JP2016018853A - Photon generator and photon generation method, and control program - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable photon generator capable of enhancing the extraction efficiency of a single photon, by suppressing the blinking phenomenon.SOLUTION: A photon generator has a quantum dot unit 1 including a quantum dot 1a generating a single photon, electrodes 1A, 1B for applying a voltage to the quantum dot unit 1, an exciting light generation unit 2 for irradiating the quantum dot 1a with an exciting light pulse generated by adjusting the energy of the exciting light pulse so as to resonate with the excitation level in the quantum dot 1a, a first voltage source 3 for applying a reverse bias voltage pulse to the electrodes 1A, 1B, and a synchronous operation unit 4 for operating the exciting light generation unit 2 and first voltage source 3 synchronously so as to repeat irradiation of the exciting light pulse and application of a voltage pulse alternately.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、量子ドットを備えた光子発生装置及び光子発生方法、並びに制御プログラムに関する。   The present invention relates to a photon generation device, a photon generation method, and a control program provided with quantum dots.

近年、光と物質の量子的な状態を操作し、情報処理に利用する量子情報技術への期待が高まっている。量子情報技術の代表的なアプリケーションは量子暗号通信や量子演算であり、これらを実現することで極めて安全性が高い情報通信や特定アルゴリズムにおいて高速演算を実現することが可能となる。これらの基盤となる技術は制御された量子状態を作り出すことであり、特に単一の光子を制御性良く発生させることは、量子暗号通信等への応用可能性も高く極めて重要である。   In recent years, there is an increasing expectation for quantum information technology that manipulates the quantum state of light and matter and uses it for information processing. Typical applications of quantum information technology are quantum cryptography communication and quantum computation, and by realizing these, high-speed computation can be realized in highly secure information communications and specific algorithms. The technology that forms the basis of these is to create a controlled quantum state. In particular, it is extremely important to generate a single photon with good controllability because it can be applied to quantum cryptography communication and the like.

単一の光子を発生する装置(単一光子発生装置)の光子発生部としては、擬似的な量子二準位系を実現可能とする半導体の量子ドットが用いられている。量子ドットは特に、固体材料に起因した安定動作可能性や、材料及び形状の選択による発光波長の制御可能性等の利点があり、世界的に研究されている。以下、単一光子発生装置は量子ドットを用いたものであるとする。   As a photon generator of an apparatus that generates a single photon (single photon generator), a semiconductor quantum dot that can realize a pseudo quantum two-level system is used. Quantum dots are particularly studied worldwide because they have advantages such as the possibility of stable operation due to solid materials and the possibility of controlling the emission wavelength by selecting materials and shapes. Hereinafter, the single photon generator is assumed to use quantum dots.

単一光子発生装置の駆動方式には、光励起方式と電流注入方式の大きく分けて2通りがある。前者は、量子ドットを含む装置に光照射することで半導体材料中に光励起された励起子を生成し、その励起子が量子ドットの中で発光する発光を単一光子として取り出す方式である。後者は、光照射の代わりに電流を流し、量子ドット中に電子と正孔を注入し、それらが再結合して出す発光を単一光子として使用する方式である。   There are two types of driving methods for the single photon generator, roughly divided into the photoexcitation method and the current injection method. The former is a method in which excitons photoexcited in a semiconductor material are generated by irradiating a device including quantum dots, and light emitted from the excitons in the quantum dots is extracted as a single photon. The latter is a method in which an electric current is passed instead of light irradiation, electrons and holes are injected into the quantum dots, and light emitted from the recombination is used as a single photon.

光励起方式の中には、準共鳴励起という励起手法がある。図10は、準共鳴励起により単一光子が発生する旨を説明する図である。図10では、上段が伝導帯のエネルギーバンド図及び電子の準位を、下段が価電子帯のエネルギーバンド図及び正孔の準位をそれぞれ示す。後述する図12でも同様である。
準共鳴励起では、量子ドットの励起状態の励起子準位に共鳴するエネルギーを有した励起光パルスを外部から照射することで、量子ドット中に励起状態の励起子を直接生成する。その励起状態の励起子が基底状態の励起子(中性励起子:X0)に緩和した後に再結合して発光する光を、単一光子として利用する。準共鳴励起を利用することで、量子ドットへの余剰なキャリア生成が抑制可能であり、これによって単一光子発生装置の重要な特性パラメータである純度や光取出し効率を上げることが可能である。
Among the optical excitation methods, there is an excitation method called quasi-resonant excitation. FIG. 10 is a diagram for explaining that single photons are generated by quasi-resonant excitation. In FIG. 10, the upper stage shows the energy band diagram and electron level of the conduction band, and the lower stage shows the energy band diagram and hole level of the valence band. The same applies to FIG. 12 described later.
In quasi-resonant excitation, an exciton in an excited state is directly generated in the quantum dot by externally irradiating an excitation light pulse having energy that resonates with the exciton level in the excited state of the quantum dot. The light that is recombined after the excited excitons are relaxed to the ground state excitons (neutral excitons: X 0 ) is used as a single photon. By using quasi-resonant excitation, it is possible to suppress the generation of excess carriers in the quantum dots, thereby increasing the purity and light extraction efficiency, which are important characteristic parameters of the single photon generator.

単一光子発生装置では、光子を1個ずつ生成し、それら個々の光子の特性を情報処理に利用するので、光出力を増幅して使用することには意味がない。従って、単一光子の光源自体の性能改善には、光取出し効率を可能な限り高めることが極めて重要である。ここで光取出し効率とは、「単一光子発生装置の1回の駆動イベントにおいて、外部の光取出し部(例えば光ファイバー等)に放出される単一光子の発生確率」と定義する。光取出し効率(以下、ηと記す。)は、主に3つの要因から決定される。第一は、単一光子を発生する量子準位へ励起子が注入される確率(ηcap)である。第二は、量子ドット内の励起子が再結合発光する際の発光効率(ηiqe:内部量子効率)である。第三は、量子ドットから放出された光子を装置外部に取り出す際に、量子ドットを含む光学構造から光取出し部への光学的な結合効率(ηopt)である。 In a single photon generator, photons are generated one by one and the characteristics of these individual photons are used for information processing, so there is no point in amplifying and using the optical output. Therefore, to improve the performance of the single photon light source itself, it is extremely important to increase the light extraction efficiency as much as possible. Here, the light extraction efficiency is defined as “a generation probability of a single photon emitted to an external light extraction unit (for example, an optical fiber or the like) in one driving event of the single photon generation device”. The light extraction efficiency (hereinafter referred to as η) is mainly determined from three factors. The first is the probability (η cap ) that excitons are injected into a quantum level that generates a single photon. The second is the light emission efficiency (η iqe : internal quantum efficiency) when excitons in the quantum dots recombine. The third is the optical coupling efficiency (η opt ) from the optical structure including the quantum dots to the light extraction portion when taking out the photons emitted from the quantum dots to the outside of the apparatus.

これらは、以下の関係にある。
η=ηcap×ηiqe×ηopt
ここで、ηiqeは量子ドットの材料、形状及び結晶の品質によって決定され、ηoptは量子ドットを含む光学構造及び光の取り出し部によって決定されるパラメータである。
These are in the following relationship.
η = η cap × η iqe × η opt
Here, η iqe is determined by the material, shape, and crystal quality of the quantum dot, and η opt is a parameter determined by the optical structure including the quantum dot and the light extraction unit.

特開2004−253657号公報JP 2004-253657 A

Phys. Rev. B 69, 205324 (2004).Phys. Rev. B 69, 205324 (2004). Applied Physics Express 3 (2010) 092802.Applied Physics Express 3 (2010) 092802.

単一光子の光取出し効率ηの改善に向けて、既に準共鳴励起を用いてηcapを向上させることが報告されている(非特許文献1,2を参照)。ところが、この手法を用いても、ηcapの時間平均<ηcap>を低下させるブリンキング現象を抑制することは難しい。ブリンキング現象とは、量子ドット中の1つの励起子(一般にはX0)が発光可能な状態(オン状態)と発光不可能な状態(オフ状態)の間で、ある程度の時定数で状態遷移する現象であり、オン状態とオフ状態とが順番に入れ替わることで発光が明滅するように見えることからその名前が付けられている。 In order to improve the light extraction efficiency η of a single photon, it has already been reported to improve η cap using quasi-resonant excitation (see Non-Patent Documents 1 and 2). However, even with this approach, it is difficult to suppress the blinking phenomenon to reduce the time average <eta cap> of eta cap. Blinking phenomenon is a state transition with a certain time constant between a state where one exciton (generally X 0 ) in a quantum dot can emit light (on state) and a state where it cannot emit light (off state). The name is given because the light emission appears to blink when the on state and the off state are switched in order.

ブリンキング現象のオン状態及びオフ状態の具体的な状態としては、いわゆるbright励起子及びdark励起子が考えられる。bright励起子とは、電子と正孔のスピン状態が順に↑↓のような組み合わせになっており、光学的に許容遷移である励起子である。一方、dark励起子とは、電子と正孔のスピン状態が順に↑↑または↓↓のような組み合わせとなっており、光学的に禁制遷移である励起子である。   As specific states of the on state and the off state of the blinking phenomenon, so-called bright excitons and dark excitons can be considered. A bright exciton is an exciton that is an optically acceptable transition, in which the spin states of electrons and holes are sequentially combined as shown in ↑ ↓. On the other hand, a dark exciton is an exciton that is an optically forbidden transition, in which the spin states of electrons and holes are in the order of ↑↑ or ↓↓.

本来、励起光パルスを吸収した際に形成される励起子はbright励起子となるべきである。ところが、電子又は正孔がフォノン散乱等の過程で稀に電子または正孔のスピンが反転し、dark励起子を形成することがある(図11及び図12を参照)。この現象をスピンフリップ(Spin Flip)と言う。スピンフリップによって形成されたdark励起子の状態は、光学的に禁制遷移となっていることから、再結合確率が極めて低く、一度dark励起子が量子ドット中に形成されると、長時間dark励起子のままで残ってしまうことになる。   Originally, excitons formed when absorbing an excitation light pulse should be bright excitons. However, the spin of electrons or holes rarely reverses in the process of phonon scattering or the like of electrons or holes, thereby forming dark excitons (see FIGS. 11 and 12). This phenomenon is called “Spin Flip”. The state of dark excitons formed by spin flip is an optically forbidden transition, so the recombination probability is extremely low, and once dark excitons are formed in quantum dots, dark excitations are prolonged It will remain as a child.

このとき、オン状態では、0<ηcap<1となり、単一光子を発生した後次の励起光パルスが照射されるまでは量子ドット中の励起子は空の状態なっており、次の励起パルスを共鳴励起によって吸収する準備ができている。一方、オフ状態では、光励起パルス照射の直前のキャリア状態が変化しているので、キャリア間のクーロン相互作用によって励起状態の励起子エネルギーが変化し、その結果、励起光パルスの共鳴吸収が起こらずηcap=0となる。このとき、図12に示すように、ηcapの時間平均<ηcap>がオフ状態の寄与のために減少する。 At this time, in the ON state, 0 <η cap <1, and after the generation of a single photon, the exciton in the quantum dot is in an empty state until the next excitation light pulse is irradiated. The pulse is ready to be absorbed by resonant excitation. On the other hand, in the off state, since the carrier state immediately before the photoexcitation pulse irradiation is changed, the exciton energy in the excited state is changed by the Coulomb interaction between carriers, and as a result, resonance absorption of the excitation light pulse does not occur. η cap = 0. At this time, as shown in FIG. 12, eta time average of cap cap> is reduced due to the contribution of off-state.

ブリンキング現象については、非特許文献1,2で報告されており、量子ドットの中性励起子発光の再結合発光時間(1ns程度)と較べると、圧倒的に長い時定数(数μs程度)でオン状態とオフ状態とが入れ替わっている。このときの単一光子発生装置における光取出し効率ηを<ηcap>を用いて書き直すと、
η=<ηcap>×ηiqe×ηopt
となる。ブリンキング現象によってオン状態とオフ状態とが数μs程度で遷移するので、図12のように<ηcap>が減少する。その結果、光取出し効率ηも低下するという問題がある。
The blinking phenomenon has been reported in Non-Patent Documents 1 and 2, and has an overly long time constant (about several μs) compared to the recombination emission time (about 1 ns) of neutral exciton emission of quantum dots. The on state and the off state are interchanged. When the light extraction efficiency η in the single photon generator at this time is rewritten using <η cap >,
η = <η cap > × η iqe × η opt
It becomes. Since the on-state and the off-state transition in about several μs due to the blinking phenomenon, <ηcap> decreases as shown in FIG. As a result, there is a problem that the light extraction efficiency η also decreases.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることを可能とする光子発生装置及び光子発生方法を提案することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to propose a photon generator and a photon generation method capable of suppressing the blinking phenomenon and improving the single photon extraction efficiency. And

光子発生装置の一態様は、単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第1の電圧源と、前記励起光発生部と前記第1の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部とを含む。   One aspect of the photon generator includes a quantum dot unit including a quantum dot that generates a single photon, at least a pair of electrodes for applying a voltage to the quantum dot unit, and energy of an excitation light pulse Adjusting to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse to irradiate the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot, and The first voltage source that applies a reverse-bias voltage pulse to the electrode, the excitation light generation unit, and the first voltage source are alternately and repeatedly irradiated with the excitation light pulse and applied with the voltage pulse. As described above, a synchronous operation unit that performs a synchronous operation is included.

光子発生方法の一態様は、量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行う。   One aspect of the photon generation method is a photon generation method for generating a single photon from a quantum dot, wherein the energy of an excitation light pulse is adjusted to resonate with an exciton level in the quantum dot, and A first step of generating an excitation light pulse and irradiating the quantum dot to generate a single photon from the quantum dot and a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dot are alternately performed. Repeatedly.

制御プログラムの一態様は、量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行う第2のステップとを交互に繰り返し行う手順をコンピュータに実行させるものである。   One aspect of the control program is a control program for generating a single photon from a quantum dot, wherein the energy of an excitation light pulse is adjusted to resonate with an exciton level in the quantum dot, and A first step of generating an excitation light pulse and irradiating the quantum dot to generate a single photon from the quantum dot and a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dot are alternately performed. And causing the computer to execute a procedure of repeatedly repeating the second step repeatedly.

上記の諸態様によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。   According to the above aspects, it is possible to suppress the blinking phenomenon and improve the single photon extraction efficiency.

第1の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the single photon generator by 1st Embodiment. 第1の実施形態における量子ドット部の具体的構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific structure of the quantum dot part in 1st Embodiment. 逆バイアス印加によるキャリア引き抜き(初期化)を示す図である。It is a figure which shows the carrier extraction (initialization) by reverse bias application. 第1の実施形態による光子発生方法の操作シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the operation sequence of the photon generation method by 1st Embodiment. 第1の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the excitation light pulse and voltage pulse in 1st Embodiment. 第2の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the single photon generator by 2nd Embodiment. 第2の実施形態における量子ドット部の具体的構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the specific structure of the quantum dot part in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における量子ドット部の具体的構成の他例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the specific structure of the quantum dot part in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the excitation light pulse and voltage pulse in 2nd Embodiment. 準共鳴励起による単一光子の発生を説明するための図である。It is a figure for demonstrating generation | occurrence | production of the single photon by quasi-resonance excitation. スピンフリップにより、dark励起子が生成される旨を説明するための図である。It is a figure for demonstrating that a dark exciton is produced | generated by spin flip. ブリンキング現象により、オン状態及びオフ状態が発生する旨を説明するための図である。It is a figure for demonstrating that an ON state and an OFF state generate | occur | produce by a blinking phenomenon.

以下、光子発生装置及び発生方法の具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the photon generator and the generation method will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。
この単一光子発生装置は、量子ドット部1、励起光パルス発生部2、交流(AC)電圧部3、同期回路4、光学フィルター部5、統括制御部10を備えて構成されている。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a single photon generator according to the first embodiment.
The single photon generator includes a quantum dot unit 1, an excitation light pulse generator 2, an alternating current (AC) voltage unit 3, a synchronization circuit 4, an optical filter unit 5, and an overall control unit 10.

量子ドット部1は、単一光子を発生する量子ドット1aを有しており、量子ドットに電圧を印加するための一対の電極1A,1Bを備えて構成される。なお、図1では、量子ドット部1の構成を模式化して描写しており、以下に示すように、その具体的な構成とは若干異なる。   The quantum dot unit 1 includes a quantum dot 1a that generates a single photon, and includes a pair of electrodes 1A and 1B for applying a voltage to the quantum dot. In addition, in FIG. 1, the structure of the quantum dot part 1 is modeled and described, and as shown below, its specific structure is slightly different.

励起光パルス発生部2は、励起光パルスのエネルギーを量子ドット1a内の励起子準位と共鳴するように調整して、励起光パルスEPを発生するものである。発生した励起光パルスEPは量子ドット1aを照射する。
AC電圧部3は、第1の電圧源として、AC電圧を量子ドット部1の電極1A,1Bに印加するための電源である。AC電圧部3からの電圧パルスが電極1A,1Bに印加される。
The excitation light pulse generator 2 adjusts the energy of the excitation light pulse so as to resonate with the exciton level in the quantum dot 1a, and generates the excitation light pulse E P. The generated excitation light pulse E P irradiates the quantum dot 1a.
The AC voltage unit 3 is a power source for applying an AC voltage to the electrodes 1A and 1B of the quantum dot unit 1 as a first voltage source. A voltage pulse from the AC voltage unit 3 is applied to the electrodes 1A and 1B.

同期回路4は、励起光パルス発生部2による励起光パルスEPの照射とAC電圧部3によるAC電圧の印加とのタイミングを制御する回路であり、励起光パルスの照射と電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる。
光学フィルター部5は、励起光パルスEPの照射により量子ドット1aで発生した光子が入射し、所定波長のもののみを選択して余剰のバックグラウンド発光を除去して透過されるものである。光学フィルター部5を透過した光子は、単一光子EXとして出力される。
The synchronization circuit 4 is a circuit that controls the timing of the excitation light pulse E P irradiation by the excitation light pulse generation unit 2 and the application of the AC voltage by the AC voltage unit 3. Are operated synchronously so as to be repeated alternately.
The optical filter unit 5 receives a photon generated in the quantum dot 1a by irradiation with the excitation light pulse E P , selects only a predetermined wavelength, removes excess background light, and transmits the photon. Photons transmitted through the optical filter unit 5 is output as a single-photon E X.

統括制御部10は、励起光パルス発生部2による励起光パルスEPの発生、AC電圧部3によるAC電圧の印加、及び同期回路4による励起光パルスEPの発生及びAC電圧の印加のタイミング制御を統括して実行するものである。統括制御部10は、例えばコンピュータの中央処理装置(CPU)等により実現される。 The overall control unit 10 generates the excitation light pulse E P by the excitation light pulse generation unit 2, the application of the AC voltage by the AC voltage unit 3, the generation of the excitation light pulse E P by the synchronization circuit 4, and the application timing of the AC voltage. It controls and executes control. The overall control unit 10 is realized by a central processing unit (CPU) of a computer, for example.

本実施形態においては、量子ドット部1は、具体的には図2に示す構成を採る。
本実施形態の量子ドット部1は、InPで形成されたp−i−n構造のi層部分に光子発生部としてInAs量子ドットを配置したものである。p層及びn層のドープ量は、単一光子発生装置として動作させる際に必須となる10K(−263℃)程度の低温下でも活性化されたキャリア密度を得るために、それぞれ1×1018/cm3以上、5×1017/cm3以上とする。量子ドットの上側のp層は、外部からの照射された励起光パルスが透過するとき、及び量子ドットで発生した光子が透過して外部に取り出されるときに発生するフリーキャリア吸収の効果を抑制するために薄くする必要がある。その一方で、低温下でも電気的なコンタクトを実現する程度の厚みが必要である。これら両者を満足し得る典型的な厚みとして100nm以上とする。量子ドットを含むi層の厚みについては、量子ドット内のキャリアを電場によって引き抜くことを考えると、あまり厚くすることはできない。現実的な印加電圧(−3V程度以下)で量子ドットからのキャリア引き抜きを実現するためには、電場強度が100kV/cm以上は必要と考えられるので、i層の厚みは160nm以下程度であれば良い。n層に関しては厚みに対する制約は少なく、200nm程度以上あれば良い。
In the present embodiment, the quantum dot unit 1 specifically adopts the configuration shown in FIG.
In the quantum dot portion 1 of the present embodiment, InAs quantum dots are arranged as a photon generating portion in an i layer portion of a pin structure formed of InP. The doping amount of the p layer and the n layer is 1 × 10 18 in order to obtain an activated carrier density even at a low temperature of about 10 K (−263 ° C.), which is essential when operating as a single photon generator. / Cm 3 or more and 5 × 10 17 / cm 3 or more. The p layer on the upper side of the quantum dot suppresses the effect of free carrier absorption that occurs when an externally applied excitation light pulse is transmitted and when photons generated in the quantum dot are transmitted and extracted outside. It is necessary to make it thinner. On the other hand, it is necessary to have a thickness that can achieve electrical contact even at low temperatures. A typical thickness that can satisfy both of these is 100 nm or more. The thickness of the i layer including the quantum dots cannot be made too thick considering that the carriers in the quantum dots are extracted by an electric field. In order to realize carrier extraction from the quantum dots with a realistic applied voltage (about −3 V or less), it is considered that an electric field strength of 100 kV / cm or more is necessary, so that the thickness of the i layer is about 160 nm or less. good. Regarding the n layer, there are few restrictions on the thickness, and it may be about 200 nm or more.

詳細には、厚み500μm程度のn−InP基板11(ドープ量:5×1017/cm3程度)上に、厚み200nm程度のn−InPバッファ層12(ドープ量:5×1017/cm3程度)を成長する。続いて、厚み100nm程度のi−InP層13、InAs量子ドット14aを含むInAs量子ドット層14、厚み150nm程度のi−InP層15を成長し、最上面に厚み300nm程度のp−InP層16(ドープ量:1×1018/cm3程度)を成長する。単一光子を発生する量子ドット14aを含むp−i−n接合の一部を、幅Wが500nm程度のメサ型構造に加工する、電極対である電極1A,1Bとして、n−InP基板11上にTi/Pt/Auからなるn側コンタクト電極17、p−InP層16上にAu/Zn/Auからなるp側コンタクト電極18を形成する。 Specifically, the n-InP buffer layer 12 (doping amount: 5 × 10 17 / cm 3 ) having a thickness of about 200 nm is formed on the n-InP substrate 11 (about 5 × 10 17 / cm 3 ) having a thickness of about 500 μm. Degree) to grow. Subsequently, an i-InP layer 13 having a thickness of about 100 nm, an InAs quantum dot layer 14 including InAs quantum dots 14a, an i-InP layer 15 having a thickness of about 150 nm are grown, and a p-InP layer 16 having a thickness of about 300 nm is formed on the uppermost surface. (Dope amount: about 1 × 10 18 / cm 3 ) is grown. An n-InP substrate 11 is used as electrodes 1A and 1B, which are electrode pairs, in which a part of a pin junction including quantum dots 14a that generate single photons is processed into a mesa structure having a width W of about 500 nm. An n-side contact electrode 17 made of Ti / Pt / Au is formed thereon, and a p-side contact electrode 18 made of Au / Zn / Au is formed on the p-InP layer 16.

本実施形態による光子発生方法では、図3に示すように、上述したブリンキング現象を抑制すべく、単一光子を発生させる1つの励起光パルスの照射間に、量子ドットに逆バイアスのAC電圧を印加する。図3では、上部が電子の準位を、後部が正孔の準位をそれぞれ示す。逆バイアスのAC電圧を印加することにより、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、逆バイアスの印加電場により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。一方、量子ドットの内部にdark励起子が発生していない場合には、逆バイアスの印加電場は量子ドットに対して特に影響を与えない。このように本実施形態では、1つの励起光パルスの照射間に常に逆バイアスの電圧パルスを印加する(励起光パルスの照射と逆バイアスの電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行う)構成を採る。1つの励起光パルスの照射間にdark励起子の発生の有無を確認するには単一光子を検出しなければならず、単一光子の出力ができなくなる。本実施形態では、上記の構成を採ることにより、特殊な装置等を付加することなくdark励起子の除去及び単一光子の出力を確実に行うことができる。   In the photon generation method according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, in order to suppress the blinking phenomenon described above, an AC voltage of reverse bias is applied to the quantum dots during the irradiation of one excitation light pulse that generates a single photon. Apply. In FIG. 3, the upper part shows the electron level, and the rear part shows the hole level. When dark excitons remain inside the quantum dot by applying a reverse bias AC voltage, electrons and holes are extracted by the reverse bias applied electric field to remove the dark excitons. On the other hand, when dark excitons are not generated inside the quantum dot, the applied electric field of reverse bias does not particularly affect the quantum dot. As described above, this embodiment employs a configuration in which a reverse bias voltage pulse is always applied between irradiations of one excitation light pulse (excitation light pulse application and reverse bias voltage pulse application are alternately repeated). . In order to confirm whether or not dark excitons are generated during irradiation of one excitation light pulse, single photons must be detected, and single photons cannot be output. In the present embodiment, by adopting the above configuration, it is possible to reliably remove dark excitons and output single photons without adding a special device or the like.

以下、本実施形態による光子発生方法について説明する。図4は、第1の実施形態による光子発生方法の操作シーケンスを示す図である。図5は、第1の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。   Hereinafter, the photon generation method according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating an operation sequence of the photon generation method according to the first embodiment. FIG. 5 is a diagram illustrating the timing of the excitation light pulse and the voltage pulse in the first embodiment.

励起光パルスは、図5に示すように、繰り返しレート(周期)Tで発生する。先ず、時刻t0=0に、励起光パルス発生部2は、励起光パルスを発生して量子ドットを照射する(ステップS1)。量子ドットは、励起光パルスの照射により単一光子を発生する。このとき、AC電圧部3は待機状態(V=0(V))とされる(ステップS2)。AC電圧部3の待機状態は、励起光パルスの発生時を含む時刻t-1(tsta)から時刻t1まで継続する。この継続時間をtopeとする。時刻t-1から時刻t0までの時間は、後述するAC電圧の安定化時間となる。 The pumping light pulse is generated at a repetition rate (period) T as shown in FIG. First, at time t 0 = 0, the excitation light pulse generator 2 generates an excitation light pulse and irradiates the quantum dots (step S1). A quantum dot generates a single photon upon irradiation with an excitation light pulse. At this time, the AC voltage unit 3 is set in a standby state (V = 0 (V)) (step S2). The standby state of the AC voltage unit 3 continues from time t −1 (t sta ) including time when the excitation light pulse is generated to time t 1 . Let this duration be t ope . The time from time t -1 to time t 0 is the AC voltage stabilization time described later.

時刻t1になると、AC電圧部3は逆バイアスの電圧パルス(Vini=VAC)を発生し、その電圧パルスが量子ドットに印加される(ステップS3)。このとき、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される(ステップS4)。電圧パルスの印加は、時刻t1から時刻t2まで継続する。この間の時間を印加時間tiniとする。 At time t 1 , the AC voltage unit 3 generates a reverse bias voltage pulse (V ini = V AC ), and the voltage pulse is applied to the quantum dot (step S3). At this time, if dark excitons remain in the quantum dots, electrons and holes are extracted and the dark excitons are removed (step S4). The application of the voltage pulse continues from time t 1 to time t 2 . This time is defined as application time t ini .

時刻t2になると、AC電圧部3は電圧パルスの発生を解除する(ステップS5)。AC電圧部3は、電圧パルスの安定化時間だけ待機する(ステップS6)。
以上のステップS1〜S6で1つの光子の発生が完了し、ステップS1〜S6が繰り返し実行される。
At time t 2, AC voltage unit 3 cancels the generation of the voltage pulse (step S5). The AC voltage unit 3 waits for the stabilization time of the voltage pulse (step S6).
The generation of one photon is completed in the above steps S1 to S6, and steps S1 to S6 are repeatedly executed.

逆バイアスを印加するタイミングである時刻t1(tope−tsta)は、図5のように、励起光照射後の時間が量子ドット中の中性励起子X0の発光再結合時間(約1ns)の数倍程度以上となれば良く、典型値としては9nsであれば良い、また、電圧パルスの印加時間tiniは、電子及び正孔のトンネル時間(印加電圧に依存するが、キャリア引き抜きで使用する際には0.1ns程度)と比較して十分大きければ良く、典型値としては0.8ns程度以上であれば十分と考えられる。なお、繰り返しレートTは、中性励起子X0の発光再結合時間より十分大きい値であることが必要であり、ここでは一例として10nsとした。 Time t 1 is the timing to apply a reverse bias (t ope -t sta), as in Figure 5, the light emitting recombination time of time after irradiation with the excitation light neutral exciton X 0 in the quantum dots (approximately 1 ns) or more, and a typical value may be 9 ns. The voltage pulse application time t ini is a tunneling time of electrons and holes (depending on the applied voltage, carrier extraction). It is sufficient that it is sufficiently large as compared with 0.1 ns when used in a typical value, and a typical value of about 0.8 ns or more is considered sufficient. The repetition rate T needs to be a value sufficiently larger than the luminescence recombination time of the neutral exciton X 0 , and is 10 ns as an example here.

本実施形態では、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電圧パルスの印加により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。この構成により、励起光パルスを照射するタイミングでは、常に量子ドットのオン状態が実現する。その結果、光取出し効率<ηcap>が向上する。即ち、電場を印加せずにブリンキング現象が発生したnm愛のオン状態とオフ状態の減衰時定数をτon,τoffとすると、光取出し効率<ηcap>は近似的に時定数の比であるτon/(τon+τoff)となる。本実施形態の構成によってブリンキング現象を抑制すると、光取出し効率<ηcap>は略1へと改善される。 In this embodiment, when dark excitons remain in the quantum dots, the dark excitons are removed by extracting electrons and holes by applying a voltage pulse. With this configuration, the quantum dot is always turned on at the timing of irradiating the excitation light pulse. As a result, the light extraction efficiency <η cap > is improved. In other words, if the decay time constants of the nm love on state and off state where a blinking phenomenon occurs without applying an electric field are τ on and τ off , the light extraction efficiency <η cap > is approximately the ratio of the time constants. Τ on / (τ on + τ off ). When the blinking phenomenon is suppressed by the configuration of the present embodiment, the light extraction efficiency <η cap > is improved to about 1.

以上説明したように、本実施形態によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the blinking phenomenon and improve the single photon extraction efficiency.

(第2の実施形態)
次いで、第2の実施形態について説明する。図6は、第2の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。なお、第1の実施形態の図1と同じ構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a single photon generator according to the second embodiment. In addition, about the same structural member as FIG. 1 of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.

本実施形態の単一光子発生装置は、第1の実施形態と同様に、量子ドット部1、励起光パルス発生部2、交流(AC)電圧部3、同期回路4、光学フィルター部5、DCバイアス重畳部6、統括制御部10を備えている。更に、この単一光子発生装置は、第1の電圧源であるAC電圧部3に加え、第2の電圧源として、量子ドット1aに直流(DC)電圧を印加するDC電圧部21を備えている。   As in the first embodiment, the single photon generator of this embodiment includes a quantum dot unit 1, an excitation light pulse generator 2, an alternating current (AC) voltage unit 3, a synchronization circuit 4, an optical filter unit 5, and a DC. A bias superimposing unit 6 and an overall control unit 10 are provided. In addition to the AC voltage unit 3 that is the first voltage source, the single photon generator includes a DC voltage unit 21 that applies a direct current (DC) voltage to the quantum dots 1a as the second voltage source. Yes.

DC電圧部21は、DC電圧を、量子ドット1aの励起光吸収時及び光子発生時に量子ドット部1の電極1A,1Bに印加するための電源である。DC電圧部21は、DCバイアス重畳部6を介して主に順バイアスのDC電圧を電極1A,1Bに印加する。   The DC voltage unit 21 is a power source for applying a DC voltage to the electrodes 1A and 1B of the quantum dot unit 1 when the quantum dot 1a absorbs excitation light and generates photons. The DC voltage unit 21 mainly applies a forward bias DC voltage to the electrodes 1 </ b> A and 1 </ b> B via the DC bias superimposing unit 6.

本実施形態においては、量子ドット部1は、具体的には図7又は図8に示す構成を採る。
図7の量子ドット部1は、i−GaAs内に光子発生部としてInAs量子ドットを配置したものである。量子ドットを含むi層を幅Wが500nm程度のメサ構造に加工し、メサ構造を挟むように一対の電極を形成する。本実施形態で必須となる電場印加による余剰な励起子の引き抜きは、これらの電極対の間に電圧パルスを印加することで実現される。電圧パルスの電圧値を5Vとした際には、量子ドットへ印加される電場が100kV/cm程度となり、量子ドット内のキャリアを引き抜くのに十分な電場強度となる。
In the present embodiment, the quantum dot unit 1 specifically adopts the configuration shown in FIG. 7 or FIG.
The quantum dot part 1 of FIG. 7 has InAs quantum dots arranged as a photon generating part in i-GaAs. The i layer including the quantum dots is processed into a mesa structure having a width W of about 500 nm, and a pair of electrodes are formed so as to sandwich the mesa structure. Extraction of excess excitons by applying an electric field, which is essential in this embodiment, is realized by applying a voltage pulse between these electrode pairs. When the voltage value of the voltage pulse is 5 V, the electric field applied to the quantum dots is about 100 kV / cm, and the electric field strength is sufficient to extract the carriers in the quantum dots.

詳細には、厚み500μm程度のi−GaAs基板22上に、厚み200nm程度のi−GaAsバッファ層23を成長する。続いて、厚み100nm程度のi−GaAs層24、InAs量子ドット25aを含むInAs量子ドット層25、厚み100nm程度のi−GaAs層26を成長し、単一光子を発生する量子ドット25aを含むi層の一部を、幅Wが500nm程度のメサ型構造に加工する。メサ型構造の両側に電極対である電極1A,1Bである電場印加用電極27,28を形成する。   Specifically, an i-GaAs buffer layer 23 having a thickness of about 200 nm is grown on an i-GaAs substrate 22 having a thickness of about 500 μm. Subsequently, an i-GaAs layer 24 having a thickness of about 100 nm, an InAs quantum dot layer 25 including an InAs quantum dot 25a, and an i-GaAs layer 26 having a thickness of about 100 nm are grown, and an i including a quantum dot 25a that generates a single photon. A part of the layer is processed into a mesa structure having a width W of about 500 nm. Electric field application electrodes 27 and 28 as electrodes 1A and 1B as electrode pairs are formed on both sides of the mesa structure.

図7の量子ドット部1は、GaAsで形成されたn−i構造のi層部分に光子発生部としてInAs量子ドットを配置したものである。裏面にn側コンタクト電極を配置し、i層上にi側ショットキー電極を配置する。ショットキー電極には、直径500nm程度の微細開口部があり、開口部を通して励起光パルスを照射し、量子ドットへの準共鳴励起を実現する。両電極間への電圧印加により、i層に電場を印加可能な構造とする。n層のドープ量は、単一光子発生装置として動作させる際に必須となる10K(−263℃)程度の低温下でも活性化されたキャリア密度を得るために、5×1017/cm3以上とする。量子ドット部を含むi層の厚みについては、量子ドット内のキャリアを電場によって引き抜くことを考えると、あまり厚くすることはできない。現実的な印加電圧(−3V程度以下)で量子ドットからのキャリア引き抜きを実現するためには、電場強度が100kV/cm以上は必要であると考えられるので、i層の厚みは350nm以下程度であれば良い。n層に関しては厚みに対する制約は少なく、200nm程度以上あれば良く、図7のように、基板全体もnドープされた構造を用いて電極を形成することも可能である。 The quantum dot part 1 of FIG. 7 arrange | positions an InAs quantum dot as a photon generating part in the i layer part of the ni structure formed with GaAs. An n-side contact electrode is disposed on the back surface, and an i-side Schottky electrode is disposed on the i layer. The Schottky electrode has a fine opening having a diameter of about 500 nm, and an excitation light pulse is irradiated through the opening to realize quasi-resonant excitation to the quantum dot. The structure is such that an electric field can be applied to the i layer by applying a voltage between both electrodes. The doping amount of the n layer is 5 × 10 17 / cm 3 or more in order to obtain an activated carrier density even at a low temperature of about 10 K (−263 ° C.), which is essential when operating as a single photon generator. And The thickness of the i layer including the quantum dot portion cannot be so thick considering that the carriers in the quantum dot are extracted by an electric field. In order to realize carrier extraction from the quantum dots with a realistic applied voltage (about −3 V or less), it is considered that an electric field strength of 100 kV / cm or more is necessary. Therefore, the thickness of the i layer is about 350 nm or less. I just need it. Regarding the n layer, there are few restrictions on the thickness, and it should be about 200 nm or more. As shown in FIG. 7, it is also possible to form the electrode using the n-doped structure for the entire substrate.

詳細には、n−GaAs基板31(ドープ量:5×1017/cm3程度)上に、厚み200nm程度のn−GaAsバッファ層32(ドープ量:5×1017/cm3程度)を成長する。続いて、厚み100nm程度のi−GaAs層33、InAs量子ドット34aを含むInAs量子ドット層34、厚み100nm程度のi−GaAs層35を成長する。電極対である電極1A,1Bとして、n−GaAs基板31の裏面にAuGeNi/Auからなるn側コンタクト電極36、i−GaAs層35の表面にTi/Al/Auからなるi側ショットキー電極37を形成する。i側ショットキー電極37に直径Dが500nm程度の微小な開口37aを形成する。励起光パルスは、開口37aを通してInAs量子ドット34aに照射される。 Specifically, an n-GaAs buffer layer 32 (doping amount: about 5 × 10 17 / cm 3 ) having a thickness of about 200 nm is grown on the n-GaAs substrate 31 (doping amount: about 5 × 10 17 / cm 3 ). To do. Subsequently, an i-GaAs layer 33 having a thickness of about 100 nm, an InAs quantum dot layer 34 including InAs quantum dots 34a, and an i-GaAs layer 35 having a thickness of about 100 nm are grown. As electrodes 1A and 1B, which are electrode pairs, an n-side contact electrode 36 made of AuGeNi / Au on the back surface of the n-GaAs substrate 31, and an i-side Schottky electrode 37 made of Ti / Al / Au on the surface of the i-GaAs layer 35. Form. A minute opening 37 a having a diameter D of about 500 nm is formed in the i-side Schottky electrode 37. The excitation light pulse is applied to the InAs quantum dots 34a through the opening 37a.

本実施形態による光子発生方法では、上述したブリンキング現象を抑制すべく、単一光子を発生させる1つの励起光パルスの照射間に、量子ドットに逆バイアスのAC電圧を印加する。これにより、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、逆バイアスの印加電場により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。一方、量子ドットの内部にdark励起子が発生していない場合には、逆バイアスの印加電場は量子ドットに対して特に影響を与えない。このように本実施形態では、1つの励起光パルスの照射間に常に逆バイアスの電圧パルスを印加する(励起光パルスの照射と逆バイアスの電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行う)構成を採る。1つの励起光パルスの照射間にdark励起子の発生の有無を確認するには単一光子を検出しなければならず、単一光子の出力ができなくなる。本実施形態では、上記の構成を採ることにより、特殊な装置等を付加することなくdark励起子の除去及び単一光子の出力を確実に行うことができる。   In the photon generation method according to the present embodiment, in order to suppress the above-described blinking phenomenon, a reverse bias AC voltage is applied to the quantum dots during irradiation of one excitation light pulse that generates a single photon. As a result, when dark excitons remain inside the quantum dot, electrons and holes are extracted by an applied electric field of reverse bias, and the dark excitons are removed. On the other hand, when dark excitons are not generated inside the quantum dot, the applied electric field of reverse bias does not particularly affect the quantum dot. As described above, this embodiment employs a configuration in which a reverse bias voltage pulse is always applied between irradiations of one excitation light pulse (excitation light pulse application and reverse bias voltage pulse application are alternately repeated). . In order to confirm whether or not dark excitons are generated during irradiation of one excitation light pulse, single photons must be detected, and single photons cannot be output. In the present embodiment, by adopting the above configuration, it is possible to reliably remove dark excitons and output single photons without adding a special device or the like.

以下、本実施形態による光子発生方法について説明する。図9は、第2の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。
本実施形態では、第1の実施形態の図4と同様の操作シーケンスを行う。
Hereinafter, the photon generation method according to the present embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating the timing of the excitation light pulse and the voltage pulse in the second embodiment.
In the present embodiment, an operation sequence similar to that in FIG. 4 of the first embodiment is performed.

本実施形態では、図9に示すように、DC電圧部21は、操作シーケンスの全域において、量子ドットに順バイアスのDC電圧(VDC)を重畳印加する。
励起光パルスは、図9に示すように、繰り返しレート(周期)Tで発生する。先ず、時刻t0=0に、励起光パルス発生部2は、励起光パルスを発生して量子ドットを照射する(ステップS1)。量子ドットは、励起光パルスの照射により単一光子を発生する。このとき、AC電圧部3は待機状態(V=0(V))とされる(ステップS2)。AC電圧部3の待機状態は、励起光パルスの発生時を含む時刻t-1(tsta)から時刻t1まで継続する。この継続時間をtopeとする。時刻t-1から時刻t0までの時間は、後述するAC電圧の安定化時間となる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the DC voltage unit 21 applies a forward-biased DC voltage (V DC ) to the quantum dots in an overlapping manner throughout the entire operation sequence.
The pumping light pulse is generated at a repetition rate (period) T as shown in FIG. First, at time t 0 = 0, the excitation light pulse generator 2 generates an excitation light pulse and irradiates the quantum dots (step S1). A quantum dot generates a single photon upon irradiation with an excitation light pulse. At this time, the AC voltage unit 3 is set in a standby state (V = 0 (V)) (step S2). The standby state of the AC voltage unit 3 continues from time t −1 (t sta ) including time when the excitation light pulse is generated to time t 1 . Let this duration be t ope . The time from time t -1 to time t 0 is the AC voltage stabilization time described later.

時刻t1になると、AC電圧部3は逆バイアスの電圧パルス(VAC)を発生し、VDCが重畳されてVini(=VAC+VDC)となって量子ドットに印加される(ステップS3)。このとき、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される(ステップS4)。電圧パルスの印加は、時刻t1から時刻t2まで継続する。この間の時間を印加時間tiniとする。 At time t 1 , the AC voltage unit 3 generates a reverse-bias voltage pulse (V AC ), and V DC is superimposed and applied to the quantum dot as V ini (= V AC + V DC ) (step) S3). At this time, if dark excitons remain in the quantum dots, electrons and holes are extracted and the dark excitons are removed (step S4). The application of the voltage pulse continues from time t 1 to time t 2 . This time is defined as application time t ini .

時刻t2になると、AC電圧部3は電圧パルスの発生を解除する(ステップS5)。AC電圧部3は、電圧パルスの安定化時間だけ待機する(ステップS6)。
以上のステップS1〜S6で1つの光子の発生が完了し、ステップS1〜S6が繰り返し実行される。
At time t 2, AC voltage unit 3 cancels the generation of the voltage pulse (step S5). The AC voltage unit 3 waits for the stabilization time of the voltage pulse (step S6).
The generation of one photon is completed in the above steps S1 to S6, and steps S1 to S6 are repeatedly executed.

本実施形態では、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電圧パルスの印加により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。この構成により、励起光パルスを照射するタイミングでは、常に量子ドットのオン状態が実現する。その結果、光取出し効率<ηcap>が向上する。即ち、電場を印加せずにブリンキング現象が発生したnm愛のオン状態とオフ状態の減衰時定数をτon,τoffとすると、光取出し効率<ηcap>は近似的に時定数の比であるτon/(τon+τoff)となる。本実施形態の構成によってブリンキング現象を抑制すると、光取出し効率<ηcap>は略1へと改善される。 In this embodiment, when dark excitons remain in the quantum dots, the dark excitons are removed by extracting electrons and holes by applying a voltage pulse. With this configuration, the quantum dot is always turned on at the timing of irradiating the excitation light pulse. As a result, the light extraction efficiency <η cap > is improved. In other words, if the decay time constants of the nm love on state and off state where a blinking phenomenon occurs without applying an electric field are τ on and τ off , the light extraction efficiency <η cap > is approximately the ratio of the time constants. Τ on / (τ on + τ off ). When the blinking phenomenon is suppressed by the configuration of the present embodiment, the light extraction efficiency <η cap > is improved to about 1.

本実施形態におけるi−GaAs内に形成された量子ドット(InAs/GaAs)は、その高さが比較的大きい(5nm程度〜10nm程度)。そのため、量子ドット内部に励起子を生成した際に、電子と正孔の波動関数の重心位置が高さ方向でずれ、自発的なダイポールモーメントを生ずる傾向がある。また、このダイポールモーメントは、量子ドットに印加される電場によって変化する。そのため、p−i−n接合のビルトイン電圧も考慮した低いDC電圧を印加する(ここでは一例として+0.6Vとする。)ことにより、量子ドット中のX0の発光効率の低下を抑える。 The quantum dots (InAs / GaAs) formed in i-GaAs in the present embodiment have a relatively large height (about 5 nm to about 10 nm). For this reason, when excitons are generated inside the quantum dots, the gravity center positions of the wave functions of electrons and holes tend to shift in the height direction, and a spontaneous dipole moment tends to occur. The dipole moment varies depending on the electric field applied to the quantum dots. Therefore, by applying a low DC voltage in consideration of the built-in voltage of the pin junction (in this case, +0.6 V is taken as an example), a decrease in the light emission efficiency of X 0 in the quantum dots is suppressed.

ビルトイン電圧の一部が順バイアスのDC電圧で打ち消され、量子ドットに印加される実効的な電場を低減することも可能となる。DC電圧の調整により、光子発生の際の励起子のダイポールモーメントが低減され、電子−正孔の波動関数の重なり積分を増加させることで、内部量子効率ηiqeが改善される効果もある。 A part of the built-in voltage is canceled by the forward biased DC voltage, and the effective electric field applied to the quantum dots can be reduced. By adjusting the DC voltage, the dipole moment of excitons during photon generation is reduced, and there is also an effect that the internal quantum efficiency η iqe is improved by increasing the overlap integral of the electron-hole wave function.

逆バイアスを印加するタイミングである時刻t1(tope−tsta)は、図9のように、第1の実施形態と同様に、励起光照射後の時間が量子ドット中の中性励起子X0の発光再結合時間(約1ns)の数倍程度以上となれば良く、典型値としては9nsであれば良い。また、電圧パルスの印加時間tiniは、電子及び正孔のトンネル時間(印加電圧に依存するが、キャリア引き抜きで使用する際には0.1ns程度)と比較して十分大きければ良く、典型値としては0.8ns程度以上であれば十分と考えられる。なお、繰り返しレートTは、中性励起子X0の発光再結合時間より十分大きい値であることが必要であり、ここでは一例として10nsとした。 At time t 1 (t ope −t sta ), which is the timing for applying the reverse bias, as shown in FIG. 9, the time after irradiation with excitation light is neutral excitons in the quantum dots as in the first embodiment. It only needs to be several times longer than the luminescence recombination time (about 1 ns) of X 0 , and a typical value may be 9 ns. Further, the voltage pulse application time t ini only needs to be sufficiently larger than the tunneling time of electrons and holes (depending on the applied voltage, but about 0.1 ns when used for carrier extraction), and is a typical value. For example, about 0.8 ns or more is considered sufficient. The repetition rate T needs to be a value sufficiently larger than the luminescence recombination time of the neutral exciton X 0 , and is 10 ns as an example here.

以上説明したように、本実施形態によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to suppress the blinking phenomenon and improve the single photon extraction efficiency.

(その他の実施形態)
上述した第1及び第2の実施形態による単一光子発生装置の各構成要素(図1,6の統括制御部10等)の機能は、コンピュータのRAMやROM等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、単一光子発生方法の各ステップ(図4のステップS1〜S6等)は、コンピュータのRAMやROM等に記憶された制御プログラムが動作することによって実現できる。この制御プログラム及び当該制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本実施形態に含まれる。
(Other embodiments)
The functions of the constituent elements of the single photon generation device according to the first and second embodiments described above (such as the overall control unit 10 in FIGS. 1 and 6) are operated by programs stored in the RAM, ROM, etc. of the computer. Can be realized. Similarly, each step of the single photon generation method (steps S1 to S6 in FIG. 4) can be realized by operating a control program stored in a RAM or ROM of a computer. This control program and a computer-readable storage medium storing the control program are included in this embodiment.

具体的に、制御プログラムは、例えばCD−ROMのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。制御プログラムを記録する記録媒体としては、CD−ROM以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、制御プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、LAN、インターネットの等のWAN、無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線や無線回線等である。   Specifically, the control program is recorded on a recording medium such as a CD-ROM, or provided to the computer via various transmission media. As a recording medium for recording the control program, a flexible disk, a hard disk, a magnetic tape, a magneto-optical disk, a nonvolatile memory card, and the like can be used in addition to the CD-ROM. On the other hand, a communication medium in a computer network system for propagating and supplying program information as a carrier wave can be used as a transmission medium for the control program. Here, the computer network is a WAN such as a LAN or the Internet, a wireless communication network, or the like, and the communication medium is a wired line such as an optical fiber or a wireless line.

また、本実施形態に含まれる制御プログラムとしては、供給された制御プログラムをコンピュータが実行することにより本実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、その制御プログラムがコンピュータにおいて稼働しているOS(オペレーティングシステム)或いは他のアプリケーションソフト等と共同して本実施形態の機能が実現される場合にも、かかる制御プログラムは本実施形態に含まれる。また、供給された制御プログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて本実施形態の機能が実現される場合にも、かかる制御プログラムは本実施形態に含まれる。   Further, the control program included in the present embodiment is not limited to the one in which the functions of the present embodiment are realized by the computer executing the supplied control program. For example, even when the control program is implemented in cooperation with an OS (operating system) or other application software running on a computer, the control program is included in the present embodiment. . The control program is also included in the present embodiment when all or part of the processing of the supplied control program is performed by the function expansion board or function expansion unit of the computer to realize the functions of the present embodiment. It is.

コンピュータとしては、通常のパーソナルユーザ端末装置を用いることができる。通常のパーソナルユーザ端末装置を用いる代わりに、単一光子発生装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。   A normal personal user terminal device can be used as the computer. Instead of using a normal personal user terminal device, a predetermined computer specialized for a single photon generator may be used.

以下、光子発生装置及び発生方法、並びに制御プログラムの諸態様について、付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the photon generator, the generation method, and the control program will be collectively described as additional notes.

(付記1)単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、
前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、
前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第1の電圧源と、
前記励起光発生部と前記第1の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部と
を含むことを特徴とする光子発生装置。
(Supplementary note 1) a quantum dot portion including a quantum dot that generates a single photon;
At least a pair of electrodes for applying a voltage to the quantum dot portion;
The excitation light pulse is adjusted so as to resonate with the exciton level in the quantum dot, and the excitation light pulse is generated and irradiated to the quantum dot to generate a single photon from the quantum dot. A light generator;
A first voltage source for applying a reverse bias voltage pulse to the electrode;
A synchronous operation unit that synchronously operates the excitation light generation unit and the first voltage source so as to alternately repeat the irradiation of the excitation light pulse and the application of the voltage pulse. Photon generator.

(付記2)前記光子発生装置に、順バイアスの直流電圧を印加する第2の電圧源を更に含むことを特徴とする付記1に記載の光子発生装置。   (Supplementary note 2) The photon generation device according to supplementary note 1, further comprising a second voltage source for applying a forward-biased DC voltage to the photon generation device.

(付記3)前記量子ドット部は、内部に前記量子ドットが形成されたi半導体層を備えており、
前記i半導体層の両側面を挟むように一対の前記電極が配置されていることを特徴とする付記1又は2に記載の光子発生装置。
(Supplementary Note 3) The quantum dot portion includes an i semiconductor layer in which the quantum dots are formed.
The photon generator according to appendix 1 or 2, wherein a pair of the electrodes are arranged so as to sandwich both side surfaces of the i semiconductor layer.

(付記4)前記量子ドット部は、p半導体層又はn半導体層と、前記p半導体層上又は前記n半導体層上に形成されたi半導体層とを備えており、前記i半導体層内に前記量子ドットが形成されていることを特徴とする付記1又は2に記載の光子発生装置。   (Supplementary Note 4) The quantum dot portion includes a p semiconductor layer or an n semiconductor layer, and an i semiconductor layer formed on the p semiconductor layer or the n semiconductor layer, and the i semiconductor layer includes the i semiconductor layer. The photon generator according to appendix 1 or 2, wherein quantum dots are formed.

(付記5)前記量子ドット部は、p半導体層及びn半導体層と、前記p半導体層と前記n半導体層とに挟持されたi半導体層とを備えており、前記i半導体層内に前記量子ドットが形成されていることを特徴とする付記1又は2に記載の光子発生装置。   (Supplementary Note 5) The quantum dot portion includes a p semiconductor layer and an n semiconductor layer, and an i semiconductor layer sandwiched between the p semiconductor layer and the n semiconductor layer, and the quantum dot portion is included in the i semiconductor layer. The photon generator according to appendix 1 or 2, wherein dots are formed.

(付記6)量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行うことを特徴とする光子発生方法。
(Appendix 6) A photon generation method for generating a single photon from a quantum dot,
Adjusting the energy of the excitation light pulse to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse, irradiating the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot A photon generation method characterized by alternately and repeatedly performing a first step and a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dots.

(付記7)前記第1のステップ及び前記第2のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加することを特徴とする付記6に記載の光子発生方法。   (Supplementary note 7) The photon generation method according to supplementary note 6, wherein a forward-biased DC voltage is superimposed and applied to the quantum dots throughout the entire sequence in which the first step and the second step are repeated.

(付記8)量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行う第2のステップとを交互に繰り返し行う手順をコンピュータに実行させることを特徴とする制御プログラム。
(Appendix 8) A control program for generating a single photon from a quantum dot,
Adjusting the energy of the excitation light pulse to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse, irradiating the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot Control that causes a computer to execute a procedure of alternately repeating a first step and a second step of alternately repeating a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dots. program.

(付記9)前記第1のステップ及び前記第2のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加する手順をコンピュータに実行させることを特徴とする付記8に記載の制御プログラム。   (Supplementary note 9) The supplementary note 8 is characterized in that the computer executes a procedure of superimposing and applying a forward-biased DC voltage to the quantum dots throughout the entire sequence in which the first step and the second step are repeated. The control program described.

1 量子ドット部
1a 量子ドット
1A,1B 電極
2 励起光パルス発生部
3 AC電圧部
4 同期回路
5 光学フィルター部
6 DCバイアス重畳部
10 統括制御部
11 n−InP基板
12 n−InPバッファ層
13,15,16 i−InP層
14,25,34 InAs量子ドット層
14a,25a,34a InAs量子ドット
17,36 n側コンタクト電極
18 p側コンタクト電極
21 DC電圧部
22 i−GaAs基板
23 i−GaAsバッファ層
24,26 i−GaAs層
27,28 電場印加用電極
31 n−GaAs基板
32 n−GaAsバッファ層
33,35 i−GaAs層
37 i側ショットキー電極
37a 開口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum dot part 1a Quantum dot 1A, 1B Electrode 2 Excitation light pulse generation part 3 AC voltage part 4 Synchronous circuit 5 Optical filter part 6 DC bias superimposition part 10 General control part 11 n-InP board | substrate 12 n-InP buffer layer 13, 15, 16 i-InP layers 14, 25, 34 InAs quantum dot layers 14a, 25a, 34a InAs quantum dots 17, 36 n-side contact electrode 18 p-side contact electrode 21 DC voltage unit 22 i-GaAs substrate 23 i-GaAs buffer Layers 24 and 26 i-GaAs layers 27 and 28 Electric field applying electrode 31 n-GaAs substrate 32 n-GaAs buffer layer 33 and 35 i-GaAs layer 37 i-side Schottky electrode 37a Opening

Claims (6)

単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、
前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、
前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第1の電圧源と、
前記励起光発生部と前記第1の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部と
を含むことを特徴とする光子発生装置。
A quantum dot portion comprising a quantum dot that generates a single photon;
At least a pair of electrodes for applying a voltage to the quantum dot portion;
Adjusting the energy of the excitation light pulse to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse, irradiating the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot An excitation light generator,
A first voltage source for applying a reverse bias voltage pulse to the electrode;
A synchronous operation unit that synchronously operates the excitation light generation unit and the first voltage source so as to alternately repeat the irradiation of the excitation light pulse and the application of the voltage pulse. Photon generator.
前記光子発生装置に、順バイアスの直流電圧を印加する第2の電圧源を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の光子発生装置。   The photon generator according to claim 1, further comprising a second voltage source for applying a forward biased DC voltage to the photon generator. 量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行うことを特徴とする光子発生方法。
A photon generation method for generating a single photon from a quantum dot,
Adjusting the energy of the excitation light pulse to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse, irradiating the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot A photon generation method characterized by alternately and repeatedly performing a first step and a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dots.
前記第1のステップ及び前記第2のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加することを特徴とする請求項3に記載の光子発生方法。   4. The photon generation method according to claim 3, wherein a forward-biased DC voltage is superimposed and applied to the quantum dots throughout the entire sequence in which the first step and the second step are repeated. 5. 量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第1のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第2のステップとを交互に繰り返し行う第2のステップとを交互に繰り返し行う手順をコンピュータに実行させることを特徴とする制御プログラム。
A control program for generating a single photon from a quantum dot,
Adjusting the energy of the excitation light pulse to resonate with the exciton level in the quantum dot, generating the excitation light pulse, irradiating the quantum dot, and generating a single photon from the quantum dot Control that causes a computer to execute a procedure of alternately repeating a first step and a second step of alternately repeating a second step of applying a reverse bias voltage pulse to the quantum dots. program.
前記第1のステップ及び前記第2のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加する手順をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項5に記載の制御プログラム。   6. The control according to claim 5, further comprising causing a computer to execute a procedure of superimposing and applying a forward-biased DC voltage to the quantum dots throughout the sequence in which the first step and the second step are repeated. program.
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