JP5165316B2

JP5165316B2 - ナノフォトニックデバイス

Info

Publication number: JP5165316B2
Application number: JP2007245939A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 忠川添
Original assignee: 一般財団法人光産業技術振興協会
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP2009075462A

Description

本発明は、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フォトニックデバイスに関する。

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、光励起担体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。この光励起担体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。

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演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等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、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、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。

このため、特許文献１においては、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積演算を始めとした演算処理等を行うことができる演算回路が提案されている。
特開２００６−２１５４８４号公報 M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,andT.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.,Vol.8,pp.839-862(2002).

しかしながら、上述した特許文献１において、量子ドットからの出力光の光強度は、実際にこれを精度よく検出する観点からは、未だ低いといわざるを得ない。量子ドット自体の体積が小さいことがその最大の理由である。また、量子ドットからの出力光の光強度が小さいことにより、振動子強度自体が小さくなり、ひいては発光寿命が遅くなってしまう。この発光寿命が遅延するということは、即ち、発光の周期が長くなることから発光の機会そのものが制限されることに相当する。発光の機会が制限されれば、これを使用したナノフォトニックデバイスの感度を向上させることができなくなってしまう。

このため、従来から、この量子ドットの発光寿命を早くすることにより、単位時間当たりの発光回数を増加させることが懸案となっていた。

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、複数の量子ドット間で光励起担体を送受することにより動作するナノフォトニックデバイスにおいて、特に出力光の発光強度を増加させるとともに、発光寿命の遅延を防止することが可能なナノフォトニックデバイスを提供することにある。

本発明を適用したナノフォトニックデバイスは、互いに同一の共鳴エネルギー準位を有する制御用の量子ドット並びに出力用の量子ドットと、出力用の量子ドットから３０ｎｍ以下の近接場領域に配置され、直径１００ｎｍ以下の１の金属微粒子から構成される出力端子とを備え、上記制御用の量子ドットは、供給された光励起担体を上記共鳴エネルギー準位を介して上記出力用の量子ドットへ注入し、制御光が供給された場合には、これに基づいて上記共鳴エネルギー準位よりも下位準位へ光励起担体を励起させることにより、上記出力用の量子ドットへ注入すべき光励起担体の量を増加させ、上記出力用の量子ドットは、上記制御用の量子ドットから注入された光励起担体を上記共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させたエネルギーを更に上記金属微粒子へ放出させ、当該放出に基づいて出力光を生成することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明において、出力用の量子ドットからの光励起担体を、金属のナノ構造体としての出力端子へと集積させる過程においてこれを発光することが可能となる。出力用の量子ドットと出力端子とが近接場光で結合することにより、発光の寿命の短縮が期待される。そして、この緩和時間の短縮化を図ることができれば、発光信号強度の増大をも図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。

先ず、本発明を適用したナノフォトニックデバイス用の出力端子、並びにこれを利用したナノフォトニックデバイスの構成について図１を用いて説明をする。

ナノフォトニックデバイス２０は、複数の量子ドット間で光励起担体を送受することにより動作するデバイスであればいかなる構成を適用するようにしてもよいが、以下の説明においては特許文献１に示した積演算を始めとした演算処理を行う場合を例にとり説明する。

図１に示すように、光信号がそれぞれ供給される第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３と、これらの近傍に形成された第３の量子ドット１４と、第３の量子ドット１４の近傍において配置された出力端子１とからなるナノフォトニックデバイス２０を基板上に形成させたデバイスとして具体化されている。

この量子ドット１２〜１４は、互いに周波数の異なる複数の光信号を多重化させた伝搬光が供給されるものであり、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の材料により構成される誘電性の基板１１と、この基板１１上に形成された量子ドット１２,１３,１４からなるナノフォトニックデバイス２０とを備えている。

ナノフォトニックデバイス２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４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。この量子ドット１２,１３,１４においては、励起子の閉じ込め系により、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、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。なお、この量子ドット１２,１３,１４において扱う励起子は、電子、正孔等のいかなる光励起担体に代替することが可能となる。

ナノフォトニックデバイス２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット１２,１３,１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２,１３,１４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。この各量子ドット１２,１３,１４の辺長や径は、それぞれ４ｎｍ〜１０ｎｍ程度で構成することも可能となり、光の波長λと比較してより小さいサイズで基板１１上に形成させることも可能となる。

このナノフォトニックデバイス２０は、基板１１上において複数グループに亘り離散的に複製されてなる。このナノフォトニックデバイス２０が形成された基板１１上には、光ファイバ等で伝送可能な遠視野光としての伝搬光がそのまま供給されてくる。このため、かかる伝搬光に多重化された各光信号は、そのままナノフォトニックデバイス２０を構成する各量子ドット１２,１３,１４へと供給されることになる。

出力端子１は、金属微粒子として構成される。出力端子１を構成する材料としては、Ａｕ（他の材料系があればご教示願います。）等で構成されている。この出力端子１は、上記量子ドット１２〜１４のうち、光励起担体を出力する量子ドット（以下の例でいうところの第３の量子ドット１４）から３０ｎｍ以下の近接場領域に配置される。この出力端子１は、直径５０ｎｍ以下となるようにサイズが調整されている。

ナノフォトニックデバイス２０を構成する量子ドット１２,１３,１４がそれぞれ立方体として構成されている場合において、第１の量子ドット１２と、第２の量子ドット１３と、第３の量子ドット１４との辺長比は、上述の如く１：２：√２であるとき、仮に周波数ω１の光信号Ａを供給することにより、図２に示す第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ光励起担体を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に存在する光励起担体が、第３の量子ドット１４の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらに第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ遷移する。この結果、見かけ上第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４へ光励起担体が移動することになる。また、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）と第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）との間で共鳴が生じる。その結果、見かけ上第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ光励起担体が移動することになる。

これに対して、周波数ω２の光信号Ｂを供給した場合には、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）のみに対して光励起担体が励起される。換言すれば、かかる光信号Ｂを受けたときには、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）のみ光励起担体が埋められることになる。かかる場合には、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に存在する光励起担体が、第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）に移動しても、第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）に移動することはできない。

ここで周波数ω１の光信号Ａと周波数ω２の光信号Ｂがともに伝搬光に多重化されている場合には、かかる周波数ω１からなる光信号Ａを受けて第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ光励起担体が励起されるとともに、周波数ω２からなる光信号Ｂを受けて第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ光励起担体が励起される。

その結果、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ励起された光励起担体は、第３の量子ドット１４における量子準位（２,１,１）へ移動し、さらにこの第３の量子ドット１４における量子準位（１,１,１）に移動した後、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）と第２の量子ドット１３の（２,１,１）の間の近接場−近接場相互作用により第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）に移動することは可能である。しかしながら、第２の量子ドット１３では、光信号Ｂに基づいて励起された光励起担体が既に量子準位（１,１,１）において埋められているため、かかる第３の量子ドット１４から第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）へ移動した光励起担体は、その下位準位としての量子準位（１,１,１）への緩和ができない。このため、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ移動してきた光励起担体は、第３の量子ドットの量子準位（１,１,１）より出力光として発光する確率がより高くなる。

同様に、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動した光励起担体は、かかる第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ緩和することになるが、さらに下位にある量子準位（１,１,１）は光信号Ｂに基づく光励起担体で既に埋められているため、当該量子準位へ緩和されることはない。しかしながら、第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）と第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）は共鳴準位であることから、第２の量子ドット（２,１,１）の光励起担体は、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）に移動し、かかる準位より出力光として発光することになる。

即ち、この第３の量子ドット１４からの出力光の光強度は、第３の量子ドット１４における下位準位への光励起担体の放出量に応じたものであり、かかる光励起担体の放出量は第１の量子ドット１２から伝送される光励起担体の量に支配される。即ち、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３の双方に光信号Ａ,Ｂがそれぞれ供給された場合には、第１の量子ドット１２から第３の量子ドット１４へ伝送される光励起担体の多くをこの第３の量子ドット１４から放出させることができ、さらにこの第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ伝送される光励起担体の多くを第３の量子ドット１４へ移動させて放出させることも可能となる。その結果、かかる第３の量子ドット１４からの光励起担体の放出に基づく、出力光の光強度は大きくなる。

なお、本発明では、この第３の量子ドット１４から出力光を直接的に発光させるのではなく、図２に示すように第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）に移動した光励起担体によるエネルギーを更に出力端子１へ放出させ、当該放出に基づいて出力光を生成する。

具体的には、図２に示すように、第３の量子ドット１４の量子準位（１,１,１）に移動した光励起担体は、出力端子１におけるエネルギーバンドへと移動することになる。この移動に伴い発光が生じる。この発光の理由としては、金属のナノ構造体としての出力端子１は、光励起担体との結合により電子系の励起状態を光に変換することができるためである。

なお、この出力端子１が１００ｎｍを超えると、量子ドット１４からの光励起担体をこの出力端子１としての金属微粒子自身が吸収してこれを熱に変換してしまい、出力光として放出されなくなる。このため、出力端子１の直径は、１００ｎｍ以下とされていることが条件となり、より望ましくは５０ｎｍ以下とされていれば、光励起担体の吸収より低いレベルで抑えることが可能となり、出力端子１により熱に変換されることなく、光として放出されることになる。

このような構成からなる本発明では、量子ドット１４と出力端子１とが近接場光で結合することにより、発光の寿命の短縮が期待される。そして、この緩和時間の短縮化を図ることができれば、発光信号強度の増大をも図ることが可能となる。

本発明を適用したナノフォトニックデバイスの構成図である。本発明を適用したナノフォトニックデバイスの動作例について説明するための図である。

符号の説明

１出力端子
１１基板
１２,１３,１４量子ドット
２０ナノフォトニックデバイス

Claims

互いに同一の共鳴エネルギー準位を有する制御用の量子ドット並びに出力用の量子ドットと、出力用の量子ドットから３０ｎｍ以下の近接場領域に配置され、直径１００ｎｍ以下の１の金属微粒子から構成される出力端子とを備え、
上記制御用の量子ドットは、供給された光励起担体を上記共鳴エネルギー準位を介して上記出力用の量子ドットへ注入し、制御光が供給された場合には、これに基づいて上記共鳴エネルギー準位よりも下位準位へ光励起担体を励起させることにより、上記出力用の量子ドットへ注入すべき光励起担体の量を増加させ、
上記出力用の量子ドットは、上記制御用の量子ドットから注入された光励起担体を上記共鳴エネルギー準位から下位準位へ遷移させたエネルギーを更に上記金属微粒子へ放出させ、当該放出に基づいて出力光を、上記光励起担体を上記金属微粒子と結合させることで生成すること
を特徴とするナノフォトニックデバイス。
上記金属微粒子は、直径１００ｎｍ以下のＡｕからなること
を特徴とする請求項１記載のナノフォトニックデバイス。