JP2010026463A - 光パルス発生素子 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒オーダの光パルスを発生可能なナノメータサイズの光パルス素子を提供する。
【解決手段】障壁層２１と、障壁層２１よりも小さい禁制帯幅からなり、単一の励起子のみを閉じ込めることが可能な量子ドット層２２とを交互に２段以上に亘り積層させたロッド体１２により構成され、障壁層２１は、３〜１０ｎｍの厚みからなり、入射された光に基づいて各量子ドット層２２に励起子が励起可能とされているとともに、その励起子が励起された各量子ドットに発生した電気双極子モーメントの方向を近接場光相互作用に基づいて互いに同一方向へ配向させ、この配列された双極子モーメントに基づいて最上段の量子ドット層２２から放出するパルス光強度を増強させるとともに、パルス幅を狭小化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光パルス発生素子に関し、特にナノオーダ寸法でフェムト秒オーダの光パルスを発生させることに好適な光パルス発生素子に関する。

光パルス発生器は、光通信分野、計測技術の分野において重要な役割を果たしている。光パルス発生器として、レーザの共振器内に変調器を挿入し、レーザから直接光パルス列を発生させるモード同期方式がある。モード同期方式は、高速の光パルス列を発生させるべく、共振器内を走行する光パルスの周期をロックする（引き込む）ことを通常行う。モード同期方式には、共振器内に光変調器を挿入して損失変調をかける能動方式と、入射光強度に対して吸収係数が非線形に変化する過飽和吸収体を共振器内に挿入して受動的にモード同期をとる受動方式などがある。しかし、これらはいずれも機構が複雑であり、また高価であることや、面型デバイスとして使用することが難しいなどの問題がある。

また、モード同期方式以外には、連続光を発生する光源に外部変調器を接続して光パルス列を発生させる方式が知られている。外部変調器を用いる光パルス発生器は、モード同期レーザと比較して、波長や繰り返し周波数を任意に設定しやすいという利点がある。しかしながら、外部変調器を別途準備する必要があることから、システム全体が大掛かりなものとなり、コストが上昇してしまうという問題点がある。
特開２００５−１２１８２３号公報

ところで、近年において光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることができれば、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となるという報告がなされている。

しかしながら、そのようなフェムト秒オーダの光パルスを発生可能な光パルス発生器は、装置そのものがどうしても大掛かりなものとなってしまう。このため、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができず、実用化のためには、短パルス光源の小型化を図る必要があった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、フェムト秒オーダの光パルスを発生させることが可能で、しかもナノメータサイズで構成されることにより、ノート型ＰＣを初めとした各種モバイル端末に対しても、光記録時における記録容量の拡大、記録速度の高速化を初めとした各種技術革新を促すことが可能な光パルス発生素子を提供することにある。

本発明に係る光パルス発生素子は、障壁層と、上記障壁層よりも小さい禁制帯幅からなり、単一の励起子のみを閉じ込めることが可能な量子ドット層とを交互に２段以上に亘り積層させたロッドにより構成され、上記障壁層は、３〜１０ｎｍの厚みからなり、入射された光に基づいて上記各量子ドット層に励起子が励起可能とされているとともに、その励起子が励起された各量子ドットに発生した電気双極子モーメントの方向を近接場光相互作用に基づいて互いに同一方向へ配向させ、この配列された双極子モーメントに基づいて上記最上段の量子ドット層から放出するパルス光強度を増強させるとともに、パルス幅を狭小化させることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明では、量子ドットを１個のみで構成している場合と比較して、ｎ個の量子ドットで構成することにより、電気双極子モーメントの相乗効果が期待でき、その放射強度は、N²倍となる（n/2(n/2+1)より）。このため、量子ドット２２ａから発生される光パルスの強度を増強させることが可能となる。また、これに伴って発生すべき光パルス信号をフェムト秒オーダまで短くすることも可能となる。

このため、本発明を適用した光パルス発生素子を用いることにより、光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることもでき、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となる。しかも、本発明を適用した光パルス発生素子は、ナノメータサイズのロッド体として構成されることから、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができ、光だけの磁気記録機能をこれらの各デバイスに担わせることも可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、超短光パルスを発生させる光パルス発生素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した光パルス発生素子１の構成を示している。この光パルス発生素子１は、ナノメータサイズのロッド（棒状体）により構成されるものであり、基板１１と、この基板上において立設されたロッド体１２とからなる。ちなみに、このロッド体１２は、基板１１において複数立設されている場合に限定されるものではなく、少なくとも１本立設されているものであってもよい。

基板１１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３基板や、サファイヤ基板等を想定しているが、これに限定されるものではなく、例えばシリコンを用いるようにしてもよいし、その他ガラス、ガリウム砒素、ガリウムナイトライド、ポリイミド基板などを用いるようにしてもよい。この基板１１の板厚は、６００μｍであるが、これに限定されるものではなく、いかなる板厚で構成されていてもよい。
ロッド体１２は、例えば図２(a)に示すように、障壁層２１と、量子ドット層２２とが交互に２段以上に亘り積層されている。図２(b)は、このロッド体１２の拡大構成を示す図であるが、障壁層２１は、禁制帯幅Ｇ１からなり、例えば、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ｘは、０．１５〜０．３）で構成されている。また、この障壁層２１は、３〜１０ｎｍの厚さで構成されていればよいが、以下の実施の形態においては、６ｎｍ程度で構成されている場合を例にとり説明をする。

また、量子ドット層２２は、上下が障壁層２１に挟まれて構成されてなり、その禁制帯幅Ｇ２は、障壁層２１の禁制帯幅Ｇ１と比較して小さい禁制帯幅で構成される。その結果、この量子ドット層２２は、禁制帯幅の大きい障壁層２１の間に構成された、いわゆる量子ドットとなり、特に単一の励起子を３次元的に閉じ込めることが可能な微細なポテンシャルの箱を形成することが可能となる。この量子ドット層２２は、励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。ちなみに、この量子ドット層２２は、障壁層２１がＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯで構成されている場合において、ＺｎＯで構成されている。また、この量子ドット２２において光を吸収することにより、励起準位へと励起された励起子により、その量子ドット２２には電気双極子モーメントが発生することになる。なお、この量子ドット層２２は、厚みが３ｎｍ程度で構成されている場合を想定しているが、上限は量子サイズ効果が発生する１０ｎｍとすることが望ましく、また下限は、障壁層２１への正孔の染み出しを防止する観点から１ｎｍとされていることが望ましい。

また、このロッド体１２は、障壁層２１と、量子ドット層２２とを交互に２段以上に亘り積層させることにより最上段に形成された量子ドット２２ａのみ膜厚を厚く構成する。例えば、下段の量子ドット層２２の膜厚を３．２ｎｍとしたとき、この最上段の量子ドット２２ａのみ、膜厚を３．８ｎｍとしている。なお、この光パルス発生素子１から放出すべきパルス光は、この量子ドット２２ａを介して放出されることになることから、この量子ドット２２ａは、いわゆる出力端としての役割を担うことになる。

これに対して、この光パルス発生素子１における入力端は、全ての量子ドット層２２に相当し、換言すれば量子ドット２２ａ以下が全て入力端に相当することになる。実際に、この光パルス発生素子１に対して入力光を供給する際には、図１に示すようにある角度方向から光を照射することにより、これら各量子ドット層２２において励起子を励起されることになる。

なお、このロッド体１２の径としては、例えば６ｎｍ程度を想定している。このため、量子ドット層２２は、径が６ｎｍ程度であり、厚みが３ｎｍ程度のナノオーダの極めて微細な構造体として構成することができ、量子ドットとしての効果を発現させることが可能となる。

次に、本発明を適用した光パルス発生素子１の作製方法について説明をする。図３は、本発明を適用したＺｎＯナノロッドの堆積方法を実現するための結晶成長装置３の概略を示している。

この結晶成長装置３は、金属触媒を用いないＭＯＶＰＥ(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法に基づくものである。

この結晶成長装置３は、チャンバ３１内に、基板１１と、上記基板１１を載置するためのステージ３４とを配設して構成され、またこのチャンバ３１内の気体は、ポンプ３６を介して吸引可能とされ、更に圧力センサ３７によりチャンバ３１内の圧力を検出し、これに基づいてバタフライバルブ３８を自動的に開閉することにより内圧の自動制御を実現可能としている。チャンバ３１の外周には、ＲＦヒータ５１が特にステージ３４の周囲において配設されており、当該ＲＦヒータ５１を介して基板１１を加熱可能としている。また、このチャンバ３１内には図示しない熱電対が配設されて内部の温度が随時識別可能とされており、さらにこのチャンバ３１に対して酸素を供給するための供給管５３と、Ａｒキャリアとしたジエチル亜鉛ガス（ＤＥＺｎ）を供給するための供給管５４とが接続されている。

このような構成からなる結晶成長装置３により、実際にナノロッド状のロッド体１２を基板１１上に堆積させる場合には、先ず、ステージ３４上に基板１１を取り付ける。次に、ポンプ３６を介してチャンバ３１内の気体を吸引するとともに、バタフライバルブ３８等を用いてチャンバ１１内を所定の圧力に制御する。

次に、ＲＦヒータ５１により基板１１を加熱するとともに、供給管５３からチャンバ３１内へ酸素を供給し、さらに供給管５４からチャンバ３１内へジエチル亜鉛ガスを供給する。ちなみに、この供給すべき酸素の代替として、水蒸気を供給するようにしてもよいし、二酸化窒素を供給するようにしてもよいし、その他酸素原子を含む化合物で構成されるいかなる気体又は蒸気を供給するようにしてもよい。また、供給すべきジエチル亜鉛ガスの代替として、亜鉛を含むいかなる有機金属ガスを供給するようにしてもよい。

このとき基板１１の温度をＲＦヒータ２１により調整するとともに、チャンバ３１内における圧力を調整する。このとき、チャンバ３１内の全圧は５Ｔｏｒｒとし、またＤＥＺｎの流量を０．１ｓｃｃｍとしている。チャンバ３１内の温度は、４５０℃程度まで上げる。

その結果、基板１１の表面からほぼ垂直方向に向けてＺｎＯからなる台柱が形成される。また、ＺｎＭｇＯからなる障壁層２１を形成させる際には、上述したジエチル亜鉛ガスに加え、更にＭｇ用原料としてＣｐ_２Ｍｇ((bis)cyclopentadienylmagnesium)を混合してこれをチャンバ３１内へと供給する。その結果、ＺｎＭｇＯからなる障壁層２１がかかる台柱の上端から成長していくことになる。このとき、Ｃｐ_２Ｍｇの混合を停止することにより、ジエチル亜鉛ガスのみがチャンバ内３１へ供給される状態を作り出すことで、ＺｎＯからなる量子ドット層２２が成長していくことになる。

このように上述した障壁層２１、量子ドット層２２を交互に２段以上形成させるためには、Ｍｇ用原料としてのＣｐ_２Ｍｇの供給し、又はこれを停止する動作を交互に繰り返し実行することにより実現することが可能となる。

最後に量子ドット２２ａを形成させる際には、通常の量子ドット層２２よりも膜厚を大きくする観点から、ジエチル亜鉛ガスの供給時間を長めにコントロールすることになる。

特に直径６ｎｍ以下までの極細のロッド体１２を形成させるためには、基板１１の温度をＲＦヒータ５１により調整する。図４は、この基板１３に対する制御温度を時系列的に示したものである。先ず、ＲＦヒータ５１により、基板１１を４５０℃±１０％まで昇温させる。そして、この４５０±１０％で約３５分程度保持する。その結果、図５に示すように、基板１１の表面からほぼ垂直方向に向けてＺｎＯからなる台柱３１が形成される。ちなみに、この保持時間は３５分に限定されるものではなく、形成すべき台柱３１の長さに応じて自在にコントロールするようにしてもよい。

次に図５に示すように、基板１３の温度を７５０℃±１０％まで昇温させる。そして、この基板１３を当該温度にて所定時間保持する。その結果、図５に示すように、台柱３１上端からＺｎＯからなる量子ドット層２２が成長することになる。ちなみに、この量子ドット層２２は、基板１１表面に対してほぼ垂直に成長し、直径２０ｎｍ以下となっている。この７５０℃でチャンバ３１内の温度を保持しつつ、上述したように、Ｃｐ_２Ｍｇの供給、停止を繰り返し実行することにより、ナノオーダからなる極細径のロッド体１２に量子井戸構造を形成させることが可能となる。

このように、上述した光パルス発生素子１においては、台柱６１の上端から直径２０ｎｍ以下のロッド体１２を所望の長さに亘り形成させることが可能となる。しかもこの形成されたロッド体１２の長手方向は、何れも基板１１に対してほぼ垂直方向に揃えることが可能となり、ランダムに配向することが無くなると同時に直径の均一化も図れることから、発光および電界放出の指向性の向上や軸方向への均一な量子井戸幅をもつ量子構造を作製する際において特に有利となる。これに加えて、ロッド体１１を構成する量子ドット層２２の直径を２０ｎｍ以下まで細径化することにより、径方向への量子閉じ込め効果を発揮させることが可能となり、後述する本発明所期の効果を発揮させる上でより好適なものとなる。

次に、本発明を適用した光パルス発生素子１の動作について説明をする。図６は、ロッド体１１における量子井戸構造をポテンシャル図で表したものである。この例においては、量子ドット層２２を１０層で構成したものであり、それぞれ下方か上方に向けて順に量子ドット層２２＿１、２２＿２、・・・２２＿１０で表している。また、これら各量子ドット層２２の間には障壁層２１が介在し、励起子を量子ドット２２内において３次元的に閉じ込めるための障壁として作用することになる。また、最上位にある量子ドット２２＿１０の上側は、量子ドット２２ａが障壁層２１を介して形成されている。

このような量子井戸構造からなるロッド体１１に対して、入力光を供給する。その結果、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０における各基底準位から励起準位へと励起子が励起されることになる。図６(a)における各量子ドット層２２＿１〜２２＿１０における丸印は、励起された励起子を意味するものである。

このような各量子ドット層２２＿１〜２２＿１０においてそれぞれ励起子が励起されることにより、これらの量子ドット層２２＿１〜２２＿１０それぞれにおいて電気双極子モーメントが発生することになる。このとき、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０間において近接場光相互作用が働き、これに基づいて、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０それぞれにおいて発生した電気双極子モーメントの向きが同一方向に配向することになる。

図６(b)は、各量子ドット２２＿１〜２２＿１０において発生した電気双極子モーメントをかかる近接場光相互作用に基づいて一方向に配向させた例を示している。このように各量子ドット２２＿１〜２２＿１０において発生した電気双極子モーメントを一方向に配向させるいわゆる電気双極子秩序化状態を作り出すことにより、以下に説明するような効果を奏する。

互いに隣接する量子ドット層２２間において、電気双極子モーメントが同符号になって振動することにより、単一の量子ドットのみの場合と比較して、かかる電気双極子モーメントの振動の振幅が大きくなる。このように大きな振幅で振動する電気双極子モーメントからは強い放射が起こることになる。即ち、隣接する量子ドット層２２間において電気双極子モーメントが合わさって大きな一つの電気双極子モーメントを発生させたのと同等の効果が生じることになる。その結果、量子ドットを１個のみで構成している場合と比較して、ｎ個の量子ドットで構成することにより、電気双極子モーメントの相乗効果が期待でき、その放射強度は、N²倍となる（n/2(n/2+1)より）。このため、量子ドット２２ａから発生される光パルスの強度を増強させることが可能となる。また、これに伴って発生すべき光パルス信号をフェムト秒オーダまで短くすることも可能となる。

このため、本発明を適用した光パルス発生素子１を用いることにより、光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることもでき、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となる。しかも、本発明を適用した光パルス発生素子１は、ナノメータサイズのロッド体１２として構成されることから、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができ、光だけの磁気記録機能をこれらの各デバイスに担わせることも可能となる。また、本発明により、ノート型ＰＣを初めとした各種モバイル端末に対しても、光記録時における記録容量の拡大、記録速度の高速化を初めとした各種技術革新を促すことが可能となる。

なお、上述した障壁層２１は、３〜１０ｎｍの厚みで構成している場合について示した。これは障壁層２１が、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ｘは、０．１５〜０．３）であり、量子ドット層２２がＺｎＯである場合において、仮に障壁層２１が３ｎｍ未満では、量子ドット２２層中の励起子がトンネル効果により隣接する他の量子ドット層２２へと突き抜けてしまう。このようなトンネル効果により電流が流れることになればジュール熱が発生することにより、光パルス発生素子１自体の抵抗が上昇してしまい、光パルスの発生効率が低下してしまう。このため、障壁層２１の厚みの下限値を３ｎｍ以上としている。なお、トンネル効果の発生をより強固に防止する観点から、障壁層２１の厚みの下限値を５ｎｍ以上とすることが望ましい。即ち、障壁層２１は、５〜１０ｎｍの厚みで構成していることがより好ましいものといえる。

また、仮に障壁層２１が１０ｎｍを超える場合には、隣接する量子ドット層２２間において働く近接場光相互作用が小さくなり、上述したような電気双極子モーメントの同一方向への配向性が低下してしまう。このため、障壁層２１の厚みの上限値を１０ｎｍ以下としている。

また、上述した量子井戸構造を構成する上で、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯ系で構成する場合に限定されるものではなく、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ系で構成するようにしてもよいことは勿論である。

ロッド体１２における障壁層２１としてＺｎ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏを、また１０層からなる量子ドット層２２として、ＺｎＯを使用し、障壁層２１の厚みは６ｎｍ、量子ドット層２２の厚みは３．２ｎｍ、量子ドット２２ａの厚みは、３．８ｎｍ、更にロッド体１２の径は、８０ｎｍとした本発明例のサンプルを作製した。

比較例として、ロッド体１２における障壁層２１としてＺｎ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏを、また１層からなる量子ドット層２２として、ＺｎＯを使用し、障壁層２１の厚みは６ｎｍ、量子ドット層２２の厚みは３．２ｎｍ、量子ドット２２ａの厚みは、３．８ｎｍ、更にロッド体１２の径は、８０ｎｍとしたサンプルを作製した。

このような形状からなる本発明例、比較例に対して、それぞれ４．０２５ｅＶの光を４５°の角度で、２ｐｓ秒間に亘り照射した結果を図７に示す。

本発明例は、比較例よりも発光強度が高くなり、また光パルスの幅が狭小化されているのが示されている。また、発光の時定数（強度が1/e²になるときの時間）は、本発明例が４００ｐｓであるのに対して、比較例は５５０ｐｓであった。このため、本発明例の方が光パルスの幅が狭小化されているのがデータとしても現れていることが分かった。

本発明を適用した光パルス発生素子の構成図である。 ロッド体の詳細な構成を示す図である。 本発明を適用した光パルス発生素子を作製するための結晶成長装置の概略図である。 基板に対する制御温度を時系列的に示した図である。 基板の表面からほぼ垂直方向に向けてナノロッドを形成させる点について説明するための図である。 本発明を適用した光パルス発生素子の動作について説明するための図である。 本発明を適用した光パルス発生素子の実施例について説明するための図である。

符号の説明

１ 光パルス発生素子
１１ 基板
１２ ロッド体
２１ 障壁層
２２ 量子ドット層
３ 結晶成長装置
３１ チャンバ
３４ ステージ
３６ ポンプ
３７ 圧力センサ
３８ バタフライバルブ
５１ ＲＦヒータ
５３ 供給管
５４ 供給管

Claims (6)

1. 障壁層と、上記障壁層よりも小さい禁制帯幅からなり、単一の励起子のみを閉じ込めることが可能な量子ドット層とを交互に２段以上に亘り積層させたロッドにより構成され、
   上記障壁層は、３〜１０ｎｍの厚みからなり、
   入射された光に基づいて上記各量子ドット層に励起子が励起可能とされているとともに、その励起子が励起された各量子ドットに発生した電気双極子モーメントの方向を近接場光相互作用に基づいて互いに同一方向へ配向させ、
   この配列された双極子モーメントに基づいて多段の量子ドット層から放出するパルス光強度を増強させるとともに、パルス幅を狭小化させること
   を特徴とする光パルス発生素子。
2. 最上段の量子ドット層は、他の量子ドット層よりも膜厚が厚く構成されてなること
   を特徴とする請求項１記載の光パルス発生素子。
3. 上記障壁層は、５〜１０ｎｍの厚みからなり、さらに上記量子ドット層は、１〜１０ｎｍの厚みからなること
   を特徴とする請求項１又は２記載の光パルス発生素子。
4. 上記障壁層は、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ｘは、０．１５〜０．３）であり、
   上記量子ドット層は、ＺｎＯであること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光パルス発生素子。
5. 上記障壁層は、ＧａＮであり、
   上記量子ドット層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘは、０．１〜０．５）であること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光パルス発生素子。
6. 上記障壁層は、ＧａＮ又はＧａＡｓであり、
   上記量子ドット層は、ＩｎＡｓであること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の光パルス発生素子。

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