JP4872302B2 - Single photon generator - Google Patents
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Description
本発明は、量子暗号通信などに好適に用いられる単一光子発生装置に関するものである。 The present invention relates to a single photon generator that is suitably used for quantum cryptography communication and the like.
近年の情報通信やコンピュータ技術の発展はめざましく、その結果、通信情報の機密を保持するために、安全で確実な暗号通信を実現することが重要な課題となっている。 In recent years, the development of information communication and computer technology has been remarkable, and as a result, in order to maintain the confidentiality of communication information, it has become an important issue to realize secure and reliable encryption communication.
通常の通信チャンネルを用いた情報通信では、常に、通信が第三者によって盗聴される可能性がある。そこで、暗号通信では、二者の間で情報を通信する際に、送信者側が暗号化鍵を用いて情報を暗号化する。これによって、通信が第三者によって盗聴された場合でも、通信内容の安全性が保たれる。この場合、受信者側がその情報を解読するためには、暗号をもとの平文にもどす復号化鍵を保有している必要がある。従って、暗号通信の基本的な課題は、二者の間でいかにして暗号化鍵および復号化鍵を保有するかということである。 In information communication using a normal communication channel, there is a possibility that communication is always eavesdropped by a third party. Therefore, in encrypted communication, when information is communicated between two parties, the sender side encrypts the information using an encryption key. As a result, even when the communication is wiretapped by a third party, the safety of the communication content is maintained. In this case, in order for the receiver side to decrypt the information, it is necessary to have a decryption key for returning the cipher to the plaintext. Therefore, the basic problem of cryptographic communication is how to hold the encryption key and the decryption key between the two parties.
現在、インターネットで広く用いられている公開暗号鍵方式では、受信者は暗号化鍵を一般に公開し、復号化鍵を自分だけが保有する。そして、送信者側に暗号化鍵で暗号化した情報を送ってもらい、この暗号文を自分だけが保有する復号化鍵を用いて解読する。このように、受信者は、暗号化鍵と復号化鍵という2種類の鍵を使い分けることによって、不特定多数の送信者からの情報を安全に受け取ることができる。 Currently, in the public encryption key method widely used on the Internet, the recipient makes the encryption key public and the decryption key is held only by himself / herself. Then, the sender side sends the information encrypted with the encryption key, and decrypts the ciphertext using the decryption key held by itself. In this way, the receiver can safely receive information from an unspecified number of senders by properly using two types of keys, the encryption key and the decryption key.
この公開暗号鍵方式の安全性は、暗号化鍵から復号化鍵を推定することが困難であるという事実によって保証されている。例えば一般的に用いられているRSA暗号では、復号化鍵を求めるには暗号化鍵である巨大な整数を素因数分解する必要があり、現在のコンピュータの性能でこれを実行するには非現実的な莫大な時間を要する。このため、事実上、暗号解読が不可能であるとされている。しかしながら、並列計算を高速に実行できる量子コンピュータなどが登場すれば、上記の計算を実行するのに要する時間は飛躍的に短縮され、計算速度の限界に基づく安全性は脅かされる。また、公開暗号鍵方式では、第三者によるデータの改ざんなどを防ぐことも不可能である。 The security of this public encryption key method is ensured by the fact that it is difficult to estimate the decryption key from the encryption key. For example, in a commonly used RSA cipher, it is necessary to factorize a huge integer, which is an encryption key, in order to obtain a decryption key. Enormous amount of time. For this reason, it is virtually impossible to decrypt. However, if a quantum computer or the like capable of executing parallel calculation at high speed appears, the time required to execute the above calculation will be drastically reduced, and the safety based on the limit of the calculation speed is threatened. In addition, the public encryption key method cannot prevent a third party from falsifying data.
一方、通信する二者間で秘密の暗号鍵を共有し、この秘密鍵を一度の通信で使い捨てるワンタイムパッド法があり、この暗号方式は情報理論で無条件安全性が保証されている。ただし、この方式にはどのようにして秘密鍵を安全に共有するかという問題点がある。現在、この秘密鍵を配布する手段として、量子暗号通信が期待されている。なお、秘密鍵方式では暗号化鍵と復号化鍵は同じものであってよい。 On the other hand, there is a one-time pad method in which a secret encryption key is shared between two communicating parties, and this secret key is discarded in one communication, and this encryption method is guaranteed unconditional safety by information theory. However, this method has a problem of how to securely share a secret key. Currently, quantum cryptography communication is expected as a means for distributing this secret key. In the secret key method, the encryption key and the decryption key may be the same.
従来の光通信が情報の媒体として多数の光子の集合体を用い、その有無によって情報を表現するのに対し、量子暗号通信では1個の光子を媒体とし、その量子状態に1ビットの情報を割り当てる。例えば、量子暗号通信の代表的プロコトルの1つであるBB84プロトコルでは、光子の4つの量子状態(偏光角度が0度、90度、45度、および−45度の状態)を情報として用いる。 Whereas conventional optical communication uses a collection of many photons as an information medium and expresses information depending on the presence or absence thereof, quantum cryptography communication uses a single photon as a medium and 1-bit information in its quantum state. assign. For example, in the BB84 protocol, which is one of the representative protocols of quantum cryptography communication, four quantum states of photons (states with polarization angles of 0 degrees, 90 degrees, 45 degrees, and -45 degrees) are used as information.
1つの光子の量子状態に情報を付与した場合、各々の光子が保持する情報は量子力学の不確定性原理および観測理論に従うため、光子の状態に影響を与えることなしに情報を取り出すことができない。従って、通信チャンネル上で第三者が情報の盗聴などを行った場合、このような行為は直ちに通信を行っている二者によって検知される。 When information is given to the quantum state of one photon, the information held by each photon follows the uncertainty principle and observation theory of quantum mechanics, so information cannot be extracted without affecting the state of the photon. . Therefore, when a third party eavesdrops on information on the communication channel, such an action is immediately detected by the two parties that are communicating.
このように、量子暗号通信による秘密鍵配送方式では、二者間で共有される暗号鍵の安全性は、情報の担い手が単一光子である限り、計算速度の限界ではなく量子力学的原理に基づいて保証される。一方、このような量子暗号通信を実現するためには、単一光子からなる光パルスを繰り返し発生する、信頼性の高い単一光子発生装置が必要となる。 In this way, in the secret key distribution method based on quantum cryptography communication, the security of the encryption key shared between the two parties is not limited to the calculation speed but to the quantum mechanical principle as long as the information bearer is a single photon. Guaranteed on the basis. On the other hand, in order to realize such quantum cryptography communication, a highly reliable single photon generator that repeatedly generates an optical pulse composed of a single photon is required.
従来、擬似的な単一光子発生方法として、パルスレーザーからの多数の光子を含むパルス光をNDフィルタに通し、単一光子パルスになるまで光量を減衰させる方法が用いられている(Rev. Mod. Phys., vol. 74, 145 (2002)参照。)。 Conventionally, as a pseudo single photon generation method, a method is used in which pulse light including a large number of photons from a pulse laser is passed through an ND filter and the amount of light is attenuated until a single photon pulse is obtained (Rev. Mod). Phys., Vol. 74, 145 (2002)).
この場合、1つのレーザーパルス光に含まれる光子数にはパルスごとにばらつきがあり、NDフィルタによる減光の程度にも確率論的なばらつきがある。このため、レーザーパルス光に含まれる光子数が比較的多く、かつ、NDフィルタによる減光の効果が比較的小さい場合でも、減光後の光パルスに2個の光子が含まれる確率をゼロ近くに抑えようとすると、レーザーパルス光の減光を過剰気味に行わざるを得なくなる。この結果、減光後の光パルスに光子が無くなってしまう割合が、10回のパルスのうち9回にも達し、単一光子パルスの生成効率が低くなってしまう問題点がある。また、このように過剰に減光したとしても、減光後の光パルスに複数個の光子が含まれる確率を完全にゼロにすることは不可能であり、この方式には情報の安全性の点からも問題が残る。 In this case, the number of photons contained in one laser pulse light varies from pulse to pulse, and the degree of light attenuation by the ND filter also varies stochastically. For this reason, even when the number of photons contained in the laser pulse light is relatively large and the dimming effect by the ND filter is relatively small, the probability that two photons are contained in the light pulse after dimming is close to zero. If it is going to suppress to, it will be forced to carry out dimming of a laser pulse light excessively. As a result, the rate at which photons disappear in the light pulse after dimming reaches 9 out of 10 pulses, and there is a problem that the generation efficiency of a single photon pulse is lowered. Even if the light is excessively attenuated in this way, it is impossible to completely eliminate the probability that a plurality of photons are included in the light pulse after light attenuation. The problem remains from the point.
そこで、後述の特許文献1では、上記の方法とは異なり、量子ドット内での励起子の発光を利用することによって単一光子の発生を可能にする装置が提案されている。ここで、量子ドットとは下記のような性質を有する固体である。
Therefore, in
固体内で伝導帯を占める電子の系(以下、単に電子系と呼ぶことにする。)の運動方向の長さをド・ブロイ波長程度(数nm〜数十nm程度)に抑えると、電子系の振る舞いは、伝導帯電子がバルクサイズの固体内を動き回る電子系の振る舞いと大きく異なるようになり、その固体材料の電気的または光学的性質を変化させる。伝導帯電子の運動が小さな領域に制限されることに起因して発現する特別な現象を、量子サイズ効果と呼ぶ。量子サイズ効果を示す固体には、電子系の運動が1次元方向でだけ制限された量子井戸、電子系の運動が2次元方向で制限された量子細線、電子系の運動が3次元方向すべてで制限された量子ドットがある。 When the length of the movement direction of an electron system (hereinafter simply referred to as an electron system) occupying a conduction band in a solid is suppressed to about the de Broglie wavelength (several nm to several tens of nm), the electronic system Is significantly different from the behavior of an electronic system in which conduction band electrons move around in a bulk-sized solid, changing the electrical or optical properties of the solid material. A special phenomenon that occurs due to the movement of conduction band electrons restricted to a small region is called the quantum size effect. Solids that exhibit quantum size effects include quantum wells in which the movement of the electron system is restricted only in one dimension, quantum wires in which the movement of the electron system is restricted in two dimensions, and the movement of the electron system in all three dimensions. There are limited quantum dots.
半導体結晶からなる量子ドットは、例えば数百個から数千個の半導体原子が集まった、大きさ数nm〜数十nm程度の小さな固体である。バルクサイズの半導体結晶の電子系が、連続的なエネルギー準位からなるバンド構造を形成するのに対し、量子ドットの電子系は、離散的で不連続なエネルギー準位を形成する。しかも、これらのエネルギー準位は量子ドットのサイズの影響を受け、サイズが小さくなればなるほどエネルギー準位の高さは高くなり、価電子帯から伝導帯へ電子を励起するためのバンドギャップエネルギーは大きくなる。 A quantum dot made of a semiconductor crystal is a small solid having a size of several nanometers to several tens of nanometers, for example, from several hundred to several thousand semiconductor atoms. The electronic system of a bulk size semiconductor crystal forms a band structure composed of continuous energy levels, whereas the electronic system of quantum dots forms discrete and discontinuous energy levels. Moreover, these energy levels are affected by the size of the quantum dot, and the smaller the size, the higher the energy level, and the band gap energy for exciting electrons from the valence band to the conduction band is growing.
量子ドット中の原子が上記のバンドギャップエネルギーに等しいエネルギーをもつ光子を吸収すると、伝導電子とホールが生成する。この際、量子ドットでは伝導電子とホールとが非常に狭い空間に閉じこめられているので、伝導電子がホールに捕らえられて励起子(電子とホールの対)を形成する確率が高い。しかも、バルクサイズ結晶に比べて励起子の束縛エネルギーが大きいので、励起子の解離が起こりにくく、励起子の寿命が長い。また、バルクサイズ結晶に比べて励起子の振動子強度が大きいので、励起子を構成する電子とホールが再結合し、発光して価電子帯へ遷移する確率が大きくなる。以上の結果、量子ドットでは、バルクサイズの結晶に比べて、励起光強度に対する蛍光強度の比が非常に大きくなる。 When atoms in the quantum dot absorb photons with energy equal to the band gap energy, conduction electrons and holes are generated. At this time, since the conduction electrons and holes are confined in a very narrow space in the quantum dots, there is a high probability that the conduction electrons are trapped in the holes and form excitons (electron-hole pairs). In addition, since the exciton binding energy is larger than that of the bulk crystal, exciton dissociation hardly occurs and the exciton lifetime is long. In addition, since the excitonic oscillator strength is higher than that of the bulk size crystal, the probability that electrons and holes constituting the exciton are recombined to emit light and transition to the valence band is increased. As a result, in the quantum dots, the ratio of the fluorescence intensity to the excitation light intensity is very large as compared with the bulk-size crystal.
図8は、特許文献1に示されている単一光子発生装置100の構成を示す説明図(a)、および量子ドット103近傍の拡大断面図(b)である。
FIG. 8 is an explanatory diagram (a) showing the configuration of the
図8(a)に示すように、単一光子発生装置100では、n型のGaAs基板101の上に非ドープAlAsバリア層102が形成され、その上にInAs−GaSb系の量子ドット103が、Stranski−Krastanowモード成長法によって多数形成されている。図8(b)に示すように、量子ドット103はドット内で組成勾配を有しており、内側にInAsに富んだ層が2〜3分子層程度形成され、外側にGaSbに富んだ層が15分子層程度形成されている。量子ドット103の大きさは、直径が20〜50nm程度、高さが5〜10nm程度である。
As shown in FIG. 8A, in the
バリア層102および量子ドット103の上には、量子ドット103を埋め込むように厚さが約20〜30nmの非ドープAlAsバリア層104が形成されており、さらにバリア層104の上には厚さが約20nmのp型GaAsコンタクト層105が形成されている。さらに、コンタクト層105の上面およびGaAs基板101の下面には、それぞれ、上部電極106および下部電極107がオーミックに形成されている。そして、量子ドット103の1つ103Aに対応してその直上の上部電極106に光学窓106Aが開口されている。
On the
単一光子発生装置100で単一の光子が発生する仕組みは、次の通りである。
The mechanism by which a single photon is generated by the
初め、バイアス電源109のスイッチ109Aを開いておく。この状態で半導体レーザー108からバンドギャップに対応した波長の励起パルス光108Aを多数の量子ドット103に入射させ、各量子ドット103内に伝導電子とホールとを生成させる。量子ドット103はドット内に組成勾配を有しているので、電子はInAsに富んだ量子ドット103の下部に、ホールはGaSbに富んだ量子ドット103の上部に空間的に分離されて保持され、この状態で励起子を形成する。このような励起子は、電子とホールの波動関数の重なりが少ないため、長い再結合寿命が実現される。
First, the switch 109A of the bias power supply 109 is opened. In this state, the
次に、制御回路109Bによってスイッチ109Aを閉じ、バイアス電源109からの逆バイアス電圧を上部電極106と下部電極107との間に印加する。これによって量子ドット103の内部に電界が作用して、電子とホールの空間的分離が解除され、電子とホールが再結合して、各量子ドット103から光子が放出される。これらの光子のうち、光学窓106Aの直下の量子ドット103Aから放出された光子のみを光学窓106Aから取り出し、単一光子として出射させる。この際、下記のようにKH2PO4などの電気光学結晶を用いた高速光スイッチ素子からなる光学ゲート部材110を連動させ、単一光子の取り出しを確実にする。
Next, the switch 109A is closed by the control circuit 109B, and a reverse bias voltage from the bias power source 109 is applied between the upper electrode 106 and the lower electrode 107. As a result, an electric field acts on the inside of the
すなわち、励起パルス光108Aを用いた励起過程では、複数の電子およびホールが励起され、その結果、励起子分子が形成されるのが避けられない。しかし、これらの複数の電子およびホールは、空間的な分離の程度が上記の励起子に比べて小さいため、短時間、典型的には励起後数百ピコ秒以内に再結合し、発光して消滅する。従って、励起パルス光108Aによる励起の後、励起子分子の再結合寿命以上の時間、例えば1ナノ秒の時間が経過した後にスイッチ109Aを閉じるように構成すれば、励起子分子による発光と励起子による発光を、時間的に分離することができる。このとき、光学ゲート部材110のゲートをスイッチ109Aの開閉に連動させ、励起子分子による発光を光学ゲート部材110によって遮断し、励起子による発光のみが光学ゲート部材110を通過するようにする。 That is, in the excitation process using the excitation pulsed light 108A, it is inevitable that a plurality of electrons and holes are excited and, as a result, exciton molecules are formed. However, these multiple electrons and holes recombine and emit light in a short time, typically within a few hundred picoseconds after excitation, because the degree of spatial separation is small compared to the above excitons. Disappear. Therefore, if the switch 109A is closed after a time longer than the recombination lifetime of the exciton molecule, for example, 1 nanosecond, after the excitation with the excitation pulsed light 108A, the light emission and the exciton by the exciton molecule are closed. Can be separated temporally. At this time, the gate of the optical gate member 110 is interlocked with the opening and closing of the switch 109 </ b> A so that the light emission by the exciton molecule is blocked by the optical gate member 110, and only the light emission by the exciton passes through the optical gate member 110.
また、後述の特許文献2には、光励起された量子ドットからの発光を利用する別の単一光子発生装置が提案されている。 Further, Patent Document 2 described later proposes another single photon generator that uses light emission from photoexcited quantum dots.
図7に示した、特許文献1で提案されている単一光子発生装置では、Stranski-Krastanowモード成長法によって密集して形成された多数の量子ドット103が励起パルス光108Aによって区別なく励起され、多数の量子ドット103から光子が放出される。従って、1個の量子ドット103Aからの光子のみを取り出すために、上部電極106をマスクとして用い、選択用の光学窓106Aを設ける必要がある。光学窓106Aの径は、量子ドット103A以外の量子ドット103からの光子を通過させないために、むやみに大きくすることはできない。
In the single photon generator proposed in
一方、AlAsバリア層104およびGaAsコンタクト層105には、それぞれ、約20〜30nm程度および約20nm程度の厚さがあるので、量子ドット103Aと光学窓106Aとの距離をこれ以下に縮小することはできない。
On the other hand, since the AlAs
以上の結果、光学窓106Aが量子ドット103Aに対して張る立体角は全方位の数分の1から数十分の1程度になる。量子ドット103Aからの光子は全方位に向けて放出されるので、光学窓106Aから取り出される光子は量子ドット103Aから放出される全光子の数分の1から数十分の1程度にすぎない。従って、励起パルス光108Aごとに量子ドット103Aから1個の光子が放出されるとしても、実際に単一光子発生装置100から光子が取り出せるのは、数回から数十回の励起パルス光108Aにつき1回程度に減少する。
As a result, the solid angle spanned by the optical window 106A with respect to the quantum dot 103A is about one-tenth to a few tenths of all directions. Since the photons from the quantum dots 103A are emitted in all directions, the photons extracted from the optical window 106A are only about a fraction to a few tenths of all the photons emitted from the quantum dots 103A. Therefore, even if one photon is emitted from the quantum dot 103A for each excitation pulse light 108A, the photon can actually be extracted from the
また、量子ドット103の平面形状はほぼ円形で、結晶形状に異方性がないので、出射される光子の偏光方向を一定に制御することができず、必要な偏光方向の光子が発生した場合にのみ利用できるという偶然に依存しているため、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率が更に低くなるという問題がある。
In addition, since the planar shape of the
特許文献2で提案されている単一光子発生装置は、構成や動作が複雑すぎる。また、量子ドットから放出される光子のうち、単一光子パルスとして取り出せる光子の割合を推定できる情報は示されていないが、特許文献2の図1からその割合は小さく、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率は低いと推測される。 The single photon generator proposed in Patent Document 2 is too complicated in configuration and operation. In addition, information that can estimate the proportion of photons that can be extracted as a single photon pulse out of the photons emitted from the quantum dots is not shown, but the proportion is small from FIG. It is estimated that the generation efficiency of photon pulses is low.
本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、量子ドットから放出される光子を、実際に利用できる単一光子パルスとして取り出す効率の高い単一光子発生装置を提供することである。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a single photon generator with high efficiency for extracting photons emitted from quantum dots as single photon pulses that can actually be used.
即ち、本発明は、励起パルス光の入射に応じて単一光子を出射する単一光子発生装置であって、
発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出される、
単一光子発生装置に係わるものである。
That is, the present invention is a single photon generator that emits a single photon in response to the incidence of excitation pulsed light,
Quantum dots made of luminescent material are embedded in the optical waveguide,
The single photon is emitted from the quantum dot excited by the absorption of the excitation pulsed light, and the single photon is extracted through the optical waveguide.
It relates to a single photon generator.
情報を伝達する目的で用いられる光子は、一般に、光ファイバなどの光導波路を通じて伝送されることが多い。このようにすれば、光子発生装置とその光子を利用する情報処理装置との間、或いは情報処理装置同士の間で、損失を最小限に抑えながら、安全確実かつ簡易に光子を伝送することができる。 Photons used for the purpose of transmitting information are generally often transmitted through an optical waveguide such as an optical fiber. In this way, it is possible to safely and easily transmit photons safely and easily while minimizing loss between the photon generator and the information processing device that uses the photons, or between the information processing devices. it can.
本発明の単一光子発生装置は、励起パルス光の入射に応じて単一光子を出射する単一光子発生装置であるが、
発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出される
ように構成されている。
The single photon generator of the present invention is a single photon generator that emits a single photon in response to the incidence of excitation pulse light.
Quantum dots made of luminescent material are embedded in the optical waveguide,
The single photons are emitted from the quantum dots excited by the absorption of the excitation pulse light, and the single photons are extracted through the optical waveguide.
このため、単一光子の発生源である前記量子ドットと、その光子を伝送する前記光導波路との間に介在するものが何もなく、最短経路で、従って最高の効率で、前記量子ドットから放出された光子を、それを利用する情報処理装置などへ送り出すことができる。この結果、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率の高い単一光子発生装置を実現することができる。このような単一光子発生装置は、例えば量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。 For this reason, there is nothing intervening between the quantum dot that is the source of single photons and the optical waveguide that transmits the photons, and the shortest path, and therefore the highest efficiency, from the quantum dots. The emitted photons can be sent to an information processing device or the like that uses the photons. As a result, it is possible to realize a single photon generator with high generation efficiency of single photon pulses that can be actually used. Such a single photon generator is suitably used for quantum cryptography communication, for example, and can contribute to an improvement in the data transfer rate.
本発明において、前記発光材料が直接遷移型半導体材料であるのがよい。直接遷移型の半導体では、フォノンの関与なしに電子とホールの再結合による発光が起こるので、フォノンの関与が必要な間接遷移型の半導体に比べて、電子とホールの再結合による発光が起こる確率がはるかに大きい。 In the present invention, the light-emitting material may be a direct transition type semiconductor material. Direct transition semiconductors emit light by recombination of electrons and holes without phonon involvement, so the probability of light emission by recombination of electrons and holes is greater than indirect transition semiconductors that require phonon involvement. Is much bigger.
また、前記量子ドットが、励起子ボーア半径の4倍以下の大きさの結晶からなるのがよい。既述したように、前記量子ドットには、量子サイズ効果により電子とホールの再結合による発光が起こる遷移確率が高くなり、蛍光強度が大きくなる効果がある。このような閉じ込め効果は、前記量子ドットのサイズが励起子ボーア半径の4倍以下の場合に著しいといわれている。 The quantum dot may be made of a crystal having a size not more than four times the exciton Bohr radius. As described above, the quantum dots have the effect of increasing the transition probability that light emission is caused by recombination of electrons and holes due to the quantum size effect, and the fluorescence intensity is increased. Such a confinement effect is said to be remarkable when the size of the quantum dots is not more than four times the exciton Bohr radius.
また、前記量子ドットが、1つの主軸が他の2つの主軸よりも長い形状を有し、この長軸方向に偏光した直線偏光の光子を出射するのがよい。 The quantum dots preferably have a shape in which one principal axis is longer than the other two principal axes, and emit linearly polarized photons polarized in the major axis direction.
また、前記励起パルス光が、前記量子ドットに発生する励起子の寿命よりも短いパルス光であるのがよい。 The excitation pulse light may be pulse light that is shorter than the lifetime of excitons generated in the quantum dots.
また、前記励起パルス光及びその散乱光が前記単一光子に混入して取り出されるのを防止する手段を有するのがよい。 In addition, it is preferable to have means for preventing the excitation pulse light and its scattered light from being mixed and extracted into the single photon.
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に基づく単一光子発生装置10の構成を示す上面図(a)、および量子ドット1を拡大して示す、光導波路接合面2Cを光出射側から見た側面図(b)である。
FIG. 1 is a top view (a) showing a configuration of a single photon generation device 10 according to an embodiment of the present invention, and an optical waveguide
図1(a)に示すように、単一光子発生装置10では、量子ドット1が光導波路2Aおよび2Bからなる光導波路2の中に埋め込まれている。光導波路2は、量子ドット1から放出された単一光子8を透過させ励起パルス光7を反射するダイクロイックフィルター3を介して光導波路4と接続され、励起パルス光7を透過させ単一光子8を反射するダイクロイックフィルター5を介して光導波路6と接続されている。
As shown in FIG. 1A, in the single photon generator 10, the
量子ドット1は、例えばリン化インジウムなどの直接遷移型半導体のナノサイズの微結晶である。直接遷移型の半導体では、フォノンの関与なしに電子とホールの再結合による発光が起こるので、フォノンの関与が必要な間接遷移型の半導体に比べて、再結合による発光が起こる確率がはるかに大きい。
The
量子ドット1のサイズは、励起子ボーア半径aB *の4倍以下の大きさであるのが好ましい。このとき、量子サイズ効果により電子とホールの再結合による発光が起こる遷移確率が高くなり、蛍光強度が大きくなる効果が著しい。なお、励起子ボーア半径aB *は、下記の式で与えられる。
The size of the
また、図1(b)に示すように、量子ドット1の形状は、1つの主軸が他の2つの主軸よりも長い形状、例えば楕円体状あるいは円柱状であるのが好ましい。このようにすると、量子ドット1から長軸方向9に偏光した直線偏光の光子を放出させることができる。
As shown in FIG. 1B, the
光導波路2、4および6の材料は光透過性であればよく、特に限定されるものではないが、プラスチックおよび石英などの透明酸化物などがよい。 The material of the optical waveguides 2, 4, and 6 is not particularly limited as long as the material is light transmissive, but is preferably a transparent oxide such as plastic and quartz.
図2は、単一光子発生装置10において量子ドット1から単一光子8が放出される仕組みを説明するエネルギー図である。
FIG. 2 is an energy diagram illustrating a mechanism in which single photons 8 are emitted from
既述したように、量子ドット1内の伝導帯の電子は、量子サイズ効果によって離散化したエネルギー準位をとっている(図2(a))。パルスレーザーなどの励起光源から、価電子帯の最高エネルギー準位11と伝導帯の最低エネルギー準位12とのエネルギー差、すなわちバンドギャップエネルギーに対応する波長の励起パルス光7が量子ドット1に入射されると、図2(a)に示すように、1個の電子が励起パルス光7を吸収して価電子帯最高エネルギー準位11から伝導帯最低エネルギー準位12へ励起され、量子ドット1内に伝導電子とホールが生成する。例えば、量子ドット1がリン化インジウムからなり、サイズが5nmの微結晶である場合、励起パルス光7の波長は800nmである。
As described above, the electrons in the conduction band in the
図2(b)に示すように、1個目の電子が伝導帯最低エネルギー準位12にとどまっている間は、2個目の電子が励起されることはない。これは、2個目の電子が伝導帯最低エネルギー準位12に励起されると同じ軌道を2個の電子が占めることになり、電子同士の反発で伝導帯最低エネルギー準位12のエネルギーが上昇するため、2個目の電子を励起できる光の波長が励起パルス光7の波長から短波長側へずれる、すなわち励起パルス光7では2個目の電子を励起するには光子のエネルギーが不足するからである。
As shown in FIG. 2B, while the first electron remains at the conduction band
量子ドット1内では運動領域が制限されているため、図2(c)に示すように、伝導電子はバルクサイズの結晶に比べてすみやかにホールと結合して励起子を形成する。また、量子ドット1ではバルクサイズ結晶に比べて励起子の振動子強度が大きいので、図2(d)に示すように、励起子を構成する電子とホールがすみやかに再結合し、発光して価電子帯最高エネルギー準位11へ遷移し、励起子の発光による単一の光子8が量子ドット1から光導波路2へ放出される確率が高い。例えば、量子ドット1がリン化インジウムからなり、サイズが5nmの微結晶である場合、単一光子8の波長は850nmである。
Since the movement region is limited in the
この際、励起パルス光7のパルス幅(持続時間)を、伝導電子が励起子を形成するまでの時間に比して十分短くするのがよい。このようにすると、図2(b)に示したように励起パルス光7によって2個目の電子が励起されることがないので、量子ドット1からは1回の励起パルス光7につき単一の光子8のみが放出されることが保証される。図2(a)〜(d)に示した一連の工程はすみやかに行われるので、励起パルス光7として繰返し周波数の大きなパルス列を量子ドット1に入射させ、繰返し周波数の大きな単一光子8のパルス列を放出させることができる。
At this time, it is preferable that the pulse width (duration) of the
なお、図2(c)に示したように、伝導電子が励起子を形成した後は伝導帯最低エネルギー準位12が空になるので、再び励起パルス光7の吸収による価電子帯電子の励起が可能になる。従って、励起パルス光7のパルス幅が大きすぎて、図2(c)に示す状態になっても励起パルス光7が入射されると、2個目の電子が励起され、1回の励起パルス光7につき単一の光子8が放出されることが保証されなくなる。
As shown in FIG. 2C, after the conduction electrons form excitons, the conduction band
図1(a)に示したように、単一光子発生装置10では、量子ドット1は光導波路2Aおよび2Bからなる光導波路2に埋め込まれており、その光導波路2は単一光子8を透過させるダイクロイックフィルター3を介して光出射側の光導波路4に接続されている。従って、量子ドット1から光出射側に出射された単一光子8Aは、最短の経路で、損失を最小限に抑えながら、それを利用する情報処理装置などへ導かれる。また、量子ドット1から光出射側とは反対側に出射された単一光子8Bは、単一光子8を反射するダイクロイックフィルター5によって反射され、その後は単一光子8Aと同様、最短の経路で、損失を最小限に抑えながら、それを利用する情報処理装置などへ導かれる。この結果、単一光子発生装置10は、実際に利用できる単一光子8のパルス列を効率よく生成できる装置であり、例えば、量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。
As shown in FIG. 1A, in the single photon generator 10, the
なお、励起パルス光7は、ダイクロイックフィルター5は透過するが、ダイクロイックフィルター3で反射されるので、光導波路6の側に導かれ、光導波路4の側に導かれることはほとんどないので、光出射側には単一光子8のパルス列のみが導かれる。
The
図3は、単一光子発生装置10の製造工程の一部であり、量子ドット1を光導波路2Aおよび2Bの中に埋め込む工程を示すフロー図である。図3(a)〜(d)の各右側に上面図、各左側に上面図の右側方向から見た側面図を示している。
FIG. 3 is a flowchart showing a process of embedding the
まず、図3(a)に示すように、光導波路2Aを用意する。図3(a)には、光導波路2Aの断面形状が円形である例を示したが、その他、矩形や楕円形でもよい。
First, as shown in FIG. 3A, an
次に、図3(b)に示すように、光導波路2Aの光導波路2Bとの接合面2Cに、塗布などの方法で量子ドット1を1個〜数個固着させる。この具体的な方法は、図4を用いて後述する。
Next, as shown in FIG. 3B, one to several
次に、図3(c)に示すように、光導波路2Aの接合面2Cを被覆して、量子ドット1を埋め込むように光導波路2Bを形成し、量子ドット1が埋め込まれた光導波路2を完成する。
Next, as shown in FIG. 3C, the optical waveguide 2B is formed so as to embed the
次に、図3(d)に示すように、円柱状の光導波路2を中心軸のまわりに回転させ、単一光子の偏光方向が所定の方向を向くようにする。具体的には、励起光を照射して量子ドット1から放出される光子の偏光方向を測定しながら、光導波路2を回転させる方法などがある。また、図3(b)に示した工程で量子ドット1の顕微鏡観察を行った場合には、その際、長軸方向をマーキングしておき、そのマークに基づいて光導波路2を回転させれぼよい。
Next, as shown in FIG. 3D, the cylindrical optical waveguide 2 is rotated around the central axis so that the polarization direction of the single photon is directed to a predetermined direction. Specifically, there is a method of rotating the optical waveguide 2 while measuring the polarization direction of photons emitted from the
図4は、単一光子発生装置10の製造工程における量子ドットの配置方法を示す説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing a method of arranging quantum dots in the manufacturing process of the single photon generator 10.
図4(a)に示す方法では、量子ドット1を比較的高濃度で含む分散液を調製し、これを光導波路2Aの接合面2Cに塗布した後、溶媒を蒸発させて、量子ドット1を接合面2Cに固着させる。この結果、図4(a)の(1)に示した、比較的多数の量子ドット1が接合面2Cに固着した状態が形成される。この後、走査型プローブ顕微鏡技術を用いて不要な量子ドット1を取り去り、図4(a)の(2)に示すように、1個〜数個の量子ドット1が互いに十分離れた位置に1個ずつ残るようにする。
In the method shown in FIG. 4A, a dispersion containing a relatively high concentration of
複数個の量子ドット1を残した場合には、図4(a)の(2)に点線で示すように、励起パルス光7のビーム17の大きさと照射位置を調整し、同時に2個の量子ドット1を励起しないようにする。そして特性の最も優れた量子ドット1を選択して用いるようにする。
When a plurality of
ここでは一旦過剰個数の量子ドット1を配置した後、不要な量子ドット1を除くのに走査型プローブ顕微鏡技術を用いたが、走査型プローブ顕微鏡技術を用いて必要個数の量子ドット1を接合面2Cに固着させるようにしてもよい。これら2つの方法は、主として実行が容易である方の方法を選択すればよい。
Here, once the excessive number of
図4(b)に示す方法では、量子ドット1を比較的低濃度で含む分散液を調製し、これを光導波路2Aの接合面2Cに塗布した後、溶媒を蒸発させて、1個〜数個の量子ドット1を接合面2Cに固着させる。後は図4(a)の方法と同様に、励起パルス光7のビーム17の大きさと照射位置を調整し、同時に2個の量子ドット1を励起しないようにする。そして特性の最も優れた量子ドット1を選択して用いるようにする。
In the method shown in FIG. 4 (b), a dispersion liquid containing
上記の方法の代わりに、図示は省略したが、1回の塗布量の中に量子ドット1が1個含まれるかどうかという程度の希薄な分散液を調製し、適当な量子ドット1が接合面2Cに固着されるまで、分散液の塗布と溶媒の蒸発を繰り返し行う方法を用いてもよい。これらの方法は、分散液の塗布と溶媒の蒸発によって接合面2Cに固着された量子ドット1を選択して用いるだけであるので、走査型プローブ顕微鏡技術を用いる必要がなく、簡易である利点がある。
Instead of the above method, although not shown in the figure, a dilute dispersion liquid is prepared so as to determine whether or not one
図4(c)に示す方法は、図4(b)に示した方法の変形といえる方法である。図4(a)や(b)に示した方法では、光導波路2Aの接合面2Cに直接量子ドット1を配置するのに対し、図4(c)に示す方法では、適当な大きさの光導波路シート18の上の全面に量子ドット1を適当な濃度で含む分散液を塗布した後、溶媒を蒸発させて、量子ドット1を光導波路シート18の上に固着させる。次に、図4(b)に示した方法と同様に、励起パルス光7を実際に照射して得られる光子の特性から好適な量子ドット1を見つけ出す。そしてこの量子ドット1を含む光導波路シート18の一部19を切り分け、これを光導波路2Aの接合面2Cに接合する。
The method shown in FIG. 4C is a method that can be said to be a modification of the method shown in FIG. In the method shown in FIGS. 4A and 4B, the
図5は、本発明の実施の形態の変形例に基づく単一光子発生装置20の構成を示す上面図である。図1(a)に示した単一光子発生装置10では、励起パルス光7の入射方向と単一光子8の出射方向が同じである。これに対し、単一光子発生装置20は、励起パルス光7の入射方向が単一光子8の出射方向と直交するように配置され、それに合わせて、励起パルス光7を透過させ単一光子8を反射するダイクロイックフィルター5を配置する位置が変更され、光導波路6が省略されている。
FIG. 5 is a top view showing a configuration of single
この構造には、単一光子8に励起パルス光7が混入しにくいという利点がある。その他の点では単一光子発生装置10と同じであるので、単一光子発生装置20が上述した単一光子発生装置10の特徴と同じ特徴を有するのは言うまでもない。
This structure has an advantage that the
以下、本発明の実施例を挙げて、本発明に基づく単一光子発生装置をさらに具体的に説明し、単一光子発生装置としての性能を測定した結果を説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be given to describe the single photon generator according to the present invention more specifically, and the results of measuring the performance as a single photon generator will be described.
実施例1
参考文献1(J. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology, Nalwa, H. S., Ed.; Academic Press: San Diego, 2000; v. 1, p.427)に記載されている方法を用いて、リン化インジウムを構成材料とし、一辺5nmの結晶サイズを有し、発光波長850nmである量子ドットを作成した。
Example 1
Indium phosphide was prepared using the method described in Reference 1 (J. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology, Nalwa, HS, Ed .; Academic Press: San Diego, 2000; v. 1, p. 427). As a constituent material, a quantum dot having a crystal size of 5 nm on a side and an emission wavelength of 850 nm was prepared.
この量子ドットを、図1に示した単一光子発生装置10に組み込んだ。光導波路2、4および6は、石英からなる。励起用光源として、波長800nm、繰返し周波数80MHz、パルス幅2nsのモードロックチタン(Ti)ドープサファイアレーザーを用いた。 This quantum dot was incorporated in the single photon generator 10 shown in FIG. The optical waveguides 2, 4 and 6 are made of quartz. As an excitation light source, a mode-locked titanium (Ti) -doped sapphire laser having a wavelength of 800 nm, a repetition frequency of 80 MHz, and a pulse width of 2 ns was used.
図6は、本実施例で単一光子8のパルス列の測定に用いた、Hanbury Brown-Twiss 相関計測器を用いた単一光子実証システムである。このシステムでは、単一光子発生装置10から出射された単一光子8のパルス列は、ビームスプリッタ31で進路を2方向に分離され、各進路をたどった光子1個1個はそれぞれ光電子増倍菅32および33によって検出され、2つの光電子増倍菅32および33で電子を検出した時刻の相関がHanbury Brown-Twiss 相関計測器34によって計測される。
FIG. 6 shows a single photon demonstration system using a Hanbury Brown-Twiss correlation measuring instrument used for measuring the pulse train of the single photon 8 in this embodiment. In this system, the pulse train of the single photon 8 emitted from the single photon generator 10 is divided into two directions by the
もし、単一光子8のパルス列において、1つのパルス中に単一の光子8だけが出射されていれば、その光子はビームスプリッタ31を透過して光電子増倍菅32で検出されるか、または、ビームスプリッタ31で直交する方向に反射されて光電子増倍菅33で検出されるかのどちらかであり、光電子増倍菅32および33で同時に光子を検出することはない。一方、1つのパルス中に複数個の光子が出射されていれば、有限の確率で光電子増倍菅32および33で同時に光子を検出することが起こる。
If only a single photon 8 is emitted in one pulse in the pulse train of single photons 8, the photon passes through the
図6の単一光子実証システムを用いて、単一光子発生装置10から出射された単一光子8のパルス列の相関測定を行った結果は、図7と同様のグラフになる。図7は、単一光子発生装置から出射された単一光子のパルス列を、Hanbury Brown-Twiss相関計測器を用いて測定した例を示すグラフであり、グラフの横軸は、相関計測器の一方の光電子増倍菅で光子を観測した時刻を基準時刻(t=0)とした時刻であり、縦軸は、その基準時刻の前後の時刻において、他方の光電子増倍菅で光子を観測した頻度を示している。図7のグラフにおいて、t=0で光子の検出頻度がバックグラウンドレベルであることは、一方の光電子増倍菅で光子を観測した時刻には他方の光電子増倍菅では光子を観測していないこと、すなわち、2つの光電子増倍菅で同時に光子が観測されることはなく、パルス列の中に複数個の光子を含むパルスが存在しなかったことを示している。 The result of correlation measurement of the pulse train of the single photon 8 emitted from the single photon generator 10 using the single photon demonstration system of FIG. 6 is the same graph as FIG. FIG. 7 is a graph showing an example in which a pulse train of single photons emitted from a single photon generator is measured using a Hanbury Brown-Twiss correlation measuring instrument. The horizontal axis of the graph indicates one of the correlation measuring instruments. Is the time when the photon is observed at the photomultiplier of the reference time (t = 0), and the vertical axis indicates the frequency at which the photon is observed at the other photomultiplier at the time before and after the reference time. Is shown. In the graph of FIG. 7, the detection frequency of photons at the background level at t = 0 indicates that no photon is observed in the other photomultiplier at the time when the photon is observed in one photomultiplier. That is, no photons are observed simultaneously by two photomultipliers, indicating that no pulse containing a plurality of photons was present in the pulse train.
実施例2
参考文献2(Nano-Letters, vol.3, no.6, p.833−837, June 2003)に記載されている方法を用いて、リン化インジウムを構成材料とし、長軸20nm、短軸3nmの結晶サイズを有し、発光波長850nmである量子ドットを作成した。
Example 2
Using the method described in Reference 2 (Nano-Letters, vol.3, no.6, p.833-837, June 2003), indium phosphide is used as a constituent material, and the major axis is 20 nm and the minor axis is 3 nm. Quantum dots having an emission wavelength of 850 nm were prepared.
この量子ドットを、実施例1と同様に、図1に示した単一光子発生装置10に組み込んだ。この際、所定の方向に長軸が配向するように実装した。 This quantum dot was incorporated into the single photon generator 10 shown in FIG. At this time, it was mounted so that the major axis was oriented in a predetermined direction.
実施例1と同様な構成で測定を行ったところ、量子ドットの長軸の向きに偏光した単一光子列が観測された。 When the measurement was performed with the same configuration as in Example 1, a single photon array polarized in the direction of the long axis of the quantum dots was observed.
以上に説明したように、本発明の実施の形態及び実施例に基づけば、高い周波数で所望の偏光角度を有する単一光子のパルス列を生成するデバイスを実現することができる。従来、量子暗号通信にはデータ転送レートを高くすることができないという問題があったが、本発明による単一光子発生装置を用いれば、原理的に盗聴不能で、しかもデータ転送速度の速い量子暗号通信を実現することができる。 As described above, based on the embodiments and examples of the present invention, it is possible to realize a device that generates a single photon pulse train having a desired polarization angle at a high frequency. Conventionally, quantum cryptography communication has a problem that the data transfer rate cannot be increased. However, if the single-photon generator according to the present invention is used, quantum cryptography that cannot be eavesdropped in principle and has a high data transfer rate. Communication can be realized.
以上、本発明を実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment and an Example, this invention is not limited to these examples at all, and it cannot be overemphasized that it can change suitably in the range which does not deviate from the main point of invention. .
本発明の単一光子発生装置は、単一光子のパルス列を効率よく生成でき、かつ、そのパルス列を利用する情報処理装置などへパルス列を損失少なく送り出すことができる装置であり、例えば、量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。 The single photon generation device of the present invention is a device that can efficiently generate a pulse train of single photons and can send the pulse train to an information processing device that uses the pulse train with little loss. And can contribute to the improvement of the data transfer speed.
1…量子ドット、2、2A、2B…光導波路、2C…光導波路2Aと2Bの接合面、
3、5…ダイクロイックフィルター、4、6…光導波路、
7…励起パルス光(例えば、波長 800nm)、
8、8A、8B…単一光子(例えば、波長 850nm)、
9…長軸方向(単一光子の偏光方向)、10…単一光子発生装置、
11…価電子帯の最高エネルギー準位、12…伝導帯の最低エネルギー準位、
13…励起子のエネルギー準位、17…励起パルス光ビーム、18…光導波路シート、
19…切り分けて光導波路2Aに接合する光導波路シート、20…単一光子発生装置、
31…ビームスプリッタ、32、33…光電子増倍菅、
34…Hanbury Brown-Twiss 相関計測器、100…単一光子発生装置、
101…GaAs基板(n型)、102…非ドープAlAsバリア層、
103…量子ドット(InAs−GaSb)、103A…光学窓直下の量子ドット、
104…非ドープAlAsバリア層、105…GaAsコンタクト層(p型)、
106…上部電極、106A…光学窓、107…下部電極、108…半導体レーザー、
108A…励起パルス光、109…バイアス電源、109A…スイッチ、
109B…制御回路、110…光学ゲート部材
DESCRIPTION OF
3, 5 ... Dichroic filter, 4, 6 ... Optical waveguide,
7: Excitation pulse light (for example, wavelength 800 nm),
8, 8A, 8B ... single photons (eg, wavelength 850 nm),
9 ... Long axis direction (polarization direction of a single photon), 10 ... Single photon generator,
11 ... highest energy level of valence band, 12 ... lowest energy level of conduction band,
13 ... exciton energy level, 17 ... excitation pulsed light beam, 18 ... optical waveguide sheet,
19 ... Optical waveguide sheet cut and joined to the
31 ... Beam splitter, 32, 33 ... Photomultiplier,
34 ... Hanbury Brown-Twiss correlation instrument, 100 ... single photon generator,
101 ... GaAs substrate (n-type), 102 ... undoped AlAs barrier layer,
103 ... Quantum dots (InAs-GaSb), 103A ... Quantum dots directly under the optical window,
104 ... undoped AlAs barrier layer, 105 ... GaAs contact layer (p-type),
106 ... Upper electrode, 106A ... Optical window, 107 ... Lower electrode, 108 ... Semiconductor laser,
108A ... excitation pulse light, 109 ... bias power supply, 109A ... switch,
109B ... Control circuit, 110 ... Optical gate member
Claims (5)
発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出され、
前記量子ドットが、1つの主軸が他の2つの主軸よりも長い形状を有し、この長軸方 向に偏光した直線偏光の光子を出射する、
単一光子発生装置。 A single photon generator that emits a single photon in response to the incidence of excitation pulsed light,
Quantum dots made of luminescent material are embedded in the optical waveguide,
The single photons are emitted from the quantum dots excited by the absorption of the excitation pulse light, and the single photons are extracted through the optical waveguide.
The quantum dots, one of the spindle has a longer shape than the other two principal axes, emits photons of linearly polarized light polarized in the long axis Direction,
Single photon generator.
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