JP4753979B2

JP4753979B2 - Optical pulse generator

Info

Publication number: JP4753979B2
Application number: JP2008191216A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 崇八井
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP2010026463A

Description

本発明は、光パルス発生素子に関し、特にナノオーダ寸法でフェムト秒オーダの光パルスを発生させることに好適な光パルス発生素子に関する。 The present invention relates to an optical pulse generating element, and more particularly to an optical pulse generating element suitable for generating an optical pulse having a nano-order size and a femtosecond order.

光パルス発生器は、光通信分野、計測技術の分野において重要な役割を果たしている。光パルス発生器として、レーザの共振器内に変調器を挿入し、レーザから直接光パルス列を発生させるモード同期方式がある。モード同期方式は、高速の光パルス列を発生させるべく、共振器内を走行する光パルスの周期をロックする（引き込む）ことを通常行う。モード同期方式には、共振器内に光変調器を挿入して損失変調をかける能動方式と、入射光強度に対して吸収係数が非線形に変化する過飽和吸収体を共振器内に挿入して受動的にモード同期をとる受動方式などがある。しかし、これらはいずれも機構が複雑であり、また高価であることや、面型デバイスとして使用することが難しいなどの問題がある。 The optical pulse generator plays an important role in the fields of optical communication and measurement technology. As an optical pulse generator, there is a mode-locking system in which a modulator is inserted in a laser resonator and an optical pulse train is generated directly from the laser. In the mode synchronization method, in order to generate a high-speed optical pulse train, the period of the optical pulse traveling in the resonator is usually locked (pulled). The mode-locking method includes an active method in which an optical modulator is inserted into the resonator to perform loss modulation, and a saturable absorber in which the absorption coefficient changes nonlinearly with respect to the incident light intensity. There is a passive method that uses mode synchronization. However, all of these have complicated mechanisms, are expensive, and are difficult to use as a planar device.

また、モード同期方式以外には、連続光を発生する光源に外部変調器を接続して光パルス列を発生させる方式が知られている。外部変調器を用いる光パルス発生器は、モード同期レーザと比較して、波長や繰り返し周波数を任意に設定しやすいという利点がある。しかしながら、外部変調器を別途準備する必要があることから、システム全体が大掛かりなものとなり、コストが上昇してしまうという問題点がある。
特開２００５−１２１８２３号公報 In addition to the mode synchronization method, a method of generating an optical pulse train by connecting an external modulator to a light source that generates continuous light is known. The optical pulse generator using the external modulator has an advantage that the wavelength and the repetition frequency can be easily set as compared with the mode-locked laser. However, since it is necessary to prepare an external modulator separately, there is a problem that the whole system becomes large and the cost increases.
JP 2005-121823 A

ところで、近年において光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることができれば、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となるという報告がなされている。 By the way, in recent years, it has been reported that if the optical pulse width can be set to 100 fs or less, magneto-optical recording can be performed only with light to which a magnetic field is not applied.

しかしながら、そのようなフェムト秒オーダの光パルスを発生可能な光パルス発生器は、装置そのものがどうしても大掛かりなものとなってしまう。このため、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができず、実用化のためには、短パルス光源の小型化を図る必要があった。 However, the optical pulse generator capable of generating such femtosecond optical pulses is inevitably large in size. For this reason, it cannot be mounted on a notebook personal computer (PC), a portable information terminal, or the like, and it has been necessary to reduce the size of the short pulse light source for practical use.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、フェムト秒オーダの光パルスを発生させることが可能で、しかもナノメータサイズで構成されることにより、ノート型ＰＣを初めとした各種モバイル端末に対しても、光記録時における記録容量の拡大、記録速度の高速化を初めとした各種技術革新を促すことが可能な光パルス発生素子を提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to generate a femtosecond order optical pulse and to be configured in a nanometer size. Provides an optical pulse generator that can promote various technological innovations such as expanding the recording capacity and increasing the recording speed even for various mobile terminals such as notebook PCs. There is to do.

本発明に係る光パルス発生素子は、障壁層と、上記障壁層よりも小さい禁制帯幅からなり、単一の励起子のみを閉じ込めることが可能な量子ドット層とを交互に２段以上に亘り積層させたロッドにより構成され、上記障壁層は、３〜１０ｎｍの厚みからなり、入射された光に基づいて上記各量子ドット層に励起子が励起可能とされているとともに、その励起子が励起された各量子ドットに発生した電気双極子モーメントの方向を近接場光相互作用に基づいて互いに同一方向へ配向させ、この配列された双極子モーメントに基づいて上記最上段の量子ドット層から放出するパルス光強度を増強させるとともに、パルス幅を狭小化させることを特徴とする。 The optical pulse generating device according to the present invention includes a barrier layer and a quantum dot layer having a forbidden bandwidth smaller than that of the barrier layer and capable of confining only a single exciton alternately in two or more stages. Consists of stacked rods, the barrier layer has a thickness of 3 to 10 nm, and excitons can be excited in each quantum dot layer based on incident light, and the excitons are excited The directions of the electric dipole moment generated in each quantum dot are aligned in the same direction based on the near-field light interaction, and are emitted from the top quantum dot layer based on the arranged dipole moment. The pulse light intensity is increased and the pulse width is narrowed.

上述した構成からなる本発明では、量子ドットを１個のみで構成している場合と比較して、ｎ個の量子ドットで構成することにより、電気双極子モーメントの相乗効果が期待でき、その放射強度は、N²倍となる（n/2(n/2+1)より）。このため、量子ドット２２ａから発生される光パルスの強度を増強させることが可能となる。また、これに伴って発生すべき光パルス信号をフェムト秒オーダまで短くすることも可能となる。 In the present invention having the above-described configuration, a synergistic effect of the electric dipole moment can be expected by configuring with n quantum dots as compared with the case where the quantum dot is configured with only one quantum dot. The intensity is N ² times (from n / 2 (n / 2 + 1)). For this reason, it is possible to increase the intensity of the light pulse generated from the quantum dots 22a. In addition, the optical pulse signal to be generated can be shortened to the femtosecond order.

このため、本発明を適用した光パルス発生素子を用いることにより、光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることもでき、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となる。しかも、本発明を適用した光パルス発生素子は、ナノメータサイズのロッド体として構成されることから、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができ、光だけの磁気記録機能をこれらの各デバイスに担わせることも可能となる。 For this reason, by using the optical pulse generating element to which the present invention is applied, the optical pulse width can be reduced to 100 fs or less, and magneto-optical recording can be performed only with light without applying a magnetic field. Moreover, since the optical pulse generating element to which the present invention is applied is configured as a nanometer-sized rod body, it can be mounted on a notebook personal computer (PC), a portable information terminal, etc. Functions can be assigned to each of these devices.

以下、本発明を実施するための最良の形態として、超短光パルスを発生させる光パルス発生素子について、図面を参照しながら詳細に説明する。 In the following, an optical pulse generating element for generating an ultrashort optical pulse will be described in detail with reference to the drawings as the best mode for carrying out the present invention.

図１は、本発明を適用した光パルス発生素子１の構成を示している。この光パルス発生素子１は、ナノメータサイズのロッド（棒状体）により構成されるものであり、基板１１と、この基板上において立設されたロッド体１２とからなる。ちなみに、このロッド体１２は、基板１１において複数立設されている場合に限定されるものではなく、少なくとも１本立設されているものであってもよい。 FIG. 1 shows a configuration of an optical pulse generating element 1 to which the present invention is applied. The optical pulse generating element 1 is composed of a nanometer-sized rod (rod-like body), and includes a substrate 11 and a rod body 12 erected on the substrate. Incidentally, the rod body 12 is not limited to the case where a plurality of the rod bodies 12 are erected on the substrate 11, and at least one rod body 12 may be erected.

基板１１は、例えばＡｌ_２Ｏ_３基板や、サファイヤ基板等を想定しているが、これに限定されるものではなく、例えばシリコンを用いるようにしてもよいし、その他ガラス、ガリウム砒素、ガリウムナイトライド、ポリイミド基板などを用いるようにしてもよい。この基板１１の板厚は、６００μｍであるが、これに限定されるものではなく、いかなる板厚で構成されていてもよい。
ロッド体１２は、例えば図２(a)に示すように、障壁層２１と、量子ドット層２２とが交互に２段以上に亘り積層されている。図２(b)は、このロッド体１２の拡大構成を示す図であるが、障壁層２１は、禁制帯幅Ｇ１からなり、例えば、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ｘは、０．１５〜０．３）で構成されている。また、この障壁層２１は、３〜１０ｎｍの厚さで構成されていればよいが、以下の実施の形態においては、６ｎｍ程度で構成されている場合を例にとり説明をする。 The substrate 11 is assumed to be, for example, an Al ₂ O ₃ substrate, a sapphire substrate, or the like, but is not limited to this. For example, silicon may be used, and other glass, gallium arsenide, gallium nitrite may be used. A ride, a polyimide substrate, or the like may be used. The thickness of the substrate 11 is 600 μm, but the thickness is not limited to this, and any thickness may be used.
In the rod body 12, for example, as shown in FIG. 2A, barrier layers 21 and quantum dot layers 22 are alternately stacked in two or more stages. FIG. 2B is a diagram showing an enlarged configuration of the rod body 12, and the barrier layer 21 has a forbidden band width G _1. For example, Zn _1-x Mg _x O (x is 0.15 to 0.15). 0.3). Further, the barrier layer 21 only needs to be formed with a thickness of 3 to 10 nm, but in the following embodiment, a case where the barrier layer 21 is formed with about 6 nm will be described as an example.

また、量子ドット層２２は、上下が障壁層２１に挟まれて構成されてなり、その禁制帯幅Ｇ２は、障壁層２１の禁制帯幅Ｇ１と比較して小さい禁制帯幅で構成される。その結果、この量子ドット層２２は、禁制帯幅の大きい障壁層２１の間に構成された、いわゆる量子ドットとなり、特に単一の励起子を３次元的に閉じ込めることが可能な微細なポテンシャルの箱を形成することが可能となる。この量子ドット層２２は、励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。ちなみに、この量子ドット層２２は、障壁層２１がＺｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯで構成されている場合において、ＺｎＯで構成されている。また、この量子ドット２２において光を吸収することにより、励起準位へと励起された励起子により、その量子ドット２２には電気双極子モーメントが発生することになる。なお、この量子ドット層２２は、厚みが３ｎｍ程度で構成されている場合を想定しているが、上限は量子サイズ効果が発生する１０ｎｍとすることが望ましく、また下限は、障壁層２１への正孔の染み出しを防止する観点から１ｎｍとされていることが望ましい。 The quantum dot layer 22 is configured such that the upper and lower sides are sandwiched between the barrier layers 21, and the forbidden band width G <b> 2 is configured to be smaller than the forbidden band width G <b> 1 of the barrier layer 21. As a result, the quantum dot layer 22 becomes a so-called quantum dot formed between the barrier layers 21 having a large forbidden band width, and has a fine potential capable of confining a single exciton three-dimensionally. A box can be formed. The quantum dot layer 22 uses an exciton confinement system, the energy level of carriers in the quantum dot becomes discrete, and the state density is sharpened in a delta function. Incidentally, the quantum dot layer 22 is made of ZnO when the barrier layer 21 is made of Zn _1-x Mg _x O. Further, by absorbing light in the quantum dot 22, an electric dipole moment is generated in the quantum dot 22 by the exciton excited to the excitation level. The quantum dot layer 22 is assumed to have a thickness of about 3 nm, but the upper limit is preferably 10 nm at which the quantum size effect occurs, and the lower limit is From the viewpoint of preventing the seepage of holes, the thickness is desirably 1 nm.

また、このロッド体１２は、障壁層２１と、量子ドット層２２とを交互に２段以上に亘り積層させることにより最上段に形成された量子ドット２２ａのみ膜厚を厚く構成する。例えば、下段の量子ドット層２２の膜厚を３．２ｎｍとしたとき、この最上段の量子ドット２２ａのみ、膜厚を３．８ｎｍとしている。なお、この光パルス発生素子１から放出すべきパルス光は、この量子ドット２２ａを介して放出されることになることから、この量子ドット２２ａは、いわゆる出力端としての役割を担うことになる。 Further, the rod body 12 is configured such that only the quantum dots 22a formed in the uppermost stage are thickened by alternately laminating the barrier layers 21 and the quantum dot layers 22 over two or more stages. For example, when the film thickness of the lower quantum dot layer 22 is 3.2 nm, only the uppermost quantum dot 22a has a film thickness of 3.8 nm. Note that the pulsed light to be emitted from the optical pulse generating element 1 is emitted through the quantum dot 22a, so that the quantum dot 22a serves as a so-called output end.

これに対して、この光パルス発生素子１における入力端は、全ての量子ドット層２２に相当し、換言すれば量子ドット２２ａ以下が全て入力端に相当することになる。実際に、この光パルス発生素子１に対して入力光を供給する際には、図１に示すようにある角度方向から光を照射することにより、これら各量子ドット層２２において励起子を励起されることになる。 On the other hand, the input ends in this optical pulse generating element 1 correspond to all the quantum dot layers 22, in other words, all the quantum dots 22a and below correspond to the input ends. Actually, when input light is supplied to the optical pulse generating element 1, excitons are excited in each of the quantum dot layers 22 by irradiating light from a certain angle direction as shown in FIG. Will be.

なお、このロッド体１２の径としては、例えば６ｎｍ程度を想定している。このため、量子ドット層２２は、径が６ｎｍ程度であり、厚みが３ｎｍ程度のナノオーダの極めて微細な構造体として構成することができ、量子ドットとしての効果を発現させることが可能となる。 In addition, as a diameter of this rod body 12, about 6 nm is assumed, for example. For this reason, the quantum dot layer 22 has a diameter of about 6 nm and can be configured as an extremely fine nano-order structure having a thickness of about 3 nm, and the effect as a quantum dot can be expressed.

次に、本発明を適用した光パルス発生素子１の作製方法について説明をする。図３は、本発明を適用したＺｎＯナノロッドの堆積方法を実現するための結晶成長装置３の概略を示している。 Next, a manufacturing method of the optical pulse generating element 1 to which the present invention is applied will be described. FIG. 3 schematically shows a crystal growth apparatus 3 for realizing the ZnO nanorod deposition method to which the present invention is applied.

この結晶成長装置３は、金属触媒を用いないＭＯＶＰＥ(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法に基づくものである。 This crystal growth apparatus 3 is based on the MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) method that does not use a metal catalyst.

この結晶成長装置３は、チャンバ３１内に、基板１１と、上記基板１１を載置するためのステージ３４とを配設して構成され、またこのチャンバ３１内の気体は、ポンプ３６を介して吸引可能とされ、更に圧力センサ３７によりチャンバ３１内の圧力を検出し、これに基づいてバタフライバルブ３８を自動的に開閉することにより内圧の自動制御を実現可能としている。チャンバ３１の外周には、ＲＦヒータ５１が特にステージ３４の周囲において配設されており、当該ＲＦヒータ５１を介して基板１１を加熱可能としている。また、このチャンバ３１内には図示しない熱電対が配設されて内部の温度が随時識別可能とされており、さらにこのチャンバ３１に対して酸素を供給するための供給管５３と、Ａｒキャリアとしたジエチル亜鉛ガス（ＤＥＺｎ）を供給するための供給管５４とが接続されている。 The crystal growth apparatus 3 is configured by disposing a substrate 11 and a stage 34 on which the substrate 11 is placed in a chamber 31, and the gas in the chamber 31 is passed through a pump 36. Further, suction is enabled, and the pressure in the chamber 31 is detected by the pressure sensor 37. Based on this, the butterfly valve 38 is automatically opened and closed, thereby enabling automatic control of the internal pressure. On the outer periphery of the chamber 31, an RF heater 51 is disposed particularly around the stage 34, and the substrate 11 can be heated via the RF heater 51. Further, a thermocouple (not shown) is disposed in the chamber 31 so that the internal temperature can be identified at any time. Further, a supply pipe 53 for supplying oxygen to the chamber 31, an Ar carrier, And a supply pipe 54 for supplying diethyl zinc gas (DEZn).

このような構成からなる結晶成長装置３により、実際にナノロッド状のロッド体１２を基板１１上に堆積させる場合には、先ず、ステージ３４上に基板１１を取り付ける。次に、ポンプ３６を介してチャンバ３１内の気体を吸引するとともに、バタフライバルブ３８等を用いてチャンバ１１内を所定の圧力に制御する。 When the nanorod-shaped rod body 12 is actually deposited on the substrate 11 by the crystal growth apparatus 3 having such a configuration, the substrate 11 is first attached on the stage 34. Next, the gas in the chamber 31 is sucked through the pump 36, and the inside of the chamber 11 is controlled to a predetermined pressure using the butterfly valve 38 or the like.

次に、ＲＦヒータ５１により基板１１を加熱するとともに、供給管５３からチャンバ３１内へ酸素を供給し、さらに供給管５４からチャンバ３１内へジエチル亜鉛ガスを供給する。ちなみに、この供給すべき酸素の代替として、水蒸気を供給するようにしてもよいし、二酸化窒素を供給するようにしてもよいし、その他酸素原子を含む化合物で構成されるいかなる気体又は蒸気を供給するようにしてもよい。また、供給すべきジエチル亜鉛ガスの代替として、亜鉛を含むいかなる有機金属ガスを供給するようにしてもよい。 Next, the substrate 11 is heated by the RF heater 51, oxygen is supplied from the supply pipe 53 into the chamber 31, and diethyl zinc gas is supplied from the supply pipe 54 into the chamber 31. Incidentally, as an alternative to the oxygen to be supplied, water vapor may be supplied, nitrogen dioxide may be supplied, or any other gas or vapor composed of a compound containing oxygen atoms is supplied. You may make it do. Further, any organometallic gas containing zinc may be supplied as an alternative to the diethyl zinc gas to be supplied.

このとき基板１１の温度をＲＦヒータ２１により調整するとともに、チャンバ３１内における圧力を調整する。このとき、チャンバ３１内の全圧は５Ｔｏｒｒとし、またＤＥＺｎの流量を０．１ｓｃｃｍとしている。チャンバ３１内の温度は、４５０℃程度まで上げる。 At this time, the temperature of the substrate 11 is adjusted by the RF heater 21 and the pressure in the chamber 31 is adjusted. At this time, the total pressure in the chamber 31 is 5 Torr, and the flow rate of DEZn is 0.1 sccm. The temperature in the chamber 31 is raised to about 450 ° C.

その結果、基板１１の表面からほぼ垂直方向に向けてＺｎＯからなる台柱が形成される。また、ＺｎＭｇＯからなる障壁層２１を形成させる際には、上述したジエチル亜鉛ガスに加え、更にＭｇ用原料としてＣｐ_２Ｍｇ((bis)cyclopentadienylmagnesium)を混合してこれをチャンバ３１内へと供給する。その結果、ＺｎＭｇＯからなる障壁層２１がかかる台柱の上端から成長していくことになる。このとき、Ｃｐ_２Ｍｇの混合を停止することにより、ジエチル亜鉛ガスのみがチャンバ内３１へ供給される状態を作り出すことで、ＺｎＯからなる量子ドット層２２が成長していくことになる。 As a result, a pedestal made of ZnO is formed in a substantially vertical direction from the surface of the substrate 11. When the barrier layer 21 made of ZnMgO is formed, in addition to the above-described diethyl zinc gas, Cp ₂ Mg ((bis) cyclopentadienylmagnesium) is further mixed as a raw material for Mg and supplied into the chamber 31. . As a result, the barrier layer 21 made of ZnMgO grows from the upper end of the pedestal. At this time, by stopping the mixing of Cp ₂ Mg, a state in which only diethyl zinc gas is supplied to the chamber 31 is created, so that the quantum dot layer 22 made of ZnO grows.

このように上述した障壁層２１、量子ドット層２２を交互に２段以上形成させるためには、Ｍｇ用原料としてのＣｐ_２Ｍｇの供給し、又はこれを停止する動作を交互に繰り返し実行することにより実現することが可能となる。 In order to alternately form two or more stages of the barrier layer 21 and the quantum dot layer 22 as described above, the operation of supplying or stopping Cp ₂ Mg as a raw material for Mg is alternately performed repeatedly. Can be realized.

最後に量子ドット２２ａを形成させる際には、通常の量子ドット層２２よりも膜厚を大きくする観点から、ジエチル亜鉛ガスの供給時間を長めにコントロールすることになる。 Finally, when forming the quantum dots 22a, the supply time of the diethyl zinc gas is controlled to be longer from the viewpoint of making the film thickness larger than that of the normal quantum dot layer 22.

特に直径６ｎｍ以下までの極細のロッド体１２を形成させるためには、基板１１の温度をＲＦヒータ５１により調整する。図４は、この基板１３に対する制御温度を時系列的に示したものである。先ず、ＲＦヒータ５１により、基板１１を４５０℃±１０％まで昇温させる。そして、この４５０±１０％で約３５分程度保持する。その結果、図５に示すように、基板１１の表面からほぼ垂直方向に向けてＺｎＯからなる台柱３１が形成される。ちなみに、この保持時間は３５分に限定されるものではなく、形成すべき台柱３１の長さに応じて自在にコントロールするようにしてもよい。 In particular, the temperature of the substrate 11 is adjusted by the RF heater 51 in order to form an extremely fine rod body 12 having a diameter of 6 nm or less. FIG. 4 shows the control temperature for the substrate 13 in time series. First, the substrate 11 is heated to 450 ° C. ± 10% by the RF heater 51. And it hold | maintains about 35 minutes at this 450 +/- 10%. As a result, as shown in FIG. 5, a pedestal 31 made of ZnO is formed from the surface of the substrate 11 in a substantially vertical direction. Incidentally, this holding time is not limited to 35 minutes, and may be freely controlled according to the length of the column 31 to be formed.

次に図５に示すように、基板１３の温度を７５０℃±１０％まで昇温させる。そして、この基板１３を当該温度にて所定時間保持する。その結果、図５に示すように、台柱３１上端からＺｎＯからなる量子ドット層２２が成長することになる。ちなみに、この量子ドット層２２は、基板１１表面に対してほぼ垂直に成長し、直径２０ｎｍ以下となっている。この７５０℃でチャンバ３１内の温度を保持しつつ、上述したように、Ｃｐ_２Ｍｇの供給、停止を繰り返し実行することにより、ナノオーダからなる極細径のロッド体１２に量子井戸構造を形成させることが可能となる。 Next, as shown in FIG. 5, the temperature of the substrate 13 is raised to 750 ° C. ± 10%. And this board | substrate 13 is hold | maintained for the predetermined time at the said temperature. As a result, as shown in FIG. 5, the quantum dot layer 22 made of ZnO grows from the upper end of the pedestal 31. Incidentally, the quantum dot layer 22 grows substantially perpendicular to the surface of the substrate 11 and has a diameter of 20 nm or less. While maintaining the temperature in the chamber 31 at 750 ° C., as described above, by supplying and stopping Cp ₂ Mg repeatedly, a quantum well structure is formed in the nano-sized rod body 12 made of nano-order. Is possible.

このように、上述した光パルス発生素子１においては、台柱６１の上端から直径２０ｎｍ以下のロッド体１２を所望の長さに亘り形成させることが可能となる。しかもこの形成されたロッド体１２の長手方向は、何れも基板１１に対してほぼ垂直方向に揃えることが可能となり、ランダムに配向することが無くなると同時に直径の均一化も図れることから、発光および電界放出の指向性の向上や軸方向への均一な量子井戸幅をもつ量子構造を作製する際において特に有利となる。これに加えて、ロッド体１１を構成する量子ドット層２２の直径を２０ｎｍ以下まで細径化することにより、径方向への量子閉じ込め効果を発揮させることが可能となり、後述する本発明所期の効果を発揮させる上でより好適なものとなる。 Thus, in the optical pulse generating element 1 described above, the rod body 12 having a diameter of 20 nm or less from the upper end of the pedestal 61 can be formed over a desired length. In addition, the longitudinal direction of the formed rod body 12 can be aligned substantially perpendicularly to the substrate 11, and since it is not randomly oriented, the diameter can be made uniform. This is particularly advantageous in improving the directivity of field emission and producing a quantum structure having a uniform quantum well width in the axial direction. In addition to this, by reducing the diameter of the quantum dot layer 22 constituting the rod body 11 to 20 nm or less, it becomes possible to exert a quantum confinement effect in the radial direction. It becomes more suitable for exhibiting the effect.

次に、本発明を適用した光パルス発生素子１の動作について説明をする。図６は、ロッド体１１における量子井戸構造をポテンシャル図で表したものである。この例においては、量子ドット層２２を１０層で構成したものであり、それぞれ下方か上方に向けて順に量子ドット層２２＿１、２２＿２、・・・２２＿１０で表している。また、これら各量子ドット層２２の間には障壁層２１が介在し、励起子を量子ドット２２内において３次元的に閉じ込めるための障壁として作用することになる。また、最上位にある量子ドット２２＿１０の上側は、量子ドット２２ａが障壁層２１を介して形成されている。 Next, the operation of the optical pulse generator 1 to which the present invention is applied will be described. FIG. 6 is a potential diagram illustrating the quantum well structure in the rod body 11. In this example, the quantum dot layer 22 is composed of 10 layers, which are represented by quantum dot layers 22_1, 22_2,. In addition, a barrier layer 21 is interposed between the quantum dot layers 22 and acts as a barrier for confining excitons in the quantum dots 22 three-dimensionally. In addition, on the upper side of the uppermost quantum dot 22_10, the quantum dot 22a is formed via the barrier layer 21.

このような量子井戸構造からなるロッド体１１に対して、入力光を供給する。その結果、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０における各基底準位から励起準位へと励起子が励起されることになる。図６(a)における各量子ドット層２２＿１〜２２＿１０における丸印は、励起された励起子を意味するものである。 Input light is supplied to the rod body 11 having such a quantum well structure. As a result, excitons are excited from the ground levels to the excited levels in the quantum dot layers 22_1 to 22_10. The circles in the respective quantum dot layers 22_1 to 22_10 in FIG. 6A mean excited excitons.

このような各量子ドット層２２＿１〜２２＿１０においてそれぞれ励起子が励起されることにより、これらの量子ドット層２２＿１〜２２＿１０それぞれにおいて電気双極子モーメントが発生することになる。このとき、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０間において近接場光相互作用が働き、これに基づいて、量子ドット層２２＿１〜２２＿１０それぞれにおいて発生した電気双極子モーメントの向きが同一方向に配向することになる。 Excitons are excited in each of the quantum dot layers 22_1 to 22_10, and an electric dipole moment is generated in each of the quantum dot layers 22_1 to 22_10. At this time, the near-field light interaction works between the quantum dot layers 22_1 to 22_10, and based on this, the directions of the electric dipole moments generated in the quantum dot layers 22_1 to 22_10 are aligned in the same direction.

図６(b)は、各量子ドット２２＿１〜２２＿１０において発生した電気双極子モーメントをかかる近接場光相互作用に基づいて一方向に配向させた例を示している。このように各量子ドット２２＿１〜２２＿１０において発生した電気双極子モーメントを一方向に配向させるいわゆる電気双極子秩序化状態を作り出すことにより、以下に説明するような効果を奏する。 FIG. 6B shows an example in which the electric dipole moment generated in each of the quantum dots 22_1 to 22_10 is oriented in one direction based on the near-field light interaction. In this way, by creating a so-called electric dipole ordering state in which the electric dipole moment generated in each quantum dot 22_1 to 22_10 is oriented in one direction, the following effects can be obtained.

互いに隣接する量子ドット層２２間において、電気双極子モーメントが同符号になって振動することにより、単一の量子ドットのみの場合と比較して、かかる電気双極子モーメントの振動の振幅が大きくなる。このように大きな振幅で振動する電気双極子モーメントからは強い放射が起こることになる。即ち、隣接する量子ドット層２２間において電気双極子モーメントが合わさって大きな一つの電気双極子モーメントを発生させたのと同等の効果が生じることになる。その結果、量子ドットを１個のみで構成している場合と比較して、ｎ個の量子ドットで構成することにより、電気双極子モーメントの相乗効果が期待でき、その放射強度は、N²倍となる（n/2(n/2+1)より）。このため、量子ドット２２ａから発生される光パルスの強度を増強させることが可能となる。また、これに伴って発生すべき光パルス信号をフェムト秒オーダまで短くすることも可能となる。 Since the electric dipole moment vibrates with the same sign between the quantum dot layers 22 adjacent to each other, the amplitude of the vibration of the electric dipole moment increases as compared with the case of only a single quantum dot. . Thus, strong radiation occurs from the electric dipole moment that vibrates with a large amplitude. That is, an effect equivalent to that when the electric dipole moment is combined between the adjacent quantum dot layers 22 to generate one large electric dipole moment is produced. As a result, a synergistic effect of electric dipole moment can be expected by constructing with n quantum dots, compared with the case of comprising only one quantum dot, and its radiation intensity is N ² times (From n / 2 (n / 2 + 1)). For this reason, it is possible to increase the intensity of the light pulse generated from the quantum dots 22a. In addition, the optical pulse signal to be generated can be shortened to the femtosecond order.

このため、本発明を適用した光パルス発生素子１を用いることにより、光パルス幅を１００ｆｓ以下とすることもでき、磁場を印加しない光だけで光磁気記録が可能となる。しかも、本発明を適用した光パルス発生素子１は、ナノメータサイズのロッド体１２として構成されることから、ノート型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や携帯情報端末等に搭載することができ、光だけの磁気記録機能をこれらの各デバイスに担わせることも可能となる。また、本発明により、ノート型ＰＣを初めとした各種モバイル端末に対しても、光記録時における記録容量の拡大、記録速度の高速化を初めとした各種技術革新を促すことが可能となる。 For this reason, by using the optical pulse generating element 1 to which the present invention is applied, the optical pulse width can be set to 100 fs or less, and magneto-optical recording can be performed only with light without applying a magnetic field. Moreover, since the optical pulse generating element 1 to which the present invention is applied is configured as a nanometer-sized rod body 12, it can be mounted on a notebook personal computer (PC), a portable information terminal, etc. It is also possible to assign each of these devices a magnetic recording function. In addition, according to the present invention, it is possible to promote various technical innovations such as an increase in recording capacity and an increase in recording speed during optical recording for various mobile terminals such as notebook PCs.

なお、上述した障壁層２１は、３〜１０ｎｍの厚みで構成している場合について示した。これは障壁層２１が、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ｘは、０．１５〜０．３）であり、量子ドット層２２がＺｎＯである場合において、仮に障壁層２１が３ｎｍ未満では、量子ドット２２層中の励起子がトンネル効果により隣接する他の量子ドット層２２へと突き抜けてしまう。このようなトンネル効果により電流が流れることになればジュール熱が発生することにより、光パルス発生素子１自体の抵抗が上昇してしまい、光パルスの発生効率が低下してしまう。このため、障壁層２１の厚みの下限値を３ｎｍ以上としている。なお、トンネル効果の発生をより強固に防止する観点から、障壁層２１の厚みの下限値を５ｎｍ以上とすることが望ましい。即ち、障壁層２１は、５〜１０ｎｍの厚みで構成していることがより好ましいものといえる。 In addition, the case where the barrier layer 21 described above is formed with a thickness of 3 to 10 nm is shown. This is because when the barrier layer 21 is Zn _1-x Mg _x O (x is 0.15 to 0.3) and the quantum dot layer 22 is ZnO, if the barrier layer 21 is less than 3 nm, The excitons in the dot 22 layer penetrate to the other adjacent quantum dot layer 22 by the tunnel effect. If current flows due to such a tunnel effect, Joule heat is generated, thereby increasing the resistance of the optical pulse generating element 1 itself and decreasing the generation efficiency of the optical pulse. For this reason, the lower limit of the thickness of the barrier layer 21 is set to 3 nm or more. In addition, it is desirable that the lower limit value of the thickness of the barrier layer 21 is 5 nm or more from the viewpoint of more firmly preventing the tunnel effect. That is, it can be said that the barrier layer 21 is more preferably formed with a thickness of 5 to 10 nm.

また、仮に障壁層２１が１０ｎｍを超える場合には、隣接する量子ドット層２２間において働く近接場光相互作用が小さくなり、上述したような電気双極子モーメントの同一方向への配向性が低下してしまう。このため、障壁層２１の厚みの上限値を１０ｎｍ以下としている。 Further, if the barrier layer 21 exceeds 10 nm, the near-field light interaction acting between the adjacent quantum dot layers 22 is reduced, and the orientation of the electric dipole moment in the same direction as described above is reduced. End up. For this reason, the upper limit of the thickness of the barrier layer 21 is set to 10 nm or less.

また、上述した量子井戸構造を構成する上で、ＺｎＭｇＯ／ＺｎＯ系で構成する場合に限定されるものではなく、例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ系で構成するようにしてもよいことは勿論である。 Further, the configuration of the above-described quantum well structure is not limited to the case of being composed of a ZnMgO / ZnO system, and of course, for example, it may be composed of a GaN / InGaN system.

ロッド体１２における障壁層２１としてＺｎ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏを、また１０層からなる量子ドット層２２として、ＺｎＯを使用し、障壁層２１の厚みは６ｎｍ、量子ドット層２２の厚みは３．２ｎｍ、量子ドット２２ａの厚みは、３．８ｎｍ、更にロッド体１２の径は、８０ｎｍとした本発明例のサンプルを作製した。 Zn _0.8 Mg _0.2 O is used as the barrier layer 21 in the rod body 12, and ZnO is used as the quantum dot layer 22 composed of 10 layers. The barrier layer 21 has a thickness of 6 nm, and the quantum dot layer 22 has a thickness of A sample according to an example of the present invention was manufactured with a thickness of 3.2 nm, a quantum dot 22a thickness of 3.8 nm, and a rod body 12 diameter of 80 nm.

比較例として、ロッド体１２における障壁層２１としてＺｎ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏを、また１層からなる量子ドット層２２として、ＺｎＯを使用し、障壁層２１の厚みは６ｎｍ、量子ドット層２２の厚みは３．２ｎｍ、量子ドット２２ａの厚みは、３．８ｎｍ、更にロッド体１２の径は、８０ｎｍとしたサンプルを作製した。 As a comparative example, Zn _0.8 Mg _0.2 O is used as the barrier layer 21 in the rod body 12, and ZnO is used as the single quantum dot layer 22. The barrier layer 21 has a thickness of 6 nm, a quantum dot layer A sample was prepared in which the thickness of 22 was 3.2 nm, the thickness of the quantum dot 22a was 3.8 nm, and the diameter of the rod body 12 was 80 nm.

このような形状からなる本発明例、比較例に対して、それぞれ４．０２５ｅＶの光を４５°の角度で、２ｐｓ秒間に亘り照射した結果を図７に示す。 FIG. 7 shows the result of irradiating 4.025 eV light at an angle of 45 ° for 2 ps with respect to the inventive example and comparative example having such shapes.

本発明例は、比較例よりも発光強度が高くなり、また光パルスの幅が狭小化されているのが示されている。また、発光の時定数（強度が1/e²になるときの時間）は、本発明例が４００ｐｓであるのに対して、比較例は５５０ｐｓであった。このため、本発明例の方が光パルスの幅が狭小化されているのがデータとしても現れていることが分かった。 The example of the present invention shows that the emission intensity is higher than that of the comparative example, and the width of the light pulse is narrowed. In addition, the time constant of light emission (the time when the intensity reaches 1 / e ² ) was 400 ps in the example of the present invention, and 550 ps in the comparative example. For this reason, it was found that the example of the present invention appeared as data that the width of the optical pulse was narrowed.

本発明を適用した光パルス発生素子の構成図である。It is a block diagram of the optical pulse generation element to which this invention is applied. ロッド体の詳細な構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of a rod body. 本発明を適用した光パルス発生素子を作製するための結晶成長装置の概略図である。It is the schematic of the crystal growth apparatus for producing the optical pulse generation element to which this invention is applied. 基板に対する制御温度を時系列的に示した図である。It is the figure which showed the control temperature with respect to a board | substrate in time series. 基板の表面からほぼ垂直方向に向けてナノロッドを形成させる点について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the point which forms a nanorod toward the substantially perpendicular direction from the surface of a board | substrate. 本発明を適用した光パルス発生素子の動作について説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the optical pulse generation element to which this invention is applied. 本発明を適用した光パルス発生素子の実施例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the Example of the optical pulse generation element to which this invention is applied.

Explanation of symbols

１光パルス発生素子
１１基板
１２ロッド体
２１障壁層
２２量子ドット層
３結晶成長装置
３１チャンバ
３４ステージ
３６ポンプ
３７圧力センサ
３８バタフライバルブ
５１ＲＦヒータ
５３供給管
５４供給管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical pulse generation element 11 Board | substrate 12 Rod body 21 Barrier layer 22 Quantum dot layer 3 Crystal growth apparatus 31 Chamber 34 Stage 36 Pump 37 Pressure sensor 38 Butterfly valve 51 RF heater 53 Supply pipe 54 Supply pipe

Claims

It is composed of a rod in which a barrier layer and a quantum dot layer having a forbidden band width smaller than the barrier layer and capable of confining only a single exciton are alternately stacked in two or more stages,
The barrier layer has a thickness of 3 to 10 nm,
Excitons can be excited in each quantum dot layer based on the incident light, and the direction of the electric dipole moment generated in each quantum dot excited by the excitons is changed to near-field light interaction. Based on each other in the same direction,
An optical pulse generating element characterized by enhancing the intensity of pulsed light emitted from a multistage quantum dot layer on the basis of the arranged dipole moment and narrowing the pulse width.

The optical pulse generating element according to claim 1, wherein the uppermost quantum dot layer is configured to be thicker than other quantum dot layers.

The optical pulse generator according to claim 1 or 2, wherein the barrier layer has a thickness of 5 to 10 nm, and the quantum dot layer has a thickness of 1 to 10 nm.

The barrier layer is Zn _1-x Mg _x O (x is 0.15 to 0.3),
The optical pulse generating element according to claim 1, wherein the quantum dot layer is ZnO.

The barrier layer is GaN;
The quantum dot _{_{layer, In x Ga 1-x N}} (x is 0.1 to 0.5) optical pulse generator device according to any one of the preceding claims, characterized in that a.

The barrier layer is GaN or GaAs,
The optical pulse generating element according to any one of claims 1 to 3, wherein the quantum dot layer is InAs.