JP2011054777A - 単一光子発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２ＤＰＣ光共振器を用いた単一光子発生装置に関して、高効率化、高集積化、高偏波制御化を、同時に実現すること。
【解決手段】２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料と、２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体と、水素化アモルファスシリコンをコアとする光導波路と、２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料と、水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料と、ウエハ接合用接着材料と、デバイス基板とを含み、２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されている単一光子発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子暗号通信等に利用される単一光子発生装置に係り、特に、２次元フォトニック結晶光共振器を用いた単一光子発生装置に関する。

現在、安全な情報通信社会の実現のため、極めて高い安全性を誇る量子暗号通信の実現が期待されている。
量子暗号通信は、従来の計算量理論に基づく安全性保証ではなく、物理法則に基づく安全性保証を特徴とする。

特に、単一光子を用いた量子暗号通信は、有力な通信方式の一つとして注目されている。光子を一個ずつ送る場合、量子論に基づくと、痕跡を残すことなく盗聴することは不可能である。よって、単一光子を用いた量子暗号通信では、盗聴の有無を検知することが可能となる。
送信者、受信者は、盗聴の有無を検知することにより、盗聴されていないことが保証された情報を互いに共有することが可能となる。単一光子を用いた量子暗号通信は、第三者に知られてはならない情報の共有に適した通信方式である。
単一光子を用いた量子暗号通信は、共通鍵暗号方式における共通鍵の配送への応用が期待されている。

単一光子を用いた量子暗号通信においては、単一光子を効率よく発生させるための装置が必要である。従来、１パルスあたりの平均光子数を０．１程度にまで減衰させた微弱レーザー光が用いられてきた。しかしながら、微弱レーザー光を利用する場合，光子数がポアソン分布に従うため、同時に２個以上の光子が発生する確率を十分小さくできないという問題点が指摘されている。

近年、理想的な単一光子源を実現するための有力な方法の一つとして、微小光共振器を用いた方法が報告されている。特に、２次元フォトニック結晶（２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ：２ＤＰＣ）を用いた光共振器は、超小型、高性能な光共振器の実現が可能であることから大きな注目を集めている。例えば、２ＤＰＣ光共振器中に、量子ドット等の発光体を導入することにより、単一光子源の実現が可能であることが報告されている（図３６、非特許文献１）。

しかしながら、２ＤＰＣ光共振器を用いた単一光子源には、以下の問題点が挙げられる。
第一の問題点として、２ＤＰＣ光共振器は、上下対称構造を有するため、上下方向に対して対称に光を放射することが挙げられる（図３７）。
単一光子の生成において、上面（、又は下面）に放射される確率は、５０％となる。
よって、上面（、又は下面）に受光光学系を配置した場合、単一光子を受光できる確率は、最大で５０％となる。
ここで、２ＤＰＣ光共振器において、上下非対称構造を導入し、上下方向に対する光の放射を不均一とする対策が考えられるが、一般に、上下非対称構造を導入すると、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）−ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ）結合が生じ、光共振器としての特性が劣化することが知られている。

第二の問題点として、２ＤＰＣ光共振器は、数μｍ程度の超小型な光共振器であるため、広い放射角に対して光を放射することが挙げられる。
通信のためには、光ファイバーを用いて単一光子を伝送させなければならない。しかしながら、放射パターンが広い放射角を有するため、光ファイバーとの効率の良い結合が非常に難しくなる。

第一の問題点として挙げた５０％の損失に加えて、第二の問題点として挙げた光ファイバーとの結合損失により、２ＤＰＣ光共振器中で生成された単一光子の多くは、光ファイバーに伝送されることなく、損失として失われてしまう。
単一光子を用いた通信方式では、ある単一光子が損失により失われると、その単一光子がもつ情報は全く伝送されない事態となる。よって、光ファイバーに効率よく単一光子を伝送することが可能な単一光子発生装置の実現は、非常に重要である。

さらに、実用化のためには、単一光子発生装置は、集積化に適した構造であることが求められる。集積化としては、単一光子源同士の高集積化に加え、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が挙げられる。

また、実用化のためには、単一光子発生装置は、発生させる単一光子の偏波方向を制御できることが望ましい。直交する２つの偏波方向に対して、信号の０、１を割り当てる量子暗号通信方式では、当然望ましい。また、πずれた２つの位相に対して、信号の０、１を割り当てる量子暗号通信方式においても、光学素子の偏波依存性を考慮すると、単一光子の偏波方向を所望の方向に制御できることが望まれる。

Dirk Englund and et al、"Controlling the Spontaneous Emission Rate of Single Quantum Dots in a Two-Dimensional Photonic Crystal、" Physical Review Letters、vol.95、pp.013904-1-4 (2005)

本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、２ＤＰＣ光共振器を用いた単一光子発生装置に関して、高効率化、高集積化、高偏波制御化を、同時に実現する単一光子発生装置を提供することを課題とする。その詳細は、次のとおりである。

第一に、光ファイバーに効率よく単一光子を伝送することが可能な２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供すること。
第二に、集積化に適した２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供すること。
第三に、単一光子の偏波方向を制御可能な２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供すること。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）構成要素として、２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料と、２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体と、水素化アモルファスシリコンをコアとする光導波路と、２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料と、水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料と、ウエハ接合用接着材料と、デバイス基板とを含み、
２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されていることを特徴とする単一光子発生装置。
（２）上記２次元フォトニック結晶が、三角格子２次元フォトニック結晶、又は正方格子２次元フォトニック結晶であることを特徴とする（１）に記載の単一光子発生装置。
（３）上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料が、化合物半導体であることを特徴とする（１）乃至（２）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（４）上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体が、量子ドットであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（５）上記水素化アモルファスシリコン光導波路が、細線光導波路構造、又はリブ型光導波路構造であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（６）上記２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ_２であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（７）上記水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ_２であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（８）上記ウエハ接合用接着材料が、ＢＣＢ樹脂、又はＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）であることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（９）上記デバイス基板が、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、又は石英基板であることを特徴とする（１）乃至（８）のいずれかに記載の単一光子発生装置。
（１０）上記２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路において、作製上生じる位置合わせ誤差による鏡映面の位置ずれ量が、１００ｎｍ以下であることを特徴とする（１）乃至（９）のいずれかに記載の単一光子発生装置。

本発明では、２ＤＰＣ光共振器を用いて生成した単一光子を、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）光導波路を用いて取り出している。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、光ファイバーとの高効率な接続が可能である。よって、本発明は、第一に、光ファイバーに効率よく単一光子を伝送することが可能な２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供する。

本発明では、ウエハ接合用接着材料によるウエハ接合を導入しており、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が実現可能である。また、単一光子をａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を用いて取り出していることから、任意の光学素子との光・光集積化が実現可能である。よって、本発明は、第二に、集積化に適した２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供するものである。

本発明では、２次元フォトニック結晶光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されている。このように鏡映面を合わせて配置することで、単一光子の偏波方向を、ＴＥ偏波、又はＴＭ偏波に制御して、光ファイバーへと出射することが可能となる。よって、本発明は、第三に、単一光子の偏波方向を制御可能な２ＤＰＣ光共振器単一光子発生装置を提供するものである。

単一光子発生装置の一例。 単一光子発生装置の構成要素である２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一例。 単一光子発生装置の構成要素である２ＤＰＣ光共振器の一例。 単一光子発生装置の構成要素であるａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の一例。 単一光子発生装置の構成要素である２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の配置方法の一例。 単一光子発生装置の構成要素であるａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の例。 作製上生じる２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置合わせ誤差の説明図。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板とデバイス基板の一例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。 ウエハ接合界面へのウエハ接合用接着材料の導入例。 ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合の一例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板に対して余分な部材の除去を実施した例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料への２ＤＰＣ光共振器構造の導入例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。 低屈折率材料上へのａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の導入例。 ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上への低屈折率材料の導入例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料への２ＤＰＣ光共振器構造の導入例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。 低屈折率材料上へのａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の導入例。 ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路上への低屈折率材料の導入例。 ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合の一例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板に対して余分な部材の除去を実施した例。 ２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上への低屈折率材料の導入例。 ２ＤＰＣＬ７光共振器。 ２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの電界分布（Ｅｙ）。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造の説明図（俯瞰図）。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造の説明図（断面図）。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造における鏡映面上の電界分布（Ｅｙ）の一例。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離を変化させた場合の光取り出し効率。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離を変化させた場合のＱ値。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造の説明図。 ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合の光取り出し効率。 ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合のＱ値。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造の一例（ｘ＝−１７６５ｎｍ）。 ２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の結合構造の一例。 従来法による２ＤＰＣ光共振器を用いた単一光子源の一例。 上下対称構造を有する２ＤＰＣ光共振器における放射光の説明図。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明に係る単一光子発生装置の実施例を示す。
本単一光子発生装置は、第一の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を含む。例えば、上記２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を用いればよい。

本単一光子発生装置は、第二の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に発光体を含む。例えば、上記発光体としては、ＩｎＡｓ量子ドットを用いればよい。

本単一光子発生装置は、第三の構成要素として、ａ−Ｓｉ：Ｈをコアとする光導波路を含む。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、第一に、２ＤＰＣ光共振器内で生成された単一光子を効率よく取り出すために使用される（図２）。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、第二に、単一光子を光ファイバーへと効率よく伝送するために使用される。例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路、光ファイバー間に、スポットサイズコンバーター等を挿入することにより、単一光子を損失なく光ファイバーへと伝送することが可能となる。

単一光子の生成には、２ＤＰＣ光共振器中の発光体を励起する必要がある。ここで、一般的な光照射により励起を行う場合のａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の影響について考える。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の厚さは、光の波長より小さいサイズである。
ａ−Ｓｉ：Ｈの光学特性は、作製法、作製条件に依存するが、一般に、シリコンより大きな光学バンドギャップを有する。そのため、シリコンより広い波長帯域に対して、光を吸収なく透過させることが可能である。

励起光の波長を、ａ−Ｓｉ：Ｈの広い透過波長帯域に対応させた場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、励起光を吸収なく透過させることが可能となる。この場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、光照射による励起を全く邪魔しない。よって、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、自由な配置が許される。例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器の直上に配置されていてもよいし、直下に配置されていてもよい。
ａ−Ｓｉ：Ｈの広い透過波長帯域は、光照射による励起を行う際、大きな利点となる。

本単一光子発生装置は、第四の構成要素として、２ＤＰＣ光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料を含む。例えば、上記低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２を用いればよい。ここで、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５程度である。

本単一光子発生装置は、第五の構成要素として、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料を含む。例えば、上記低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２を用いればよい。

本単一光子発生装置は、第六の構成要素として、ウエハ接合用接着材料を含む。例えば、上記ウエハ接合用接着材料としては、ＢＣＢ樹脂を用いればよい。

本単一光子発生装置は、第七の構成要素として、デバイス基板を含む。例えば、上記デバイス基板としては、Ｓｉ基板を用いればよい。

上記一〜五の構成要素は、第六の構成要素であるウエハ接合用接着材料を用いて、第七の構成要素であるデバイス基板上に接合される。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合は、第一に、単一光子発生装置の集積化の実現に使用される。例えば、ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合の導入により、他の光デバイスとの光・光集積化、他の電子デバイスとの光・電子集積化が実現可能となる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合は、第二に、２ＤＰＣ光共振器コアの周囲を低屈折材料で覆うために利用される。ウエハ接合工程を含むことで、２ＤＰＣ光共振器コアの上下両面に低屈折率材料を導入することが可能となる。

ここで、ウエハ接合技術を用いないで、２ＤＰＣ光共振器コアの上下両面に低屈折率材料を導入する方法も考えられる。例えば、低屈折率材料上に結晶成長技術を用いて２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を成長させ、２ＤＰＣ光共振器の下面に低屈折率材料を導入する。その後、２ＤＰＣ光共振器コアの上面に低屈折率材料を形成させる。このように、ウエハ接合技術を用いることなく、２ＤＰＣ光共振器コアの上下両面に低屈折率材料を導入することも可能である。
しかしながら、格子定数の違い等の原因により、低屈折率材料上に高品質な化合物半導体を結晶成長させることは、一般に困難である。

よって、本発明に係る単一光子発生装置の作製では、ウエハ接合工程を通じて、２ＤＰＣ光共振器コアの上下両面に低屈折率材料を導入する方法を採用する。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合工程を含むことから、例えば、高品質な化合物半導体をコアとする２ＤＰＣ光共振器の実現が容易となる。
また、ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合は、ウエハ接合界面に凹凸が存在する場合にも、良好なウエハ接合が可能であるという利点がある。

本発明に係る単一光子発生装置は、単一光子の偏波方向の制御を実現するために、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路に対して、以下の条件を満たす必要がある。
（１）本単一光子発生装置において、２ＤＰＣ光共振器は、少なくとも一つの鏡映面を含む（図３）。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器近傍において、少なくとも一つの鏡映面を含む（図４）。
（２）２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、互いの鏡映面が重なり合うように配置される（図５）。
このように鏡映面を合わせて配置することで、単一光子の偏波方向を、ＴＥ偏波、又はＴＭ偏波に制御して、光ファイバーへと出射することが可能となる。

上記鏡映面に関する条件を考慮しないで２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の配置を行った場合には、単一光子の偏波方向は、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波のどちらにもなり得る状態となる。つまり、単一光子は、ある一定の確率に応じて、ＴＥ偏波、又はＴＭ偏波となり、光ファイバーへと出射される。単一光子の偏波方向が曖昧な状態となるため、情報伝送の高効率化に支障が生じる。

上記実施例では、２ＤＰＣとして、三角格子２ＤＰＣを用いているが（図３）、本発明では、その他の２ＤＰＣを用いてもよい。例えば、正方格子２ＤＰＣ等の利用が挙げられる。
また上記実施例では、２ＤＰＣの基本構造として、円孔を用いているが（図３）、本発明では、その他の基本構造を用いてもよい。例えば、楕円孔、三角孔等の利用が挙げられる。

上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器として、円孔を複数埋め込んだ２ＤＰＣ光共振器を用いているが（図３）、本発明では、その他の２ＤＰＣ光共振器を用いてもよい。
例えば、２ＤＰＣ光共振器の形成方法としては、円孔サイズを変える方法、円孔位置をシフトさせる方法、２ＤＰＣ線欠陥導波路をヘテロ接続させる方法、２ＤＰＣ線欠陥導波路の一部に変調構造を導入する方法等が挙げられる。
但し、本発明において、２ＤＰＣ光共振器は、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路と共有することが可能な鏡映面を、少なくとも一つはもつ必要がある。

ここで、２ＤＰＣ光共振器の構造としては、２ＤＰＣ光共振器中心から十分離れた領域、すなわち、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの電磁界が無視できる程減衰している領域の構造は考慮しなくてよい。実際に、２ＤＰＣ光共振器の動作上、有効な範囲において、上記鏡映面の条件が満たされれば、問題ない。

上記実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路として、直方体状の細線光導波路構造を用いているが（図１、２）、本発明では、その他の光導波路構造を用いてもよい。例えば、ハの字型細線光導波路構造、リブ型光導波路構造、細線光導波路構造においてコア、クラッド間に新たな材料（例えば、ＳｉＮ等）を付加した光導波路構造等が挙げられる（図６）。

また上記実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路として、先端部まで一様な光導波路構造を用いているが（図１、２）、本発明では、一様でない光導波路構造を用いてもよい。
例えば、先端部を細くした光導波路構造、先端部を太くした光導波路構造、導波路幅を任意に変調した光導波路構造等が挙げられる。
但し、本発明において、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、２ＤＰＣ光共振器と共有することが可能な鏡映面を、少なくとも一つはもつ必要がある。

ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の鏡映面は、２ＤＰＣ光共振器近傍でのみ存在が求められる。つまり、２ＤＰＣ光共振器中心から十分離れた領域、すなわち、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの電磁界が無視できる程減衰している領域においては、鏡映面をもたない光導波路構造が許される。鏡映面をもたない光導波路構造としては、曲がり光導波路等が挙げられる。

上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、互いの鏡映面が重なり合うように配置されるとした（図５）。しかしながら、本単一光子発生装置を実際に作製する際には、作製上生じる位置合わせ誤差により、互いの鏡映面にわずかな位置ずれΔｒが発生する（図７）。
本発明では、２つの鏡映面の位置ずれΔｒが零であることが理想的であるが、Δｒが零から外れたからといって、突然に動作不良に至るわけではない。Δｒが十分小さな値であれば、正常な動作が保証される。これは、通常の光デバイスにおける作製誤差に関する議論と同様である。

本発明において、２つの鏡映面の位置ずれΔｒは、十分小さな値であることが望ましい。例えば、最新のフォトリソグラフィ技術を用いれば、位置ずれΔｒを数十ｎｍ以下の十分小さな値に抑えることが可能となる。

上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料として、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を挙げたが、本発明では、その他の材料を用いてもよい。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に導入する発光体としてＩｎＡｓ量子ドットを挙げたが、本発明では、その他の発光体を用いてもよい。

例えば、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料として化合物半導体を、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に導入する発光体として量子細線、量子井戸を用いる場合が挙げられる。
また、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としてＳｉを、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料中に導入する発光体としてＧｅ量子ドットを用いる場合が挙げられる。

上記実施例では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路、光ファイバー間にスポットサイズコンバーター等を挿入することで、単一光子の高効率な伝送が可能となると述べた。ここで、本発明では、任意のスポットサイズコンバーターを用いてもよい。
また、本発明では、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路、光ファイバー間に、任意の光学素子を挿入してもよい。例えば、光変調器、方向性結合器、偏波回転素子、光スイッチ等の挿入が挙げられる。
ここで、本発明は、単一光子源同士の高集積化に適しているだけでなく、単一光子をａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を用いて取り出していることから、任意の光学素子との光・光集積化に適しているという大きな利点がある。

上記実施例では、低屈折材料として、ＳｉＯ_２を挙げたが、本発明では、その他の低屈折率材料を用いてもよい。また、複数の低屈折率材料を組み合わせて用いてもよい。例えば、ＳｉＯＦ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ＳｉＮ、有機ポリマー、樹脂等が挙げられる。

上記実施例では、ウエハ接合用接着材料として、ＢＣＢ樹脂を挙げたが、本発明では、その他のウエハ接合用接着材料を用いてもよい。例えば、ＳＯＧ、有機ポリマー、樹脂、金属材料等が挙げられる。

上記実施例では、デバイス基板として、Ｓｉ基板を挙げたが、本発明では、その他の基板を用いてもよい。また、デバイス基板上には、任意のデバイス（例えば、光デバイス、電子デバイス等）が作製されていてもよい。例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、石英基板、化合物半導体基板等が挙げられる。

次に、本発明による単一光子発生装置の作製方法の一例を簡単に説明する。
第一に、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板と、デバイス基板を用意する（図８）。例えば、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、化合物半導体が挙げられる。例えば、デバイス基板としては、Ｓｉ基板が挙げられる。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上に、２ＤＰＣ光共振器のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図９）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。

ウエハ接合用接着材料をウエハ接合界面に塗布する（図１０）。例えば、ウエハ接合用接着材料としては、ＢＣＢ樹脂が挙げられる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合を実施する（図１１）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板のうち、余分な部材を除去する（図１２）。

２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製する（図１３）。
２ＤＰＣ光共振器及びａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１４）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。

ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する（図１５）。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１６）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。
以上の作製工程を用いることで、図１で示した本発明に係る単一光子発生装置を実際に作製することができる。

本発明に係る単一光子発生装置の作製に当たって、次のような作製工程を用いてもよい。
上記実施例では、ウエハ接合後に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製したが（図１３）、最初の段階で、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に２ＤＰＣ光共振器構造を作製してもよい。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板上に、ウエハ接合用接着材料を塗布しているが（図１０）、デバイス基板側にウエハ接合用接着材料を塗布してもよい。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板における余分な部材を除去する際、犠牲層を用いるとしているが（図１１、１２）、その他の基板除去法を用いてもよい。例えば、エッチストップ層を用いる方法、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法、水素イオン注入を用いる方法等が挙げられる。

上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器の直上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成しているが（図１６）、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成してもよい。
２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する場合の作製工程としては、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を作製し、その後、ウエハ接合を用いてデバイス基板上に集積するという工程が挙げられる。
図１７−２３に、作製工程の説明図を示す。但し、本作製工程では、最初の段階で、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に２ＤＰＣ光共振器構造を作製するとした。
以下に、作製工程を簡単に説明する。

第一に、２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板と、デバイス基板を用意する。２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料としては、化合物半導体が挙げられる。また、デバイス基板としては、Ｓｉ基板が挙げられる。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料に、２ＤＰＣ光共振器構造を作製する（図１７）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料上に、２ＤＰＣ光共振器及びａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図１８）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。

ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する（図１９）。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図２０）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。
ウエハ接合用接着材料をウエハ接合界面に塗布する。例えば、ウエハ接合用接着材料としては、ＢＣＢ樹脂が挙げられる。
ウエハ接合用接着材料を用いたウエハ接合を実施する（図２１）。
２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板のうち、余分な部材を除去する（図２２）。
２ＤＰＣ光共振器のクラッドとなる低屈折率材料を形成する（図２３）。例えば、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２が挙げられる。
以上の作製工程を用いることで、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成した、本発明による単一光子発生装置を実際に作製することができる。

また、２ＤＰＣ光共振器の直下にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を形成する場合の作製工程としては、上記作製工程の他に、例えば、デバイス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を作製、その後、ウエハ接合を用いてデバイス基板上に２ＤＰＣ光共振器のコアとなる材料を有する基板を集積するという作製工程も挙げられる。

本発明に係る単一光子発生装置の実施例について具体的な数値を挙げて説明する。以下では、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置の実施例を例示する。

図２４に、本実施例で使用する２ＤＰＣ光共振器の構造を示す。本２ＤＰＣ光共振器は、円孔を７個埋め込むことで形成されることから、一般に、２ＤＰＣＬ７光共振器と呼ばれる。
ここで、２ＤＰＣ光共振器のコアの屈折率は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体を想定し、３．４とする。また、２ＤＰＣ光共振器のクラッドの屈折率は、ＳｉＯ_２を想定し、１．４４５とする。
このとき、２ＤＰＣのコアの厚さを２７５ｎｍ、円孔間隔を３９２ｎｍ、円孔半径を１２２ｎｍとした場合、２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの共振波長は１．５５μｍとなる。
ここで、２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードは、２万４３００と十分大きなＱ値を有する。
図２５に、２ＤＰＣＬ７光共振器の基底共振モードの電界分布（Ｅｙ）を示す。

図２６に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を結合させた場合の俯瞰図を示す。２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路は、両者の鏡映面が一致するように配置される。
図２７に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を結合させた場合の断面図を示す。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路のコアの屈折率は、３．５とする。また、クラッドの屈折率は、ＳｉＯ_２を想定し、１．４４５とする。ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の構造は、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波の単一光子の伝送を考慮し、横幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍとした。

図２８に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を結合させた場合の数値解析結果を示す。図２８では、鏡映面上における電界分布（Ｅｙ）を示している。
数値解析手法としては、一般的な３次元電磁界解析手法である３ＤＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。

図２８より、２ＤＰＣＬ７光共振器からａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路へと、良好に光が取り出されていることが分かる。
ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路中を伝搬する光は、ＴＥ偏波のみである。これは、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣＬ７光共振器の共振モードが、ＴＥ偏波であることに起因する。
偏波制御においては、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の鏡映面を一致させることが非常に重要である。

次に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離（図２７）を変化させた場合の光取り出し効率、Ｑ値を示す。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の先端は、２ＤＰＣＬ７光共振器の中心の直上に配置されている。
図２９に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離を変化させた場合の光取り出し効率を示す。中心間距離３１０〜５６０ｎｍにおいて、光取り出し効率５０％以上が実現される。また、中心間距離３６５ｎｍにおいて、光取り出し効率７１％が実現される。

図３０に、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離を変化させた場合のＱ値を示す。中心間距離３１０〜５６０ｎｍにおいて、Ｑ値は１４０〜６２００となる。
一般に、単一光子の生成には、比較的低いＱ値が適することが知られている。例えば、Ｑ値が大きすぎる場合、単一光子は、光共振器中に長時間蓄えられることになる。この場合、単一光子が、光共振器外部に放出されず、発光体によって吸収されてしまうという事態が生じる。そのため、単一光子の生成には、比較的低いＱ値が望ましい。
よって、Ｑ値１４０〜６２００は、単一光子の生成を目的とした場合、妥当なＱ値と言える。

次に、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合（図３１）の光取り出し効率、Ｑ値を示す。ここで、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の中心間距離は、４８０ｎｍとした。
ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の鏡映面の一致は崩れない。つまり、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合においても、上記と同様にＴＥ偏波の単一光子の生成が実現される。

図３２に、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合の光取り出し効率を示す。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の先端が、２ＤＰＣＬ７光共振器の中心の直上となる位置をｘ＝０とした。
ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合においても、適切な位置を選ぶことで、５０％以上の高い光取り出し効率が実現可能である。

図３３に、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の位置をｘ方向に変化させた場合のＱ値を示す。
ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の先端が、２ＤＰＣＬ７光共振器の直上にない場合でも、光取り出し効率５０％以上が実現可能である点に注意する必要がある。例えば、ｘ＝−１７６５ｎｍ（図３４）において、６８％の高い光取り出し効率が実現可能である。
以上、光通信波長１．５５μｍ、ＴＥ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置の具体的な実施例について説明を行った。

上記実施例では、ＴＥ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置に関して説明を行ったが、本発明では、ＴＭ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置を実現することも可能である。

単一光子の偏波は、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上における、２ＤＰＣ光共振器の共振モードの偏波方向で決定される。
上記実施例のように、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣ光共振器の共振モードがＴＥ偏波である場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を伝搬する単一光子もＴＥ偏波となる。

一方、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、２ＤＰＣ光共振器の共振モードがＴＭ偏波である場合、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を伝搬する単一光子もＴＭ偏波となる。
上記実施例では、２ＤＰＣ光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路が共有する鏡映面上において、ＴＥ偏波となる基底共振モードを用いたが、共有する鏡映面上において、ＴＭ偏波となる高次共振モードに注目すれば、ＴＭ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置を実現できる。

また、図３５に示すように２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路を配置した場合、２ＤＰＣＬ７光共振器、ａ−Ｓｉ：Ｈ光導波路の共有する鏡映面上において、基底共振モードはＴＭ偏波となる。よって、この場合にも、ＴＭ偏波の単一光子を光ファイバーへと出射する単一光子発生装置を実現できる。
本発明は、２ＤＰＣ光共振器を用いた単一光子発生装置に関して、高効率化、高集積化、高偏波制御化を、同時に実現する単一光子発生装置を提供するものである。

以上で述べたように、本発明に係る単一光子発生装置は、第一に、単一光子発生装置の実現に最適であると考えられるが、その他の用途として、全く同一の構成で、多数光子を発生する装置として利用することも可能である。例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源装置、レーザー光源装置等への応用が挙げられる。

Claims (10)

1. 構成要素として、２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料と、２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体と、水素化アモルファスシリコンをコアとする光導波路と、２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料と、水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料と、ウエハ接合用接着材料と、デバイス基板とを含み、
   ２次元フォトニック結晶光共振器が、少なくとも１つの鏡映面を有し、水素化アモルファスシリコン光導波路が、２次元フォトニック結晶光共振器近傍において、少なくとも１つの鏡映面を有するとともに、２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路が、互いの鏡映面が重なり合うように配置されていることを特徴とする単一光子発生装置。
2. 上記２次元フォトニック結晶が、三角格子２次元フォトニック結晶、又は正方格子２次元フォトニック結晶であることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生装置。
3. 上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料が、化合物半導体であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
4. 上記２次元フォトニック結晶光共振器のコアとなる材料中に導入された発光体が、量子ドットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
5. 上記水素化アモルファスシリコン光導波路が、細線光導波路構造、又はリブ型光導波路構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
6. 上記２次元フォトニック結晶光共振器のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
7. 上記水素化アモルファスシリコン光導波路のクラッドとして機能する低屈折率材料が、ＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
8. 上記ウエハ接合用接着材料が、ＢＣＢ樹脂、又はＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
9. 上記デバイス基板が、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、又は石英基板であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
10. 上記２次元フォトニック結晶光共振器、水素化アモルファスシリコン光導波路において、作製上生じる位置合わせ誤差による鏡映面の位置ずれ量が、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。