属ナノ粒子と半導体量子ドットを説明する図。第２実施形態による光導波路システムの斜視図。第２実施形態の光導波路システムの縦断面図。第２実施形態に係る光導波路内の金属ナノ粒子と半導体量子ドットを説明する図。半導体量子ドット８から発生されるプラズモンの光導波路４内での導波を観測した結果を示す写真。光導波路内の半導体量子ドットの個数と電磁場パワーとの関係を示す図。第４乃至第２３実施例において用いられた半導体量子ドットの材料、最小半径（ｎｍ）、最大半径（ｎｍ）、最短発光波長（ｎｍ）、および最長発光波長（ｎｍ）を示す図。

符号の説明

２フォトニック結晶構造
４光導波路
４ａ端部
５誘電体（ＳｉＯ_２）
６金属ナノ粒子
８半導体量子ドット
１０励起用光源

Claims

内部に中空構造を有する三次元フォトニック結晶構造と、
誘電体中に複数の金属ナノ粒子が分散された構造を有し、端部が前記三次元フォトニック結晶構造の結晶柱間に挿入され、かつ前記金属ナノ粒子に隣接して配置されて励起光を受光すると近接場光を発生する半導体量子ドットを含む光導波路と、
前記半導体量子ドットを励起するための励起光を発生する励起用光源と、
を備え、前記金属ナノ粒子は前記近接場光を受光すると表面プラズモンが励起されることを特徴とする光導波路システム。
前記励起用光源は、前記光導波路の延在する方向と略平行な、前記光導波路の前記端部の側面を前記励起光で照射するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路システム。
前記励起用光源は、前記光導波路の延在する方向と略直交する、前記光導波路の前記端部の端面を前記励起光で照射するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路システム。
前記半導体量子ドットの直径が４６ｎｍ以下であることを特徴とする光導波路システム。
前記半導体量子ドットは、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、およびＩＩ−ＶＩ族半導体から形成され、その発光波長が最短４００ｎｍから最長５３３０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路システム。
前記光導波路中に存在する前記半導体量子ドットの密度が４×１０^２２ｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路システム。