JP3947748B2 - 量子ドットによる光増幅器 - Google Patents

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量子ドットによる光増幅器に関するものである。

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。

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。

M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862

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増幅を行うことができるナノスケールの光増幅器の実現が望まれている。

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。また、ナノスケールの素子における信号は小さいため増幅器が必要であるが、ナノスケールで動作可能な実用的な光増幅器はない。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増幅器自体が未だ案出されていないのが現状である。

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増幅処理等をナノスケールで行うことができる量子ドットによる光増幅器を提供することにある。

本発明に係る量子ドットによる光増幅器は、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、基板上に形成されてなり外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第１の量子ドットと、第１の量子ドットを挟み込むようにして基板上に形成されてなり第１の量子ドットより大体積で構成される２つの第２の量子ドットとを備え、各第２の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有し、さらに第１の量子ドットに供給された入力光に基づきこれを増幅させた出力光を生成する。

本発明に係る量子ドットによる光増幅器は、外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第１の量子ドットと、第１の量子ドットを挟み込むようにして、より大体積で構成される２つの第２の量子ドットとを基板上に形成し、各第２の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有する。このような構成からなる光増幅器の第１の量子ドットに入力光を供給すると、励起準位に励起された励起子の状態が変化し、これに伴って第２の量子ドット間に生じていた章動現象のバランスを崩すことができ、ひいては、双極子-双極子相互作用の強さに応じた出力光を生成することが可能となる。特に第２の量子ドットをより大体積で構成することにより、双極子−双極子相互作用をより強くすることができるため、出力光の光強度をより大きくすることができ、増幅率を向上させることが可能となる。

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。

本発明は、図１に示すようなナノ光増幅器１に適用される。このナノ光増幅器１は、供給された入力光をナノスケールで増幅した出力光を生成するデバイスであって、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２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単一の第１の量子ドット１１と、第１の量子ドット１１を挟み込むようにして基板１０上に形成されてなり、第１の量子ドット１１より大体積で構成される２つの第２の量子ドット１２ａ,１２ｂと、さらにこの第２の量子ドット１２ａ,１２ｂを挟み込むようにして形成されてなる反射鏡１３ａ,１３ｂと、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂから放出される出力光を集光して外部へ出力するための光アンテナ１４とを備えている。

第１の量子ドット１１,第２の量子ドット１２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。

第１の量子ドット１１は、外部から入力光が供給される。この入力光は、図示しないプラズモン導波路を介して第１の量子ドット１１へ供給されるようにしてもよいし、近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。

第２の量子ドット１２ａ,１２ｂは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される互いに状態密度関数がほぼ等しい共鳴エネルギー準位を有する。このため、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂは、同一材料であり、かつ同一体積となるように形成されている。

各量子ドット１１,１２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。

これら各量子ドット１１,１２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。

なお、これら各量子ドット１１,１２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。

各量子ドット１１,１２における量子閉じ込め準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）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（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）
反射鏡１３ａ,１３ｂは、外部から入射した光（以下、誘起光という。）を第２の量子ドット１２ａ,１２ｂ上において往復反射させるために互いに平行となるように設けられている。反射鏡１３ａは、図示しない光源から波長λ_１の誘起光が入射される。このため、この反射鏡１３ａの反射率は、外部から誘起光が一定の割合で入射できるように１００％よりも若干低く構成されている。これに対して、反射鏡１３ｂの反射率は、ほぼ１００％となるように構成されている。ここで、反射鏡１３ａ,１３ｂは、供給効率を高めるためのものあるが、必ずしも必要としない。

光アンテナ１４は、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂの双方、又はいずれか一方から出力される出力光を集光し、これを外部へ放出する。この光アンテナ１４は例えばプラズモン導波路で構成されていてもよい。また、この光アンテナ１４の代替として、近接場光プローブを用いて出力光を拾うようにしてもよい。

次に、本発明を適用したナノ光増幅器１の動作について説明をする。

先ず、第１の量子ドット１１に対して入力光が供給される。ここで、第１の量子ドット１１につき、供給される入力光の波長に応じて、図２に示すように励起子が励起される励起準位Ｓ１が形成されるように設計しておく。これにより、第１の量子ドット１１に供給される入力光の強度に応じて、かかる励起準位Ｓ１に励起される励起子の状態が支配されることになる。

次に、反射鏡１３ａ,１３ｂ間において誘起光を往復反射させる。ここで、第２の量子ドット１１につき、往復反射する誘起光の波長λ_１に応じて、図２に示すように励起子が励起される励起準位Ｓ２が形成されるように設計しておく。これにより、かかる誘起光に応じて第２の量子ドット１２ａ,１２ｂ内で励起子が励起されることになる。

かかる場合には、共鳴する第２の量子ドット１２ａ,１２ｂ間で励起子が行き来する、いわゆる章動(nutation)が繰り返されることになり、これがポピュレーションの振動という形で現われることになる。

ちなみに、この章動が繰り返されている間は、双極子-双極子相互作用が第２の量子ドット１２ａ,１２ｂ間に生じる。かかる相互作用が生じている間、双極子は互いに反対称となるように保持されることになる。

かかる章動現象が生じているときに、上述の如く第１の量子ドット１２に入力光を供給すると、これに伴って励起準位Ｓ１に励起された励起子の状態が変化し、さらにかかる励起準位Ｓ１における励起子の状態の変化に伴って、章動現象のバランスが崩れる。これは、入力光の供給に伴い、第１の量子ドット１１と第２の量子ドット１２間において近接場光相互作用が生じるところ、図１に示すように互いに反対称とされた双極子の配向方向が変化することを意味している。

双極子の配向方向が変化すると、双極子-双極子相互作用の強さに応じた出力光が第２の量子ドット１２ａ,１２ｂから放出され、これが光アンテナ１４を介して外部に放出されることになる。この出力光の光強度は、換言すれば、双極子の大きさに支配され、かかる双極子の大きさは、量子ドットの体積の大きさに基づくものである。このため、かかる出力光の光強度をより大きくするためには、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂの体積をより大きくすることにより、双極子を大きくすることができ、ひいてはかかる章動現象の崩れに伴って放出される出力光の光強度を大きくすることが可能となる。

このため、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂを第１の量子ドット１１と比較して大体積で構成することにより、第２の量子ドット１２ａ,１２ｂから放出される出力光につき、第１の量子ドット１１へ供給された入力光を増幅させた形となるように制御することが可能となる。なお、本実施の形態においては、第１の量子ドット１１のサイズを２〜３ｎｍとし、第２の量子ドット１２のサイズを１０ｎｍとした場合を想定しているが、かかる場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット１２が第１の量子ドット１１よりも大体積であればいかなる体積で構成してもよい。

このように、本発明を適用したナノ光増幅器１は、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増幅処理等をナノスケールで行うことができる。このため、本発明を適用したナノ光増幅器１は、少数のフォトンを信号のキャリアに利用するナノフォトニックデバイスに対しても適用することが可能となり、ナノオーダで光増幅を行うことも可能となる。

本発明を適用したナノ光増幅器の構成につき説明するための図である。 本発明を適用したナノ光増幅器の動作につき説明するための図である。

符号の説明

１ ナノ光増幅器、１０ 基板、１１ 第１の量子ドット、１２ 第２の量子ドット、１３ 反射鏡、１４ 光アンテナ

Claims (3)

1. 誘電性の基板と、
   上記基板上に形成されてなり、外部から供給された入力光に応じて励起子が励起させる励起準位を有する第１の量子ドットと、
   上記第１の量子ドットを挟み込むようにして上記基板上に形成されてなり、上記第１の量子ドットより大体積で構成される２つの第２の量子ドットとを備え、
   上記各第２の量子ドットは、外部から供給される誘起光に基づいてそれぞれ励起子が励起される略同一準位の共鳴エネルギー準位を有し、さらに上記第１の量子ドットに供給された入力光に基づき、これを増幅させた出力光を生成すること
   を特徴とする量子ドットによる光増幅器。
2. 上記各第２の量子ドットは、互いに共鳴エネルギー準位間を往復する励起子の状態を上記第１の量子ドットに供給された入力光に基づいて変化させることにより、上記出力光を生成すること
   を特徴とする請求項１記載の量子ドットによる光増幅器。
3. 上記各第２の量子ドットは、互いに反対称された双極子の状態を上記第１の量子ドットに供給された入力光に基づいて変化させることにより、上記出力光を生成すること
   を特徴とする請求項１記載の量子ドットによる光増幅器。

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