JP3923481B2 - Nano optical D / A converter - Google Patents
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Description
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用されるナノ光D/Aコンバータ、ナノ光A/Dコンバータに関するものである。 The present invention relates to a nano-optical D / A converter and a nano-optical A / D converter that are particularly applied to fields such as a nanoscale optical communication network and optical measurement.
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている(例えば、非特許文献1参照。)。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばHBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。 With the recent development of semiconductor microfabrication technology, a semiconductor element having a fine structure up to a size at which a quantum mechanical effect appears noticeably has been realized (for example, see Non-Patent Document 1). As semiconductor elements utilizing this quantum mechanical effect, for example, HBT (Hetero-junction Bipolar Transistor) and quantum well lasers have been put into practical use. In addition, nanoscale quantum dots that take advantage of the particle properties of electrons by controlling single electrons using quantum mechanical effects have attracted attention.
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この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。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をON/OFF動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。 Quantum dots are formed by using the above-described semiconductor microfabrication technology to form a box with a potential that is so fine that it gives three-dimensional quantum confinement to excitons. Utilizing this exciton confinement system, the energy levels of carriers in the quantum dot become discrete, and the density of states sharpens in a delta function. Single-electron memories that use light absorption between the sharpened states of this quantum dot and single-electron transistors that turn on / off single electrons that enter and exit the quantum dot have already been studied. Nanoscale manipulation is being realized.
ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく光D/A変換、光A/D変換を行うことができるナノスケールのナノ光D/Aコンバータ、ナノ光A/Dコンバータ等の実現が望まれている。 By the way, in order to meet the demand for future large-capacity information processing, a nanoscale nano-optical D / A converter that can perform optical D / A conversion and optical A / D conversion without being controlled by the diffraction limit of light. Realization of a nano-optical A / D converter or the like is desired.
しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、消費電力や発熱等の問題が生じ、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性を長期に確保ための装置が大がかりになるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの光D/A変換、光A/D変換回路自体が未だ案出されていないのが現状である。 However, when trying to realize such a nanoscale circuit with an electronic device, problems such as power consumption and heat generation occur, and when trying to realize it with an optical device, miniaturization is still limited by the diffraction limit of light. There is a problem of being done. Furthermore, when trying to realize this with a quantum device, there is a problem that an apparatus for ensuring coherence for a long time becomes large. For this reason, a practical nanoscale optical D / A conversion and optical A / D conversion circuit itself have not yet been devised.
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、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく光D/A変換、光A/D変換処理等をナノスケールで行うことができるナノ光D/Aコンバータ、ナノ光A/Dコンバータを提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and finds a unique photophysical phenomenon between quantum dots arranged in the nanometer region, and allows light to be controlled without being controlled by the light diffraction limit. An object of the present invention is to provide a nano light D / A converter and a nano light A / D converter capable of performing D / A conversion, light A / D conversion processing, and the like on a nano scale.
本発明に係るナノ光D/Aコンバータは、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、D/A変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、当該供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各入力光より低周波数の出力光をD/A変換されたアナログ信号として生成する出力側の量子ドットとを備える。 In order to solve the above-described problems, the nano-optical D / A converter according to the present invention is supplied with input light having different frequencies corresponding to the dielectric substrate and each bit of the digital signal to be D / A converted. An input-side quantum dot group in which a plurality of quantum dots having different sizes so that excitons are excited according to the frequency of the supplied input light are formed on the substrate; The resonance energy level in which excitons are injected from each quantum dot constituting the input-side quantum dot group through the substrate according to resonance with the level, and the energy released from the resonance energy level Accordingly, output quantum dots that generate output light having a frequency lower than that of each input light as an analog signal that has been D / A converted are provided.
本発明に係るナノ光A/Dコンバータは、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、A/D変換すべきアナログ信号に対応した光強度からなる入力光が供給され、当該該供給された光の光強度に応じてそれぞれ励起子が遷移される複数のエネルギー準位を有する上記基板上に形成された入力側の量子ドットと、上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入されるように共鳴エネルギー準位を互いに異ならせた複数の量子ドットから構成される出力側量子ドットグループとを備え、上記出力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記入力光より高周波数の出力光をA/D変換されたデジタル信号として生成する。 In order to solve the above-described problems, a nano-optical A / D converter according to the present invention is supplied with input light having a dielectric substrate and light intensity corresponding to an analog signal to be A / D converted. The quantum dots on the input side formed on the substrate having a plurality of energy levels in which excitons are transitioned according to the light intensity of the supplied light, and the resonance according to the resonance between the energy levels. An output-side quantum dot group comprising a plurality of quantum dots whose resonance energy levels are different from each other so that excitons are injected from the quantum dot on the input side via the substrate, Each quantum dot constituting the group generates output light having a higher frequency than the input light as an A / D converted digital signal in accordance with the energy emitted from the resonance energy level.
本発明に係るナノ光D/Aコンバータでは、D/A変換すべきデジタル信号に基づく入力光の供給状態を制御することにより、量子ドットグループを構成する量子ドットから出力側量子ドットへ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出されるアナログ信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、D/A変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光D/Aコンバータでは、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光D/A変換を行うことができ、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。 In the nano-optical D / A converter according to the present invention, by controlling the supply state of the input light based on the digital signal to be D / A converted, the energy flowing from the quantum dots constituting the quantum dot group to the output side quantum dots is controlled. Since the sum can be controlled and the light intensity of the output light as the analog signal to be emitted is controlled by this, D / A conversion can be realized. In particular, in the nano-optical D / A converter to which the present invention is applied, optical D / A conversion can be performed between nanometer-sized quantum dots without being controlled by the diffraction limit of light. Can also be realized.
本発明に係るナノ光A/Dコンバータでは、A/D変換すべきアナログ信号に基づく入力光の光強度を制御することにより、入力側量子ドットからいかなる量子ドットへエネルギーを伝送させるかを制御することができ、放出されるデジタル信号の各ビット信号がこれに支配されることから、A/D変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光A/Dコンバータでは、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光A/D変換を行うことができ、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。 In the nano-optical A / D converter according to the present invention, by controlling the light intensity of the input light based on the analog signal to be A / D converted, it is controlled to which quantum dot the energy is transmitted from the input side quantum dot. Since each bit signal of the emitted digital signal is dominated by this, A / D conversion can be realized. In particular, the nano-optical A / D converter to which the present invention is applied can perform optical A / D conversion between nanometer-sized quantum dots without being controlled by the diffraction limit of light, and make a high-performance optical device nano-sized. Can also be realized.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、図1に示すようなナノ光D/Aコンバータ1に適用される。このナノ光D/Aコンバータ1は、供給されたデジタル信号をナノスケールでアナログ信号に変換するコンバータであって、例えばNaCl、KCl又はCaF2等の誘電性材料により構成される基板10と、基板10の表面上において形成されている複数の量子ドット11,12,13からなる量子ドットグループ20と、上記量子ドットグループ20近傍に形成されている単一の量子ドットにより構成される出力側量子ドット30とを備えている。
The present invention is applied to a nano-optical D / A converter 1 as shown in FIG. The nano-optical D / A converter 1 is a converter that converts a supplied digital signal into an analog signal on a nano scale. For example, a
量子ドットグループ20を構成する第1の量子ドット11,第2の量子ドット12,第3の量子ドット13、並びに出力側量子ドット30は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子(励起子)を制御する。これら量子ドット11,12,13,30では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
The first
この誘電性の基板上10に形成された各量子ドット11,12,13には、パルス列の有無で情報を送信するデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給される。即ち、周波数を異なるビットに割り振った入力光は、図1に示すように基板10上を伝搬することにより、各量子ドット11,12,13へ供給されることになる。
The
ここで、第1の量子ドット11に供給される入力光を入力光Aとし、第2の量子ドット12に供給される入力光を入力光Bとし、さらに第3の量子ドット13に供給される入力光を入力光Cとする場合に、これら入力光A,B,Cは、基板10上を伝搬することにより、各量子ドット11,12,13へ供給されることになる。このとき、基板10上にプラズモン導波路を形成させ、これを介して入力光A,B,Cを量子ドット11,12,13へ供給するようにしてもよいし、また、各量子ドット11,12,13に対してそれぞれ近接させた近接場光プローブを介してこれを供給するようにしてもよい。
Here, the input light supplied to the first
量子ドット11,12,13と出力側量子ドット30とは、互いに状態密度関数がほぼ等しい量子準位を有する。各量子ドット11,12,13に対してそれぞれ入力光A,B,Cが供給されることにより、基底準位にある励起子をそれぞれ励起させることができる。その結果、各量子ドット11,12,13と出力側量子ドット30との間で双極子相互作用が生じる結果、上述した量子準位を介して互いに共鳴することになる。
The
各量子ドット11,12,13,30は、CuCl、GaN又はZnO等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット11,12,13,30を構成する材料系がCuClである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット11,12,13,30を構成する材料系がGaNやZnOである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。各量子ドット11,12,13,30を構成する材料系として、例えば上記CuClを用いる場合には、それらの辺長はナノメータサイズとなるように、換言すれば入力光A,B,Cの波長以下となるように基板10上に形成させる。
Each
これら各量子ドット11,12,13,30は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板10上に形成させることができる。各量子ドット11,12,13,30を構成する材料系として上記CuClを用いる場合において、先ずCuClの粉末と、NaClの粉末を混合して約800℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数mm/hの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約200℃程度の温度で数分から数10分間熱処理をすると、CuClの量子ドット11,12,13,30を包含したNaCl結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット11,12,13,30のサイズを自在に制御することもでき、これらを100nm以下の領域に並べて形成させることも可能となる。
These
なお、これら各量子ドット11,12,13,30は、更に分子エピタキシー(MBE)成長法に基づいて基板10上に作製してもよいし、また近接場光CVDを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。
Each of these
各量子ドット11,12,13,30における量子閉じ込め準位E(nx,ny,nz)は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式(1)により定義される。
E(nx,ny,nz)=h2/8π2m(π/L)2(nx 2+ny 2+nz 2)・・・・・(1)
この式(1)に基づき、各量子ドット11,12,13,30のE(nx,ny,nz)を計算する。ここで第1の量子ドット11と、第2の量子ドット12と、第3の量子ドット13と、出力側量子ドット30との辺長比が、およそ1:√2:2:2√2であるとき、図2に示すように、第1の量子ドット11における量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、出力側量子ドット30における量子準位が(4,2,2)であるときのE(422)とが等しくなる。また第2の量子ドット12における量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、出力側量子ドット30における量子準位が(2,2,2)であるときのE(222)とが等しくなる。また、第3の量子ドット13における量子準位が(1,1,1)であるときのE(111)と、出力側量子ドット30における量子準位が(2,1,1)であるときのE(211)とが等しくなる。即ち、第1の量子ドット11の量子準位(1,1,1)、第2の量子ドット12の量子準位(1,1,1)、第3の量子ドット13における量子準位(1,1,1)は、出力側量子ドット30における各量子準位(4,2,2),(2,2,2), (2,1,1)と、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第1の量子ドット11における量子準位(1,1,1)に対応する周波数ω1の入力光A、第2の量子ドット12における量子準位(1,1,1)に対応する周波数ω2の入力光B、第3の量子ドット13における量子準位(1,1,1)に対応する周波数ω3の入力光Cをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させる。
The quantum confinement level E ( nx , ny , nz ) in each
E (n x , n y , n z ) = h 2 / 8π 2 m (π / L) 2 (n x 2 + ny 2 + n z 2 ) (1)
Based on this equation (1), E (n x , n y , n z ) of each
仮に周波数ω1の入力光Aを供給することにより、第1の量子ドット11における量子準位(1,1,1)へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位(1,1,1)と出力側量子ドット30における量子準位(4,2,2)との間で共鳴が生じる。その結果、第1の量子ドット11における量子準位(1,1,1)に存在する励起子が、出力側ドット30の量子準位(4,2,2)へ移動し、出力側量子ドット30の量子準位(1,1,1)へ移動する。この結果、見かけ上第1の量子ドット11から出力側量子ドット30へ励起子が移動することになる。そして、この出力側量子ドット30の量子準位(1,1,1)へ移動した励起子は、そこから発光する。この出力側量子ドット30の下位の量子準位(1,1,1)からの発光は、アナログ信号としての出力光として取り出されることになるが、その周波数ω4は、入力光の周波数ω1,ω2,ω3と比較していきおい低くなる。これは、出力側量子ドット30のサイズが、各量子ドット11,12,13と比較して大きいからである。従って、この周波数ω4の出力光のみを選択的に検出することで、他の周波数成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。
If the exciton is excited to the quantum level (1,1,1) in the
即ち、基板10上において辺長比が互いに異なる各量子ドット11,12,13,30を形成させることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット11,12,13から体積の大きい量子ドット30へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積(サイズ)を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。
That is, by forming the
このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい量子ドット11,12,13に応じた入力光A,B,Cを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい出力側量子ドット30へ伝送する。出力側量子ドット30では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成し、これをアナログ信号として外部へ送信する。
For this reason, by using the transmission principle of the exciton, the input lights A, B, and C corresponding to the
この出力光の光強度は、出力側量子ドット30における下位準位への励起子の放出量に支配され、かかる励起子の放出量は量子ドット11,12,13から伝送される励起子の量に依存する。即ち、全ての量子ドット11,12,13に入力光A,B,Cがそれぞれ供給された場合には、その分励起される励起子の量は多くなり、出力側量子ドット30へ伝送される励起子の量も多くなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は大きくなる。これに対して、全ての量子ドット11,12,13に入力光A,B,Cがそれぞれ供給されなかった場合には、その分励起される励起子の量は少なくなり、出力側量子ドット30へ伝送される励起子の量も少なくなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、入力光A,B,Cの各量子ドット11,12,13に対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。
The light intensity of the output light is governed by the amount of excitons emitted to the lower level in the output-
即ち、本発明を適用したナノ光D/Aコンバータ1は、入力光A,B,Cの各量子ドット11,12,13に対する供給をA/D変換すべきデジタル信号と連動させることにより、これに応じた光強度からなるアナログ信号としての出力光を生成する。例えば、A0=a2×22+a1×21+a0×20(a2〜a0は、1か0の何れかの値を取る)と2進数で表わされる3ビットのデジタル信号(a0,a1,a2)をアナログ信号に変換する場合には、a0の値を周波数ω1の入力光Aで規定し、a1の値を周波数ω2の入力光Bで規定し、a2の値を周波数ω3の入力光Cで規定する。
That is, the nano-optical D / A converter 1 to which the present invention is applied operates by linking the supply of the input light A, B, C to the
図3は、かかる3ビットのデジタル信号につき、このナノ光D/Aコンバータ1により変換し得るアナログ信号の光強度の関係を示している。この図3に示すように、各周波数ω1,ω2,ω3の入力光A,B,Cの供給を制御することにより、最大で、A0(=a2×22+a1×21+a0×20)の大きさからなるアナログ信号を取得することができる。このアナログ信号の強度を構成するb0,b1,b2のうち、b0は、デジタル信号a0に基づくものであり、b1は、デジタル信号a1に基づくものであり、b2は、デジタル信号a2に基づくものである。 FIG. 3 shows the relationship of the light intensity of an analog signal that can be converted by the nano-optical D / A converter 1 with respect to such a 3-bit digital signal. As shown in FIG. 3, A0 (= a 2 × 2 2 + a 1 × 2 1 + a 0 ×) is controlled by controlling the supply of the input lights A, B, and C having the frequencies ω1, ω2, and ω3. An analog signal having a magnitude of 2 0 ) can be acquired. Of b0, b1, b2 constituting the strength of the analog signal, b0 is based on the digital signal a 0, b1 is based on the digital signals a 1, b2 is in the digital signal a 2 Is based.
ここでa0の値が1である場合には、周波数ω1の入力光Aを供給する。これに対して、a0の値が0である場合には、周波数ω1の入力光Aを供給を停止するか、或いは周波数ω1,ω2,ω3以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω1の入力光Aが供給された第1の量子ドット11内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット30の量子準位(4,2,2)へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω1の入力光Aが供給されなかった第1の量子ドット11内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット30の量子準位(4,2,2)へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
Here, when the value of a 0 is 1, the input light A having the frequency ω1 is supplied. On the other hand, when the value of a 0 is 0, the supply of the input light A having the frequency ω1 is stopped, or the input light other than the frequencies ω1, ω2, and ω3 is switched to the supply. In the
同様に、a1の値が1である場合には、周波数ω2の入力光Bを供給する。これに対して、a1の値が0である場合には、周波数ω2の入力光Bを供給を停止するか、或いは周波数ω1,ω2,ω3以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω2の入力光Bが供給された第2の量子ドット12内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット30の量子準位(2,2,2)へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω2の入力光Bが供給されなかった第2の量子ドット12内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット30の量子準位(2,2,2)へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
Similarly, when the value of a 1 is 1, and supplies the input light B frequency .omega.2. On the contrary, if the value of a 1 is 0, or stops supplying the input light B frequency .omega.2, or frequency .omega.1, .omega.2, it switches to the supply of input light other than [omega] 3. In the
同様に、a2の値が1である場合には、周波数ω3の入力光Cを供給する。これに対して、a2の値が0である場合には、周波数ω3の入力光Cを供給を停止するか、或いは周波数ω1,ω2,ω3以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω3の入力光Cが供給された第3の量子ドット13内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット30の量子準位(2,1,1)へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω3の入力光Cが供給されなかった第3の量子ドット13内では、量子準位(1,1,1)へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット30の量子準位(2,1,1)へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
Similarly, when the value of a 2 is 1, it supplies the input light C of the frequency [omega] 3. In contrast, when the value of a 2 is 0, or stops supplying the input light C of the frequency [omega] 3, or a frequency .omega.1, .omega.2, switches to the supply of input light other than [omega] 3. In the third
この出力側量子ドット30からの出力光の光強度をD/A変換すべきデジタル信号毎に近接場光学顕微鏡により測定した結果を図4に示す。また、3ビットのデジタル信号の全てにつき、このナノ光D/Aコンバータ1によりアナログ信号に変換した出力光の光強度を実際に測定した結果を図5に示す。
FIG. 4 shows the result of measuring the light intensity of the output light from the output-
この図4,5から示されるように、a2=0,a1=0,a0=1で表されるデジタル信号(2進法表記として001)をD/A変換する場合には、第1の量子ドット11のみに入力光Aが供給されることになり、出力側量子ドット30へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光L3の光強度は、0.05と小さくなる。
As shown in FIGS. 4 and 5, when D / A conversion is performed on a digital signal represented by a 2 = 0, a 1 = 0, a 0 = 1 (001 in binary notation), The input light A is supplied to only one
これに対して、a2=1,a1=0,a0=0で表されるデジタル信号(2進法表記として100)をD/A変換する場合には、第3の量子ドット13のみに入力光Cが供給されることになり、出力側量子ドット30へ伝送される励起子の量は、第3の量子ドット13が第1の量子ドット11よりも大きいため、その分多くなり、これらの放出に基づく出力光L2の光強度も約4倍となる。
On the other hand, in the case of D / A conversion of a digital signal (100 in binary notation) represented by a 2 = 1, a 1 = 0, a 0 = 0, only the third
また、a2=1,a1=1,a0=1で表されるデジタル信号(2進法表記として111)をD/A変換する場合には、全ての量子ドット11,12,13に入力光A,B,Cがそれぞれ供給されるところ、出力側量子ドット30へ伝送される励起子の量は、最も多くなり、これらの放出に基づく出力光L1の光強度は、2進法表記として001で表されるデジタル信号のそれと比較して、約7倍と大きくなる。出力側量子ドット30により生成されるアナログ信号の強度は、量子ドット11,12,13から流れ込む励起子(エネルギー)の合計で表すことができるからである。
Further, when D / A conversion is performed on a digital signal represented by a 2 = 1, a 1 = 1, a 0 = 1 (binary notation 111), all the
以上説明した図4,5で示される結果より、入力されるデジタル信号が大きくなるにつれて、出力側量子ドット30から出力されるアナログ信号の光強度が大きくなることが分かり、またデジタル信号に基づいて生成するアナログ信号の強度の線形性をも確認することができる。
From the results shown in FIGS. 4 and 5 described above, it can be seen that as the input digital signal increases, the light intensity of the analog signal output from the
なお、各量子ドット11,12,13から出力側量子ドット30への距離が等しい場合には、量子ドット11,12,13のサイズが大きいほど励起子が伝送量が多くなる。このため、互いに同一の光強度からなる入力光A,B,Cが供給された場合に、第3の量子ドット13からの励起子の伝送量が最も大きく、次に第2の量子ドット12,第1の量子ドット11の順でその伝送量は小さくなる。即ち、第1の量子ドット11のみに入力光Aが供給された場合に、出力側量子ドット30から放出される出力光の光強度は上述の如く最も小さくなる。
In addition, when the distance from each
入力されるデジタル信号に対して、アナログ信号の光強度の線形性をさらに確保するためには、各量子ドット11,12,13のサイズに加えて、各量子ドット11,12,13と、出力側量子ドット30との距離を最適化することにより、実現することができる。
In order to further secure the linearity of the light intensity of the analog signal with respect to the input digital signal, in addition to the size of each
このように、本発明を適用したナノ光D/Aコンバータ1では、D/A変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光A,B,Cが供給され、当該供給された入力光A,B,Cの周波数ω1,ω2,ω3に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドット11,12,13と、これらのエネルギー準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する出力側量子ドット30を基板上に形成させている。
As described above, in the nano-optical D / A converter 1 to which the present invention is applied, the input lights A, B, and C having different frequencies corresponding to the respective bits of the digital signal to be D / A converted are supplied and supplied. The plurality of
このため、D/A変換すべきデジタル信号に基づく入力光A,B,Cの供給状態を制御することにより、量子ドット11,12,13から出力側量子ドット30へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出されるアナログ信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、D/A変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光D/Aコンバータ1では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光D/A変換を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
Therefore, by controlling the supply state of the input lights A, B, and C based on the digital signal to be D / A converted, the total energy flowing from the
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、供給されたアナログ信号をナノスケールでデジタル信号に変換するナノA/Dコンバータ5に適用してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the present invention may be applied to a nano A /
このナノA/Dコンバータ5は、図6に示すように、基板10と、基板10の表面上において形成されている複数の量子ドット11,12,13からなる量子ドットグループ20と、上記量子ドットグループ10近傍に形成されている単一の量子ドットにより構成される入力側量子ドット40とを備えている。なお、このナノA/Dコンバータ5において、上述したナノ光D/Aコンバータ5と同一の構成については、図1の説明を引用することにより、ここでの説明を省略する。
As shown in FIG. 6, the nano A /
入力側量子ドット40は、上述した出力側量子ドット30と同一の構成からなる。この入力側量子ドット40には、A/D変換すべきアナログ信号としての入力光Dが供給される。
The input-
量子ドットグループ20は、このナノA/Dコンバータ5においてデジタル信号としての出力光を発光する。この量子ドットグループ20を構成する第1の量子ドット11は、デジタル信号を構成するa0の値を出力光U1で規定し、また第2の量子ドット12は、デジタル信号を構成するa1の値を出力光U2で規定し、また第3の量子ドット13は、デジタル信号を構成するa2の値を出力光U3で規定する。
The
次に、このナノA/Dコンバータ5によるA/D変換動作につき説明をする。
Next, an A / D conversion operation by the nano A /
先ず、図7に示すように、入力側量子ドット40に対して、他の量子ドット11,12,13との間で光学禁制となる量子準位Q1に応じた周波数ω5の入力光Dを供給する。その結果、励起子が量子準位Q1に励起される。
First, as shown in FIG. 7, the input light D having the frequency ω5 corresponding to the quantum level Q1 that is optically forbidden between the other
次にこの量子準位Q1に励起された励起子は、下位にある量子準位R1へ遷移する。この量子準位R1は、入力側量子ドット40においては光学禁制であるため、そこから光を放出させることができない。しかしながら、この励起子が、量子準位R1に共鳴する量子準位R1'を持つ第1の量子ドット11へ伝送されることにより、当該第1の量子ドット11から周波数ω6の出力光U1が発光することになる。
Next, the exciton excited to this quantum level Q1 transitions to the lower quantum level R1. Since this quantum level R1 is optically forbidden in the input side
また、入力側量子ドット40に対して供給する入力光Dの光強度を上げることにより、量子準位Q1へ励起される励起子の量は多くなり、下位にある量子準位R1へ遷移する励起子の量もこれに応じて多くなる。その結果、かかる量子準位R1のみからでは励起子を第1の量子ドット11側へ掃ききれなくなる。このため、励起子の余剰分については、かかる量子準位R1よりも上位にあり、かつ入力側量子ドット40においては光学禁制となる量子準位R2へ遷移することになる。この量子準位R2へ遷移した励起子は、これに共鳴する量子準位R2'を持つ第2の量子ドット12へ伝送されることにより、当該第2の量子ドット12から周波数ω7の出力光U2が発光することになる。この励起子の放出により発光される出力光U1,U2,・・の周波数は、入力光の周波数ω5よりも高く、またこれらは互いに異なるため、これらを選択的に検出することも可能となる。
Further, by increasing the light intensity of the input light D supplied to the input-
また、入力側量子ドット40に対して供給する入力光Dの光強度を上げることにより、同様にして第3の量子ドットから出力光U3を発光させることができる。
Further, by increasing the light intensity of the input light D supplied to the input side
このように入力光Dの光強度を上げていくことにより、放出すべき励起子の量を増加させ、これをより下位にある量子準位R1,R2,・・に共鳴する量子準位R1',R2',・・を持つ第1の量子ドット11,第2の量子ドット12,・・を介して放出することができる。これは、各量子ドット11,12,13から発光される出力光U1,U2,・・の有無が、供給される入力光Dの光強度に支配されることを示唆している。
By increasing the light intensity of the input light D in this way, the amount of excitons to be emitted is increased, and the quantum level R1 ′ that resonates with the lower quantum levels R1, R2,. , R2 ′,... Can be emitted through the first
このため、この入力光Dの光強度をアナログ信号の強度に対応させ、発光される出力光U1,U2,・・をデジタル信号に対応させることにより、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光A/D変換を実現することができる。 For this reason, the light intensity of the input light D is made to correspond to the intensity of the analog signal, and the output light U1, U2,. Optical A / D conversion can be realized between nanometer-sized quantum dots.
なお、上述した実施の形態では、3ビットのデジタル信号のA/D変換、D/A変換を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、2ビット以上のデジタル信号のいかなるA/D変換、D/A変換に適用することも可能となる。仮に2ビットのデジタル信号のA/D変換、D/A変換を実現する場合には、第1の量子ドット,第2の量子ドット12のみからなる量子ドットグループ20を基板10上に形成させるようにすればよい。また、4ビット以上のビット数からなるデジタル信号を扱う場合には、ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにエネルギー準位(サイズ)を互いに異ならせた4つ以上の量子ドットを基板上に形成させるようにすればよい。
In the above-described embodiment, A / D conversion and D / A conversion of a 3-bit digital signal have been described as examples. However, the present invention is not limited to this case, and a digital signal of 2 bits or more is used. It can be applied to any A / D conversion and D / A conversion. If A / D conversion and D / A conversion of a 2-bit digital signal is realized, a
なお、上述した実施の形態では、2進数で表されるデジタル信号のA/D変換、D/A変換を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、4進数、16進数等で表されるデジタル信号のA/D変換、D/A変換に適用してもよいことは勿論である。 In the above-described embodiment, A / D conversion and D / A conversion of a digital signal represented by a binary number have been described as examples. However, the present invention is not limited to this case, and a quaternary number, Of course, the present invention may be applied to A / D conversion and D / A conversion of a digital signal represented by a hexadecimal number or the like.
さらに、本発明では、互いに共鳴する量子準位間で励起子を伝送する場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではない。基板10の温度を上げることにより、互いに共鳴しない量子準位間で励起子が移動することを利用し、各量子ドット11,12,13へ供給する入力光A,B,Cの周波数につき一定の幅を持たせることもできることは勿論である。
Furthermore, in the present invention, the case where excitons are transmitted between quantum levels that resonate with each other has been described as an example. However, the present invention is not limited to such a case. By utilizing the fact that excitons move between quantum levels that do not resonate with each other by raising the temperature of the
1 ナノ光D/Aコンバータ、10 基板、11 第1の量子ドット、12 第2の量子ドット、13 第3の量子ドット、20 量子ドットグループ、30 出力側量子ドット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nano optical D / A converter, 10 Substrate, 11 1st quantum dot, 12 2nd quantum dot, 13 3rd quantum dot, 20 Quantum dot group, 30 Output side quantum dot
Claims (4)
D/A変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、当該供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各入力光より低周波数の出力光をD/A変換されたアナログ信号として生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とするナノ光D/Aコンバータ。 A dielectric substrate;
The input lights having different frequencies corresponding to the respective bits of the digital signal to be D / A converted are supplied, and the excitons are excited according to the frequency of the supplied input lights, and the sizes are made different from each other. An input-side quantum dot group in which a plurality of quantum dots are formed on the substrate;
According to resonance with each energy level, each quantum dot constituting the input-side quantum dot group has a resonance energy level in which excitons are injected through the substrate, and is emitted from the resonance energy level. A nano-optical D / A converter comprising: an output-side quantum dot that generates an output signal having a frequency lower than that of each of the input lights as an analog signal subjected to D / A conversion in accordance with the energy input.
を特徴とする請求項1記載のナノ光D/Aコンバータ。 2. The nano light D according to claim 1, wherein an interval between each of the quantum dots constituting the input-side quantum dot group and the output-side quantum dot is adjusted according to the light intensity of the output light. / A converter.
を特徴とする請求項1記載のナノ光D/Aコンバータ。 2. The nano light D / 2 according to claim 1, wherein each of the quantum dots constituting the input-side quantum dot group and the output-side quantum dots are adjusted in size according to the light intensity of the output light. A converter.
A/D変換すべきアナログ信号に対応した光強度からなる入力光が供給され、当該該供給された光の光強度に応じてそれぞれ励起子が遷移される複数のエネルギー準位を有する上記基板上に形成された入力側の量子ドットと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入されるように共鳴エネルギー準位を互いに異ならせた複数の量子ドットから構成される出力側量子ドットグループとを備え、
上記出力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記入力光より高周波数の出力光をA/D変換されたデジタル信号として生成すること
を特徴とするナノ光A/Dコンバータ。 A dielectric substrate;
On the substrate having a plurality of energy levels to which input light having light intensity corresponding to an analog signal to be A / D converted is supplied and excitons are transitioned according to the light intensity of the supplied light. An input-side quantum dot formed on
An output side composed of a plurality of quantum dots whose resonance energy levels are different from each other so that excitons are injected from the quantum dot on the input side through the substrate in response to resonance with each energy level. With a quantum dot group,
Each quantum dot constituting the output-side quantum dot group generates output light having a frequency higher than that of the input light as an A / D-converted digital signal in accordance with energy emitted from a resonance energy level. Nano optical A / D converter.
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