JP5340684B2 - Photon generator and method - Google Patents

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Description

本発明は、量子暗号などに利用される光子発生器に関する。より詳細には、励起子の再結合を利用した狭スペクトルで、発光位置および発光パターンを自由に制御できる光子発生器に関する。   The present invention relates to a photon generator used for quantum cryptography and the like. More specifically, the present invention relates to a photon generator that can freely control the emission position and emission pattern in a narrow spectrum using exciton recombination.

近年のインターネット技術の発展とともに、ネットワーク上でやりとりされる商取引や個人情報の安全性が求められ、データ伝送におけるセキュリティに対する要請が高まっている。これに応える技術として、量子暗号が着目されている。量子暗号技術を使った量子暗号システムの実現のために多くの実験も始まっており、より高速で長距離の暗号通信によるデータ伝送の可能性も精力的に検討されている。   With the recent development of Internet technology, the safety of commercial transactions and personal information exchanged over a network is required, and the demand for security in data transmission is increasing. Quantum cryptography has attracted attention as a technology that meets this demand. Many experiments have been started to realize a quantum cryptography system using quantum cryptography, and the possibility of data transmission by high-speed and long-distance cryptocommunication has been studied energetically.

量子暗号システムを支える重要な構成要素技術の1つに、光子発生器がある。理想的な量子暗号通信の実現には、1つのパルスに含まれる光子を1個に制限できる単一光子発生器が必須となる。複数光子の生成確率を下げるものとして、ターンスタイル素子、量子ドットなどが検討されている。   One important component technology that supports quantum cryptography systems is the photon generator. In order to realize ideal quantum cryptography communication, a single photon generator that can limit the number of photons contained in one pulse to one is essential. In order to reduce the generation probability of multiple photons, turn-style elements, quantum dots, and the like have been studied.

従来、例えば非特許文献1に開示されているように、光子発生器としてマトリックス状に配置されたLEDやLDの要素素子が用いられてきた。これら要素素子は、電子−正孔対の再結合による発光を利用していた。上述の光子発生器では、単一光子を発生させるための制御は、LEDやLDの駆動電流などの注入量を下げることによって行っていた。この方法では、注入量を下げて電子―正孔対から光子を発生させるとき、光の強度を弱くすることによって光子の量子力学的な確率分布を低くして単一光子を実現しているため、その発生時刻はきわめて不確定となってしまう。結果として、単一光子を、希望する時間および位置において発生させることは困難であった。すなわち、光子発生器から任意の時刻において、また任意の空間的な位置もしくは空間パターンによって光子を発生させるように安定な制御をすることは困難であった。   Conventionally, as disclosed in Non-Patent Document 1, for example, LED or LD element elements arranged in a matrix have been used as a photon generator. These element devices utilize light emission by electron-hole pair recombination. In the above-described photon generator, control for generating a single photon is performed by lowering the injection amount of LED and LD drive currents. In this method, when generating a photon from an electron-hole pair by reducing the injection amount, a single photon is realized by lowering the quantum mechanical probability distribution of the photon by reducing the intensity of the light. The time of occurrence will be extremely indeterminate. As a result, it has been difficult to generate single photons at the desired time and position. That is, it has been difficult to perform stable control so that photons are generated from a photon generator at an arbitrary time and by an arbitrary spatial position or spatial pattern.

また、より高速の量子暗号システムを支えるために、高いビットレートの時系列の光子列を発生させることも困難であった。   In addition, in order to support a higher-speed quantum cryptography system, it was difficult to generate a time-series photon sequence having a high bit rate.

“A single-photon turnstile device”, J. Kim, O. Benson, H. Kan and Y. Yamamoto, Nature vol. 397, p.500-503 (1999)“A single-photon turnstile device”, J. Kim, O. Benson, H. Kan and Y. Yamamoto, Nature vol. 397, p.500-503 (1999)

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、単一光子の発生を時間的および空間的に安定して制御できる光子発生方法を実現し、単一光子を任意の時刻、任意場所または任意空間パターンで発生させることのできる光子発生装置を実現することにある。さらに、より高速な時間軸上の光子列を発生させることのできる光子発生装置を実現することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to realize a photon generation method capable of stably controlling generation of a single photon temporally and spatially. An object of the present invention is to realize a photon generator capable of generating an arbitrary time, an arbitrary place, or an arbitrary space pattern. Another object of the present invention is to realize a photon generator capable of generating a photon train on a time axis at higher speed.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は励起子を発生させる励起子発生部と、誘電率を変化させることによって、前記励起子発生部において発生させた励起子を束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から、前記障壁領域の誘電率を小さくすることによって前記励起子再結合させて、光子を発生させる励起子制御部とを備え、前記複数の障壁領域は、前記複数の障壁領域を除いた周辺領域と異なるエネルギーギャップを有する材料によって構成され、隣接する障壁領域に対して、順次、前記障壁領域の誘電率を周辺領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって前記励起子制御部の所定の位置に励起子を空間移動させることを特徴とする光子発生装置である。 In order to achieve the above object, the present invention provides an exciton generation unit that generates excitons and a generation of the exciton generation unit by changing a dielectric constant. was able bind the exciton has a plurality of barrier regions, from the barrier region at a predetermined position, the by recombining said exciton by reducing the dielectric constant of the barrier region, excitons controlled to generate a photon The plurality of barrier regions are made of a material having an energy gap different from that of the peripheral region excluding the plurality of barrier regions, and the dielectric constants of the barrier regions are sequentially increased with respect to adjacent barrier regions. The photon generator is characterized in that the exciton is spatially moved to a predetermined position of the exciton control unit by changing relative to the dielectric constant of the peripheral region .

請求項に記載の発明は、励起子を発生させる励起子発生部と、誘電率を変化させることによって、前記励起子発生部において発生させた励起子を束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から、前記障壁領域の誘電率を小さくすることによって前記励起子を再結合させて、光子を発生させる励起子制御部とを備え、前記励起子制御部は、格子状に配置された前記複数の障壁領域と、前記障壁領域とは異なる誘電率を持つ井戸領域とを有し、前記障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって所定の位置の障壁領域に励起子を空間移動させ、所定の時間に前記励起子の再結合によって光子を発生させることを特徴とする光子発生装置であるThe invention according to claim 2 includes an exciton generation unit that generates excitons, and a plurality of barrier regions that can bind excitons generated in the exciton generation unit by changing a dielectric constant, An exciton control unit that recombines the excitons by reducing the dielectric constant of the barrier region from a predetermined position to generate photons, and the exciton control unit has a lattice shape A plurality of barrier regions disposed in a well region and a well region having a dielectric constant different from that of the barrier region, and the dielectric constant of the barrier region is changed relative to the dielectric constant of the well region. The photon generator is characterized in that the exciton is spatially moved to a barrier region at a predetermined position by the above and photons are generated by recombination of the excitons at a predetermined time.

請求項に記載の発明は、請求項またはの光子発生装置であって、前記励起子発生部において発生させた複数の励起子を、所定の空間パターンを形成する前記複数の障壁領域に空間移動させ、前記所定の空間パターンで複数の光子を発生させることを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the photon generation device according to the first or second aspect , wherein a plurality of excitons generated in the exciton generation unit are applied to the plurality of barrier regions forming a predetermined spatial pattern. A plurality of photons are generated in a predetermined spatial pattern by moving in space.

請求項に記載の発明は、請求項1乃至いずれかの光子発生装置であって、前記励起子制御部は、各々が膜状に形成され複数の障壁領域を含む複数の励起子制御層が積層された多層構造を有し、前記複数の励起子制御層内の前記複数の各障壁領域は、膜形成面内において同位置に配置されており、所定の前記障壁領域位置にある各励起子制御層に渡って複数の障壁領域の誘電率を制御して、所定時系列パターンで光子列を発生させることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the photon generating device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the exciton control unit is formed in a film shape and includes a plurality of exciton control layers each including a plurality of barrier regions. Each of the plurality of barrier regions in the plurality of exciton control layers are arranged at the same position in the film formation surface, and each excitation in the predetermined barrier region position. The present invention is characterized in that the photons are generated in a predetermined time series pattern by controlling the dielectric constant of the plurality of barrier regions over the child control layer.

請求項に記載の発明は、請求項1乃至いずれかの光子発生装置であって、前記障壁領域の誘電率は、前記障壁領域へ照射させる光パルスを利用すること、前記障壁領域の電場を利用することまたはナノチューブ構造中を走行するナノマシンを利用することによって制御されることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the photon generating device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the dielectric constant of the barrier region uses a light pulse to irradiate the barrier region, and the electric field of the barrier region Or is controlled by using a nanomachine that travels in the nanotube structure.

請求項に記載の発明は、励起子発生部と、前記励起子発生部において発生させた励起子を誘電率を変化させることによって束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から前記励起子の再結合によって光子を発生させる励起子制御部とを備えた光子発生装置において光子発生を制御する方法において、励起子発生部において、励起子を発生させるステップと、前記複数の障壁領域の内の1つの障壁領域の誘電率を変化させて、前記励起子を前記1つの障壁領域に束縛するステップと、前記1つの障壁領域の誘電率を変化させて前記束縛を解除するととともに、前記1つの障壁領域に隣接するもう1つの障壁領域の誘電率を変化させて束縛し前記励起子を空間移動させるステップと、所定の位置の障壁領域に空間移動させた励起子を、所定の時間に前記障壁領域の誘電率を変化させることによって再結合させるステップとを備えることを特徴とする光子発生を制御する方法の発明である。 The invention according to claim 6 includes an exciton generation unit and a plurality of barrier regions that can be bound by changing the dielectric constant of the exciton generated in the exciton generation unit, and the barrier at a predetermined position. In a method for controlling photon generation in a photon generator including an exciton controller that generates photons by recombination of the excitons from a region, the exciton generator generates excitons; and Changing the dielectric constant of one of the barrier regions to bind the excitons to the one barrier region, and changing the dielectric constant of the one barrier region to release the binding. Changing the dielectric constant of another barrier region adjacent to the one barrier region and constraining it to move the exciton in space, and moving the exciton to the barrier region in a predetermined position. The elevators, an invention of a method of controlling the photon generation, characterized in that it comprises a step of recombination by varying the dielectric constant of the barrier region at a given time.

請求項に記載の発明は、請求項の方法であって、前記励起子制御部は、格子状に配置された前記複数の障壁領域と、前記障壁領域とは異なる誘電率を持つ井戸領域とを有し、前記束縛するステップおよび前記空間移動させるステップは前記前記障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって実行されることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the method according to claim 6 , wherein the exciton control unit includes a plurality of barrier regions arranged in a lattice shape and a well region having a different dielectric constant from the barrier regions. The step of constraining and the step of spatially moving are performed by changing a dielectric constant of the barrier region relative to a dielectric constant of the well region.

請求項に記載の発明は、請求項の方法であって、前記励起子発生部と前記励起子制御部との境界近傍にある障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率よりも大きくすることによって、前記励起子制御部への励起子の侵入を制御するステップをさらに備えることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the method according to claim 7 , wherein the dielectric constant of the barrier region in the vicinity of the boundary between the exciton generation unit and the exciton control unit is larger than the dielectric constant of the well region. In this case, the method further comprises a step of controlling intrusion of excitons into the exciton control unit.

以上説明したように、本発明の光子発生装置によれば、単一光子の発生を時間的および空間的に安定に制御する方法を実現し、単一光子を任意の時刻、任意の場所または任意の空間パターンで発生させることのできる光子発生装置を実現できる。予め定めた任意の時間パルスパターン、任意のパルス間隔に調整をすることが可能で、より高速な光子列を発生させることのできる光子発生装置を実現できる。量子暗号システムのさらなる高速化、高機能化を実現する。   As described above, according to the photon generator of the present invention, a method for stably controlling the generation of a single photon in time and space can be realized, and a single photon can be controlled at an arbitrary time, an arbitrary place, or an arbitrary It is possible to realize a photon generator that can generate a spatial pattern of A photon generator capable of generating a higher-speed photon train can be realized, which can be adjusted to a predetermined arbitrary time pulse pattern and arbitrary pulse interval. Realization of higher speed and higher functionality of the quantum cryptography system.

本発明の光子発生装置においては、(1)誘電率制御によって励起子を空間移動させる機構を用いることを1つの特徴とする。さらに、以下の(2)−(4)の機構の1つまたは複数を組み合わせて利用することにより、単一光子の任意の時刻、任意の場所、任意の空間パターンでの発生を実現する。すなわち、(2)励起子の生成制御、(3)誘電率制御による励起子からの光子生成制御、および(4)多層化した構造による時系列の単一光子列生成の制御である。以下、図面を使用しながら本発明について詳細に説明する。   One feature of the photon generator of the present invention is that (1) a mechanism for spatially moving excitons by controlling the dielectric constant is used. Further, by using one or more of the following mechanisms (2) to (4) in combination, generation of a single photon at an arbitrary time, an arbitrary location, and an arbitrary spatial pattern is realized. That is, (2) exciton generation control, (3) photon generation control from excitons by permittivity control, and (4) time-series single photon string generation control by a multilayered structure. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

以下の説明で、空間移動、空間パターンなどの用語における「空間」は、1点から発生する光子に対比して、光子を発生する2次元面内の複数の点を形成する空間という意味で使用されている。したがって、媒質として空気で構成される空間や真空の空間などを意味するものではない。   In the following description, “space” in terms of space movement, space pattern, and the like is used to mean a space that forms a plurality of points in a two-dimensional plane that generates photons, as compared to photons generated from one point. Has been. Therefore, it does not mean a space composed of air as a medium or a vacuum space.

図1は、本発明の光子発生装置の基本的な構成を示した概念図である。本発明の光子発生装置1は、励起子発生部2および励起子制御部3から構成される。励起子発生部2は、半導体によって構成され、本光子発生装置外に接続したまたは本光子発生装置の一部として形成された励起光源9が発生する光を照射されることにより、励起子を生成する。励起子は、良く知られているように、クーロン引力の相互作用により束縛状態にある電子―正孔対である。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a photon generator of the present invention. The photon generator 1 according to the present invention includes an exciton generator 2 and an exciton controller 3. The exciton generation unit 2 is made of a semiconductor and generates excitons by being irradiated with light generated by an excitation light source 9 connected to the outside of the photon generator or formed as a part of the photon generator. To do. As is well known, excitons are electron-hole pairs that are in a bound state due to Coulomb attractive interaction.

励起子発生部2によって生成された励起子は、励起子制御部3において、励起子の空間移動および励起子発光(発光再結合)を経て光子を生成するように制御される。励起子制御部3は、詳細に後で述べるように、2種類またはそれ以上種類の半導体によって構成される。図1においては、励起光源9、励起子発生部2および励起子制御部3が、それぞれ別個のブロックとして記載されている。しかし、いずれのブロックも1種類または複数種類の半導体材料によって構成できるので、半導体基板上にパターン形成された素子として一体に形成することもできる。すなわち、図1は、本発明の光子発生装置を機能ブロックとして表現したものであることに留意されたい。従来技術が、光子発生のために電子−正孔対の再結合による発光を利用していたのに対し、本発明の光子発生装置では、励起子を利用している点で相違していることに注目されたい。本発明の特徴的な構成要素である励起子制御部の構成および動作についてさらに詳細に説明する。 The excitons generated by the exciton generation unit 2 are controlled by the exciton control unit 3 so as to generate photons through exciton spatial movement and exciton emission (emission recombination). As will be described later in detail, the exciton control unit 3 is composed of two or more types of semiconductors. In FIG. 1, the excitation light source 9, the exciton generation unit 2, and the exciton control unit 3 are described as separate blocks. However, since any block can be composed of one or more kinds of semiconductor materials, it can be integrally formed as an element patterned on a semiconductor substrate. That is, it should be noted that FIG. 1 represents the photon generator of the present invention as a functional block. Whereas the prior art used light emission by electron-hole pair recombination for photon generation, the photon generator of the present invention is different in that it uses excitons. Please pay attention to. The configuration and operation of the exciton control unit that is a characteristic component of the present invention will be described in more detail.

図2の(A)および(B)は、励起子制御部およびその一部の拡大図を示す。図2の(A)において、励起子制御部3は、1つの半導体材料で形成された井戸領域4の中に、よりバンドギャップの大きな半導体材料で形成された複数の障壁領域5をマトリクス状に埋め込んだ構造をしている。このマトリックス構造の大きな特徴は、埋め込まれた障壁領域5の材料の誘電率ε1を、その周囲にある井戸領域5の半導体材料の誘電率ε2よりも小さい値から大きい値まで制御できる点にある。尚、図2の(A)は、半導体基板上に形成された井戸領域を基板面に垂直な方向から見た上面図である。   2A and 2B show an enlarged view of the exciton control unit and a part thereof. In FIG. 2A, the exciton control unit 3 has a plurality of barrier regions 5 formed of a semiconductor material having a larger band gap in a well region 4 formed of one semiconductor material in a matrix. It has an embedded structure. A major feature of this matrix structure is that the dielectric constant ε1 of the material of the buried barrier region 5 can be controlled from a value smaller than the dielectric constant ε2 of the semiconductor material of the surrounding well region 5 to a larger value. FIG. 2A is a top view of a well region formed on a semiconductor substrate as viewed from a direction perpendicular to the substrate surface.

図2の(B)は、1つの障壁領域近傍の拡大図を示している。本発明の光子生成装置では、障壁領域5の誘電率を制御して、励起子引き寄せ、およびトラップすることによって所望の位置に空間移動させ、さらに障壁領域の誘電率を制御して所望のタイミングで光子を発生させる。本発明では、励起子が存在する井戸領域の材料の制御ではなく、励起子の存在しない障壁層材料の制御によって、少数の光子の発生・制御を行なう点にも大きな特徴がある。井戸領域による制御は、励起子の安定性を劣化させることがある点で、本発明のように障壁領域を制御することにメリットがある。図2の(B)に示すように、障壁領域5の誘電率の制御により、1つの障壁領域5の近傍に電子7および正孔6の対で構成される励起子8をトラップすることができる。 FIG. 2B shows an enlarged view near one barrier region. In the photon generation device of the present invention, the dielectric constant of the barrier region 5 is controlled to attract and trap excitons to move to a desired position, and the dielectric constant of the barrier region is controlled to achieve a desired timing. To generate photons. The present invention is also characterized in that a small number of photons are generated and controlled not by controlling the material of the well region where excitons are present but by controlling the barrier layer material where excitons are not present. The control by the well region is advantageous in controlling the barrier region as in the present invention in that the stability of excitons may be deteriorated. As shown in FIG. 2B, excitons 8 composed of pairs of electrons 7 and holes 6 can be trapped in the vicinity of one barrier region 5 by controlling the dielectric constant of the barrier region 5. .

図3の(A)および(B)は、障壁領域の誘電率を制御する例示的な方法を示す図である。障壁領域の誘電率の制御は、埋め込まれた材料に対して、(1)電場を印加する方法、(2)光を照射する方法、(3)障壁領域を中空としてその中に誘電体を機械的に移動させる方法などを用いて実現することができる。図3の(A)は、電場を印加して誘電率を制御する方法の例示的な説明図である。励起子制御部を、井戸領域4を構成する基板側面から見た断面図を示している。誘電率ε2を持つ井戸領域4の内部に、誘電率ε1を持つ円柱形状の障壁領域5が埋め込まれている。井戸領域4の上下には、バンドギャップの大きい材料による障壁層11a、11bが形成される。さらに障壁層11a、11bの上下の障壁領域5に対応する部分には、ぞれぞれ、電極10a、10bが形成されている。上下の2つの電極10a、10b間に電圧を印加して電場(電界)を生じさせることによって、電場下にある障壁領域の実効誘電率を変化させることができる。   FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating an exemplary method for controlling the dielectric constant of the barrier region. The dielectric constant of the barrier region can be controlled by: (1) applying an electric field to the embedded material, (2) irradiating light, and (3) making the barrier region hollow and placing a dielectric in it. It is possible to realize this by using a method of moving automatically. FIG. 3A is an illustrative diagram of a method for controlling the dielectric constant by applying an electric field. A cross-sectional view of the exciton control unit viewed from the side surface of the substrate constituting the well region 4 is shown. A cylindrical barrier region 5 having a dielectric constant ε1 is embedded in a well region 4 having a dielectric constant ε2. Barrier layers 11 a and 11 b made of a material having a large band gap are formed above and below the well region 4. Furthermore, electrodes 10a and 10b are formed in portions corresponding to the barrier regions 5 above and below the barrier layers 11a and 11b, respectively. By applying a voltage between the upper and lower electrodes 10a and 10b to generate an electric field (electric field), the effective dielectric constant of the barrier region under the electric field can be changed.

光を照射する方法の1つとして、例えば光パルスを利用して材料の誘電率の制御を行う方法がある。誘電率は、材料に照射される光の強度に依存して変化する(非線形分極=非線形光学効果による)。この性質を利用して、障壁領域に照射する光を制御することによって、障壁領域の誘電率を制御することが可能である。   As one of the methods of irradiating light, for example, there is a method of controlling the dielectric constant of a material using an optical pulse. The dielectric constant changes depending on the intensity of light irradiated on the material (non-linear polarization = due to non-linear optical effect). By utilizing this property, the dielectric constant of the barrier region can be controlled by controlling the light applied to the barrier region.

光を照射する方法は、例えば、以下のような手順により実現できる。1)各々の障壁領域のある層の上(または下)の層にLD、LEDなどを形成する。2)各々の障壁領域の上(または下)に光ファイバを近接させる。3)障壁領域の形成するマトリックスに対応した空間的な光のパターンを障壁領域のある層に結像させる(プロジェクターのような仕組み)。   The light irradiation method can be realized by the following procedure, for example. 1) An LD, an LED, or the like is formed on a layer above (or below) each barrier region. 2) An optical fiber is brought close to (or below) each barrier region. 3) A spatial light pattern corresponding to the matrix formed by the barrier region is imaged on a layer having the barrier region (a mechanism like a projector).

また、図3の(B)に示すように、井戸領域4の内部に、中空空間13を形成して、この空間内に例えば円柱形状の誘電体15を配置する。中空空間13の場所が、障壁領域5に相当することになる。誘電体15は、マイクロマシン技術などによる駆動機構12によってその中空内の位置を井戸領域4の形成面の例えば法線方向に上下に変化させることができる。この誘電体15の位置の上下変化によって、障壁領域の実効誘電率を変化させることができる。誘電体15の形状や構成は、その位置の変化により誘電率の変化を生じさせられる限り、どのようなものでも良い。例えば、ナノチューブ構造中を走行するナノマシンを利用することができる。次に、誘電率制御によって、励起子を空間移動させる原理についてさらに詳細に説明する。   Further, as shown in FIG. 3B, a hollow space 13 is formed inside the well region 4 and, for example, a cylindrical dielectric 15 is disposed in this space. The location of the hollow space 13 corresponds to the barrier region 5. The position of the dielectric 15 in the hollow can be changed up and down, for example, in the normal direction of the formation surface of the well region 4 by the driving mechanism 12 using a micromachine technique or the like. By changing the position of the dielectric 15 up and down, the effective dielectric constant of the barrier region can be changed. The dielectric 15 may have any shape and configuration as long as a change in the dielectric constant can be caused by a change in its position. For example, a nanomachine that travels in a nanotube structure can be used. Next, the principle of moving the excitons in space by controlling the dielectric constant will be described in more detail.

図4は、誘電率制御によって励起子を空間移動させる原理について説明する図である。図4は、2つの状態に分けて、障壁領域の誘電率と励起子の束縛エネルギーEbの関係を、グラフとともに模式的に説明している。先にも述べたように、励起子は電子および正孔がクローン相互作用により束縛状態を形成したものである。励起子の存在する空間の誘電率によって、その励起子のエネルギーは変化する。ここで、障壁領域の誘電率ε1を変化させることを考える。   FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of exciton spatial movement by permittivity control. FIG. 4 schematically illustrates the relationship between the dielectric constant of the barrier region and the exciton binding energy Eb, together with the graph, in two states. As described above, excitons are those in which electrons and holes form a bound state by clonal interaction. The energy of the exciton changes depending on the dielectric constant of the space where the exciton exists. Consider changing the dielectric constant ε1 of the barrier region.

ε1が井戸領域の誘電率ε2より小さい(ε1<ε2)場合、励起子は、障壁領域の近傍、特に障壁領域を取り囲むように存在している方が電子および正孔間のクーロン引力が強くなり、励起子のエネルギーは低くなる。そのため、励起子は障壁領域を取り囲むようになり、重心運動は局在、すなわち障壁領域に束縛される。   When ε1 is smaller than the dielectric constant ε2 of the well region (ε1 <ε2), the exciton is present in the vicinity of the barrier region, particularly so as to surround the barrier region, and the Coulomb attractive force between electrons and holes becomes stronger. The energy of excitons is low. As a result, excitons surround the barrier region, and the centroid motion is localized, that is, bound to the barrier region.

これに対し、ε1が井戸領域の誘電率ε2より大きい(ε1>ε2)場合は、障壁領域の近傍では電子および正孔間のクーロン引力が弱くなるため、励起子のエネルギーは大きくなってしまう。そのため、励起子は、障壁領域の外周領域で自由な重心運動をする。   On the other hand, when ε1 is larger than the dielectric constant ε2 of the well region (ε1> ε2), the Coulomb attractive force between electrons and holes is weak in the vicinity of the barrier region, and the exciton energy becomes large. Therefore, the exciton freely moves in the center of gravity in the outer peripheral region of the barrier region.

上述の障壁領域の近傍および周辺における、障壁領域の誘電率に依存した励起子の各振る舞いは、不純物原子を含む材料における束縛励起子の振る舞いと類似している。以下では、励起子が障壁領域を取り囲んだ状態の励起子を「束縛状態にある」と呼び、束縛されていない励起子を「自由な状態にある」と呼ぶことにする。ε1>ε2の場合には、励起子は障壁領域から離れて、自由な状態となる。上述の2つの状態の効果を、励起子の移動に利用することができる。さらに、励起子の移動方法について詳細に説明する。   The behavior of excitons depending on the dielectric constant of the barrier region near and around the barrier region is similar to the behavior of bound excitons in a material containing impurity atoms. Hereinafter, an exciton in a state where the exciton surrounds the barrier region is referred to as “in a bound state”, and an unexcited exciton is referred to as “in a free state”. In the case of ε1> ε2, excitons leave the barrier region and are in a free state. The effects of the two states described above can be used for exciton movement. Further, the exciton moving method will be described in detail.

図5は、誘電率制御による励起子の空間移動の原理を空間エネルギーとともに説明する図である。図5の(A)および(B)では、説明を簡単にするため、隣り合う2つの障壁領域5a、5bのみを含む井戸領域4について説明している。各図の下には、励起子のエネルギーの空間依存性も概念的に示している。エネルギー図において、Cは伝導帯のエネルギーを、Vは価電子帯のエネルギーを、exは励起子のエネルギーをそれぞれ示している。(A)の状態から(B)の状態へ誘電率を変化させることによって、励起子8を左側の障壁領域5aから右側の障壁領域5bへ空間移動させる過程が説明される。   FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of exciton spatial movement by permittivity control together with spatial energy. 5A and 5B, the well region 4 including only two adjacent barrier regions 5a and 5b is described for the sake of simplicity. Below each figure, the spatial dependence of exciton energy is also conceptually shown. In the energy diagram, C represents conduction band energy, V represents valence band energy, and ex represents exciton energy. The process of spatially moving the excitons 8 from the left barrier region 5a to the right barrier region 5b by changing the dielectric constant from the state (A) to the state (B) will be described.

図5の(A)は、励起子を空間移動させる前の状態を示す。左側の障壁領域5aの誘電率を井戸領域4の誘電率ε1よりも小さいε2に、右側の障壁領域5bの誘電率を井戸領域4と同じ誘電率ε2に設定した状態である。   FIG. 5A shows a state before the exciton is spatially moved. In this state, the dielectric constant of the left barrier region 5a is set to ε2 smaller than the dielectric constant ε1 of the well region 4, and the dielectric constant of the right barrier region 5b is set to the same dielectric constant ε2 as that of the well region 4.

これに対し、図5の(B)は、本発明の誘電率制御によって励起子を空間移動させた後の状態を示す。ここでは、左側の障壁領域5aの誘電率を井戸領域4の誘電率ε2より大きなε3に、右側の障壁領域5bの誘電率を井戸領域4の誘電率ε2より小さなε1と設定した状態となる。(A)の場合、励起子のエネルギーは左側の障壁領域5aの周りで低く、それ以外の場所では高くなる。(B)の場合は、励起子のエネルギーは左側の障壁領域5aの周りで高く、右側の障壁領域5bの周りで低くなっている。励起子8にとってこのエネルギーは実効的なポテンシャルエネルギーVとして働き、励起子8はその傾き(グラディエント)の逆方向に相当する力Fを感じる。   On the other hand, FIG. 5B shows a state after the exciton is spatially moved by the dielectric constant control of the present invention. Here, the dielectric constant of the left barrier region 5a is set to ε3 larger than the dielectric constant ε2 of the well region 4, and the dielectric constant of the right barrier region 5b is set to ε1 smaller than the dielectric constant ε2 of the well region 4. In the case of (A), the exciton energy is low around the left barrier region 5a and high at other locations. In the case of (B), the exciton energy is high around the left barrier region 5a and low around the right barrier region 5b. For the exciton 8, this energy acts as an effective potential energy V, and the exciton 8 feels a force F corresponding to the reverse direction of the gradient.

Figure 0005340684
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従って図5の(A)の状態では、左側の障壁領域5a近傍の励起子8は左側の障壁領域5aにひきつけられ、そこに束縛される。2つの障壁領域5a、5bの誘電率を所定のタイミングで制御することにより、各障壁領域の各誘電率を(B)の状態へ変化させる。このとき、左側の障壁領域5bに束縛されていた励起子8は、上述のエネルギーの傾きにより、左側の障壁領域5aから反発力を受けるとともに、右側の障壁領域5bからは引力を受けてひきつけられる。この結果、励起子8は、左側の障壁領域5aから右側の障壁領域5bへ移動して、そこで束縛される。このように、障壁領域の誘電率制御によって、励起子の空間移動を実施できる。さらに励起子の空間移動に加えて、励起子制御部3においてはもう1つの誘電率制御機構を実行する。   Accordingly, in the state of FIG. 5A, the excitons 8 in the vicinity of the left barrier region 5a are attracted to the left barrier region 5a and bound thereto. By controlling the dielectric constants of the two barrier regions 5a and 5b at a predetermined timing, each dielectric constant of each barrier region is changed to the state (B). At this time, the excitons 8 bound to the left barrier region 5b receive a repulsive force from the left barrier region 5a and are attracted by an attractive force from the right barrier region 5b due to the above-described energy gradient. . As a result, the exciton 8 moves from the left barrier region 5a to the right barrier region 5b and is bound there. Thus, exciton spatial movement can be implemented by controlling the dielectric constant of the barrier region. In addition to the exciton spatial movement, the exciton control unit 3 executes another dielectric constant control mechanism.

図6は、励起子近傍の障壁領域の誘電率と規格化した振動子強度fとの関係のグラフを示す図である。図6の横軸は、障壁領域の実効誘電率ε*を示している。縦軸は、規格化した振動子強度fを示している。振動子強度は、良く知られているように、発光遷移の起こりやすさを表す材料定数である。したがって、振動子強度が大きいほど、発光遷移が起こり易いことになる。ここでは、人為的な構造を持たない井戸層材料(バルク状態)の振動子強度を1としたときの振動子強度(バルク材料の振動子強度で規格化した振動子強度)を示していることに注意されたい。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of the barrier region near the excitons and the normalized vibrator strength f. The horizontal axis of FIG. 6 shows the effective dielectric constant ε * of the barrier region. The vertical axis represents the normalized vibrator strength f. As is well known, the oscillator strength is a material constant that represents the likelihood of an emission transition. Therefore, the light emission transition is more likely to occur as the vibrator strength increases. Here, the oscillator strength (oscillator strength normalized by the oscillator strength of the bulk material) when the oscillator strength of the well layer material (bulk state) having no artificial structure is 1 is shown. Please be careful.

励起子の感じる実効誘電率は、障壁領域の誘電率、井戸領域の誘電率、障壁領域の構造から決定される(例えば、図3の(A)を参照されたい)。他のパラメータが一定であれば、障壁領域5の誘電率を小さくすることにより、実効誘電率も小さくすることができる。図6に示した理論計算値の関係から、実効誘電率が小さくなると、発光の確率が飛躍的に増大することがわかる。従って、上で述べた障壁領域5の誘電率制御によって、所望の位置まで励起子の空間移動を実現した後に、励起子が束縛されている障壁領域の誘電率をさらに減少させることによって、励起子からの光子の発生を促すことができる。このように、本発明の光子発生装置では、障壁領域の誘電率制御という手段によって、励起子を空間移動させる機構と併せて、励起子からの光子発生を促す機構を含むところに特徴がある。   The effective dielectric constant perceived by the excitons is determined from the dielectric constant of the barrier region, the dielectric constant of the well region, and the structure of the barrier region (see, for example, FIG. 3A). If the other parameters are constant, the effective dielectric constant can be reduced by reducing the dielectric constant of the barrier region 5. From the relationship between the theoretical calculation values shown in FIG. 6, it can be seen that the probability of light emission increases dramatically as the effective dielectric constant decreases. Therefore, after realizing the spatial movement of the exciton to a desired position by controlling the dielectric constant of the barrier region 5 described above, the dielectric constant of the barrier region to which the exciton is constrained is further reduced to thereby reduce the exciton. The generation of photons from can be promoted. As described above, the photon generator of the present invention is characterized in that it includes a mechanism for promoting the generation of photons from excitons in addition to a mechanism for spatially moving excitons by means of permittivity control of the barrier region.

さらに、励起子からの発光は本質的に単一光子発光だけとなるので、従来の単一光子光源のように、確率分布を全体に低くして単一光子を生成するという処理が必要でない。このため、任意時刻での光子発生を効率的に行うことができるという点にも特徴がある。   Furthermore, since the emission from the exciton is essentially only a single photon emission, there is no need for a process of generating a single photon with a lower probability distribution as in the conventional single photon light source. For this reason, it is also characterized in that photons can be efficiently generated at an arbitrary time.

実施例1: 次に、より具体的な励起子制御部の動作を実施例を用いながら説明する。   Example 1 Next, a more specific operation of the exciton control unit will be described using an example.

図7は、本発明の実施例1の光子発生装置の構成を示す概念図である。図7についても、本発明の励起子の空間移動の方法に着目して概念的に説明するものであり、半導体素子などで製作され得る光子発生装置の実際の形状・構成を説明するための図ではないことに注意されたい。本実施例1の光子発生装置は、左側の小さな長方形で表示された励起子発生部2と、その右の大きな長方形で表示された励起子制御部3が連結された構成を持つ。励起子発生部2には励起光が照射され、リングで示された励起子8が生成される。励起子制御部3は、井戸領域4をベースとして、井戸領域内に格子状に配置された円形状の複数の障壁領域5を含んでいる。障壁領域は、すべて半導体材料1で構成され、各障壁領域には図の左端から順に番号が付されている。以後の説明では、障壁領域(1)、障壁領域(2)などと呼んで区別する。井戸領域は、別の半導体材料2によって構成されている。励起子発生部2は、井戸領域4と同じ半導体材料2によって構成されて、励起子制御部3と連結されている。   FIG. 7 is a conceptual diagram showing the configuration of the photon generator of Example 1 of the present invention. FIG. 7 also conceptually focuses on the exciton spatial movement method of the present invention, and is a diagram for explaining the actual shape and configuration of a photon generator that can be manufactured of a semiconductor element or the like. Note that this is not the case. The photon generator of the first embodiment has a configuration in which an exciton generator 2 displayed with a small rectangle on the left side is connected to an exciton control unit 3 displayed with a large rectangle on the right. The exciton generator 2 is irradiated with excitation light, and excitons 8 indicated by a ring are generated. The exciton control unit 3 includes a plurality of circular barrier regions 5 arranged in a lattice pattern in the well region with the well region 4 as a base. The barrier regions are all composed of the semiconductor material 1, and each barrier region is numbered sequentially from the left end of the figure. In the following description, the barrier region (1) and the barrier region (2) are called and distinguished. The well region is constituted by another semiconductor material 2. The exciton generation unit 2 is composed of the same semiconductor material 2 as the well region 4 and is connected to the exciton control unit 3.

以下、本実施例の光子発生装置の動作について、励起子発生部2から1個の励起子を障壁領域(17)へ移動させ、その後、障壁領域(17)から単一光子を発生させるという場合を例として説明する。これ以降の説明で用いる各部の誘電率の大きさは、ε1<<ε2<ε3<ε4の関係にあるものとし、井戸領域4の誘電率をε3とする。   Hereinafter, with respect to the operation of the photon generator of the present embodiment, one exciton is moved from the exciton generator 2 to the barrier region (17), and then a single photon is generated from the barrier region (17). Will be described as an example. The dielectric constant of each part used in the following description is assumed to have a relation of ε1 << ε2 <ε3 <ε4, and the dielectric constant of the well region 4 is ε3.

図8は、誘電率制御によって励起子を空間移動させる様子を説明する図である。図8の(A)から(D)の各図とともに、励起子8が励起子発生部2から障壁領域(17)まで順次移動される様子が、以下の各工程1)から工程4)で説明される。簡単のため、各図では励起子制御部3のみが示されている。初期状態では、障壁領域(1)から障壁領域(21)の誘電率はすべてε4とする。   FIG. 8 is a diagram for explaining how the excitons are spatially moved by permittivity control. Along with FIGS. 8A to 8D, how the excitons 8 are sequentially moved from the exciton generator 2 to the barrier region (17) will be described in the following steps 1) to 4). Is done. For simplicity, only the exciton control unit 3 is shown in each figure. In the initial state, the dielectric constants from the barrier region (1) to the barrier region (21) are all ε4.

1) 励起子発生部2に励起光を照射することにより、1個または複数個の励起子を励起子発生部2に生成する。この状態では、励起子制御部3の入口付近にある障壁領域(2)の誘電率(ε4)は井戸領域4の誘電率ε3より大きいため、励起子8は励起子制御部3に入り込めない。   1) One or a plurality of excitons are generated in the exciton generator 2 by irradiating the exciton generator 2 with excitation light. In this state, since the dielectric constant (ε4) of the barrier region (2) near the entrance of the exciton control unit 3 is larger than the dielectric constant ε3 of the well region 4, the exciton 8 cannot enter the exciton control unit 3. .

2) ここで、図8の(A)に示すように、障壁領域(2)の誘電率をε4からε2に設定する。これにより励起子発生部の励起子のうち1つだけが障壁領域(2)へ向けて移動し、障壁領域(2)の周りに束縛される。   2) Here, as shown in FIG. 8A, the dielectric constant of the barrier region (2) is set from ε4 to ε2. As a result, only one of the excitons in the exciton generation part moves toward the barrier region (2) and is bound around the barrier region (2).

3) 次に、図8の(B)に示すように、障壁領域(6)の誘電率をε2に設定し、続いて障壁領域(2)の誘電率をε4に設定する。これにより、励起子は障壁領域(6)の周りに移動しそこで束縛される。   3) Next, as shown in FIG. 8B, the dielectric constant of the barrier region (6) is set to ε2, and subsequently the dielectric constant of the barrier region (2) is set to ε4. This causes excitons to move around the barrier region (6) where they are bound.

4) 同様に、図8の(C)に示すように、障壁領域(10)の誘電率をε2に設定し、続いて障壁領域(6)の誘電率をε4に設定する。これにより、励起子は障壁領域(10)の周りに移動しそこで束縛される。上述のように、障壁領域の誘電率を順次変化させて励起子を移動させていくことにより、励起子制御部3の所望の位置に励起子を空間移動させることができる。次に、光子の放出制御について説明する。   4) Similarly, as shown in FIG. 8C, the dielectric constant of the barrier region (10) is set to ε2, and subsequently the dielectric constant of the barrier region (6) is set to ε4. This causes excitons to move around the barrier region (10) where they are bound. As described above, the excitons can be moved to a desired position of the exciton control unit 3 by sequentially changing the dielectric constant of the barrier region to move the excitons. Next, photon emission control will be described.

図9は、実施例1の光子発生装置において光子を発生させる最終段階を説明する図である。図8で説明した各工程に続いて説明する。   FIG. 9 is a diagram for explaining the final stage of generating photons in the photon generator of the first embodiment. A description will be given following each step described in FIG.

5) 図8の(D)に引き続き、図9の(A)に示すように、障壁領域(17)の誘電率をε2に設定し、続いて障壁領域(13)の誘電率をε4に設定する。これにより、励起子は障壁領域(17)の周りに移動しそこで束縛される。最終的に目標位置である障壁領域(17)への空間移動が完了する。   5) Following (D) of FIG. 8, as shown in (A) of FIG. 9, the dielectric constant of the barrier region (17) is set to ε2, and subsequently the dielectric constant of the barrier region (13) is set to ε4. To do. This causes excitons to move around the barrier region (17) where they are bound. Finally, the spatial movement to the barrier region (17) which is the target position is completed.

6) ここで、障壁領域(17)の誘電率をε2からε1に設定する。誘電率をさらに減少させることにより、図6で説明したように、励起子が再結合し単一光子が障壁領域(17)から放出される。単一光子は、図9の(B)の紙面に垂直方向へ飛び出す。以上詳細に述べたように、本実施例では、障壁領域の誘電率を順次制御して励起子をトラップしながら、所望の空間位置に移動させ、任意の時刻に、単一光子を発生させることができる。   6) Here, the dielectric constant of the barrier region (17) is set from ε2 to ε1. By further reducing the dielectric constant, the excitons recombine and single photons are emitted from the barrier region (17) as described in FIG. Single photons jump out in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. As described in detail above, in this embodiment, the dielectric constant of the barrier region is sequentially controlled to move excitons and move to a desired spatial position to generate a single photon at an arbitrary time. Can do.

この実施例における誘電率制御については、障壁領域を半導体材料1によって構成しているので、図3の(A)で説明した電場による誘電率制御または光による誘電率制御が適当である。具体的には、半導体層(井戸領域)全体を挟むように、一対の絶縁膜を形成し、その絶縁膜上に、さらに1つ1つの障壁領域を挟むようにそれぞれ1対の独立した電極を形成する。この1対の電極間に加える電圧を時系列で変化させることによって、挟まれた障壁領域の誘電率を制御する。また、図3の(B)で説明したように、障壁領域の部分を中空とし、この中空部分に誘電体多層膜を形成した円筒形マイクロマシンを設置し、面の法線方向に移動させることにより障壁領域部の誘電率を制御するという方法も有効である。この場合、円筒形マイクロマシンの円筒軸を半導体層(井戸領域)の法線方向にとり、誘電体多層膜は半導体層に平行に積層させる。   Regarding the dielectric constant control in this embodiment, since the barrier region is made of the semiconductor material 1, the dielectric constant control by the electric field or the dielectric constant control by light explained in FIG. Specifically, a pair of insulating films are formed so as to sandwich the entire semiconductor layer (well region), and a pair of independent electrodes are formed on the insulating film so as to sandwich each barrier region. Form. By changing the voltage applied between the pair of electrodes in time series, the dielectric constant of the sandwiched barrier region is controlled. Further, as described in FIG. 3B, by installing a cylindrical micromachine in which the barrier region portion is hollow and a dielectric multilayer film is formed in the hollow portion, and moved in the normal direction of the surface, A method of controlling the dielectric constant of the barrier region is also effective. In this case, the cylindrical axis of the cylindrical micromachine is set in the normal direction of the semiconductor layer (well region), and the dielectric multilayer film is laminated in parallel with the semiconductor layer.

本実施例の光子発生装置の作製方法の例としては、まず、エピタキシャル成長によって半導体材料2の層を基板上に成長させる。その後、エッチングにより、障壁領域となる部分を除去する。さらに、再成長により、障壁領域を半導体材料1によって形成することができる。   As an example of a method for manufacturing the photon generator of this embodiment, first, a layer of the semiconductor material 2 is grown on a substrate by epitaxial growth. Thereafter, a portion to be a barrier region is removed by etching. Furthermore, the barrier region can be formed of the semiconductor material 1 by regrowth.

より具体的な励起子制御部の構成を、井戸領域層の材料をGaAsとした場合を例とすると、励起子の大きさは1〜5nm(バルクGaAsでは10nm)、障壁領域の大きさは直径1〜5nmで、励起子より少し小さいのが好ましい。障壁領域の厚さ、すなわち井戸領域の厚さは、サブミクロンから数ミクロン程度とすることができる。また、障壁領域同士の間隔は励起子の大きさよりも大きい2〜10nmとすることができる。ただし、大きすぎると励起子の移動に時間が掛かりすぎることに留意する必要がある。井戸領域層の材料が変れば、励起子の大きさも変動するので、上述の障壁領域の格子形状・寸法などは材料定数によって変動する。井戸領域の材料としては、例えばGaAs, AlGaAs, InP, GaNなどが有る。また、障壁領域の材料には井戸領域の材料よりも大きなエネルギーギャップを有することが要求され、上記の井戸領域の材料例に対応したものとして、AlGaAs, AlAs, GaInP, AlGaNなどが考えられる。   When a more specific structure of the exciton control unit is taken as an example in which the material of the well region layer is GaAs, the size of the exciton is 1 to 5 nm (10 nm for bulk GaAs) and the size of the barrier region is the diameter. It is preferably 1-5 nm and slightly smaller than the exciton. The thickness of the barrier region, that is, the thickness of the well region can be set to about submicron to several microns. Moreover, the space | interval of barrier regions can be 2-10 nm larger than the magnitude | size of an exciton. However, it should be noted that if it is too large, it takes too much time to move excitons. If the material of the well region layer changes, the size of the exciton also changes, so the lattice shape and dimensions of the barrier region described above vary depending on the material constant. Examples of the material for the well region include GaAs, AlGaAs, InP, and GaN. Further, the material of the barrier region is required to have an energy gap larger than that of the material of the well region, and AlGaAs, AlAs, GaInP, AlGaN, etc. are conceivable as corresponding to the above-described material examples of the well region.

実施例2: 図10は、本発明の実施例2に係る光子発生装置の構成を示す概念図である。本実施例では、複数の励起子の空間位置を制御することによって、任意の空間発光パターンで光子を発生させることができる。励起子の空間移動および光子の発生に関する基本的な動作は、実施例1と同様である。ここでは、実施例1との相違点に絞って動作を説明する。 Embodiment 2 FIG. 10 is a conceptual diagram showing a configuration of a photon generator according to Embodiment 2 of the present invention. In this embodiment, by controlling the spatial positions of a plurality of excitons, photons can be generated with an arbitrary spatial light emission pattern. Basic operations related to exciton spatial movement and generation of photons are the same as those in the first embodiment. Here, the operation will be described focusing on the differences from the first embodiment.

実施例1と同様に、励起子発生部2および励起子制御部3が連続的に構成されている。励起子制御部3は、誘電率ε3を持つ井戸領域4内に格子状に配列された複数の障壁領域5を備えている。初期状態では、障壁領域はすべて誘電率ε4に設定されている。ここで、ε3<ε4の関係が成り立っているものとする。以後の説明では、異なる障壁領域を、障壁領域(1)、障壁領域(2)などと呼んで区別する。   Similar to the first embodiment, the exciton generation unit 2 and the exciton control unit 3 are continuously configured. The exciton control unit 3 includes a plurality of barrier regions 5 arranged in a lattice pattern in a well region 4 having a dielectric constant ε3. In the initial state, all the barrier regions are set to a dielectric constant ε4. Here, it is assumed that the relationship of ε3 <ε4 holds. In the following description, different barrier regions are referred to as a barrier region (1), a barrier region (2), and the like.

障壁領域(1)−(3)は、励起子発生部2で発生した励起子群を障壁領域(4)−(7)の障壁領域にそれぞれ1つずつ束縛させるために、励起子の空間移動をスムーズに制御する目的で利用される。したがって、本実施例における空間パターンの形成の観点においては、必須のものではない。したがって、障壁領域(1)−(3)において、励起子の束縛を行っても、行わなくてもよい。本実施例では、任意の光子発生点を分布した空間パターンを形成するように、励起子を空間移動させるところを特徴とする。   The barrier regions (1)-(3) are designed to move excitons in space in order to bind the exciton groups generated in the exciton generation unit 2 to the barrier regions of the barrier regions (4)-(7) one by one. It is used for the purpose of controlling smoothly. Therefore, it is not essential from the viewpoint of forming the spatial pattern in the present embodiment. Accordingly, exciton binding may or may not be performed in the barrier regions (1) to (3). The present embodiment is characterized in that excitons are spatially moved so as to form a spatial pattern in which arbitrary photon generation points are distributed.

図11は、実施例2において、励起子の空間パターンを形成させる様子を説明する図である。図11の(A)から(F)の各図とともに、励起子発生部2から、複数の励起子を所望の複数の障壁領域位置に移動させて空間パターンを形成し、さらに複数の光子を発生させる工程を説明する。これ以降、説明で用いる各部の誘電率の大きさはε1<<ε2<ε3<ε4の関係にあるものとする。   FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which a spatial pattern of excitons is formed in the second embodiment. 11A to 11F, the exciton generator 2 moves a plurality of excitons to desired barrier region positions to form a spatial pattern, and further generates a plurality of photons. The process to make is demonstrated. Hereinafter, it is assumed that the dielectric constant of each part used in the description has a relationship of ε1 << ε2 <ε3 <ε4.

障壁領域(1)−(3)で励起子の束縛を行わない場合、図10の励起子制御部3にある16個の障壁領域(4)−(19)で形成される4×4の格子内で、任意のパターンでの光子発生を行うことができる。例えば、障壁領域の番号で表して、下記の空間パターンを形成する場合を考える。   When the exciton binding is not performed in the barrier regions (1) to (3), a 4 × 4 lattice formed by the 16 barrier regions (4) to (19) in the exciton control unit 3 of FIG. The photons can be generated in an arbitrary pattern. For example, consider the case where the following spatial pattern is formed by the number of the barrier region.

4 12 16
5 9 17
10 14
7 19
4 12 16
5 9 17
10 14
7 19

励起子分布のパターン形成は、隣接する格子間を励起子が移動する速度より長い時間間隔(τ)で、障壁領域(4)−(7)の障壁領域の第1列に所望のパターンで励起子の導入を行い、これら導入された励起子(群)を、障壁領域(8)−(11)の第2列、→障壁領域(12)−(15)の第3列、→障壁領域(16)−(19)の第4列へと順次移動させることにより行う。   The pattern formation of the exciton distribution is excited with a desired pattern in the first row of the barrier regions (4)-(7) at a time interval (τ) longer than the speed of exciton movement between adjacent lattices. The introduced excitons (groups) are divided into the second row of barrier regions (8)-(11), the third row of barrier regions (12)-(15), the barrier region ( 16)-(19) by sequentially moving to the fourth column.

1) 初期状態の時刻t=0では、障壁領域の誘電率はすべてε4に設定されている。   1) At time t = 0 in the initial state, the dielectric constants of the barrier regions are all set to ε4.

2) まず、時刻t=τ1で、障壁領域(4)、(5)、(7)の誘電率をε4からε2に設定して、励起子を束縛させる。(図11の(A)を参照)   2) First, at time t = τ1, the dielectric constants of the barrier regions (4), (5), and (7) are set from ε4 to ε2, and the excitons are bound. (See (A) in FIG. 11)

3) 時刻t=τ2において、まず障壁領域(8)、(9)、(11)の誘電率をε4からε2にするとともに、障壁領域(4)、(5)、(7)の誘電率をε2からε4として、障壁領域(4)、(5)、(7)の励起子を障壁領域(8)、(9)、(11)に平行移動させる。(図11の(B)を参照)   3) At time t = τ2, first, the dielectric constants of the barrier regions (8), (9), and (11) are changed from ε4 to ε2, and the dielectric constants of the barrier regions (4), (5), and (7) are changed. From ε2 to ε4, the excitons in the barrier regions (4), (5), and (7) are translated into the barrier regions (8), (9), and (11). (See (B) in FIG. 11)

4) 時刻t=τ3において、障壁領域(4)、(6)の誘電率をε4からε2に設定して、励起子を束縛させる。この時点では、第1列および第2列に励起子が配置された状態にある。(図11の(C)を参照)   4) At time t = τ3, the dielectric constants of the barrier regions (4) and (6) are set from ε4 to ε2, and the excitons are bound. At this point, excitons are arranged in the first and second rows. (See (C) in FIG. 11)

5) 時刻t=τ4において、障壁領域(8)、(9)、(11)の励起子は、障壁領域(12)、(13)、(15)に移動させ、障壁領域(4)、(6の)の励起子は、障壁領域(8)、(10)のそれぞれ平行移動させる。(図11の(D)を参照)   5) At time t = τ4, the excitons in the barrier regions (8), (9), (11) are moved to the barrier regions (12), (13), (15), and the barrier regions (4), (15) The excitons of (6) translate in the barrier regions (8) and (10), respectively. (See (D) in FIG. 11)

6) 時刻t=τ5において、同様に励起子群の平行移動を実行した結果、第1列から第4列までに、障壁領域(4)、(7)、(7)、障壁領域(9)、(10)、障壁領域(12)、(14)、障壁領域(16)、(17)、(19)に励起子が配列され、所望の空間パターンが形成される。このとき、励起子が束縛されている障壁領域の誘電率はε2に設定されている。(図11の(E)を参照)   6) As a result of the parallel movement of the exciton group at time t = τ5, the barrier regions (4), (7), (7), and the barrier region (9) are obtained from the first column to the fourth column. , (10), the barrier regions (12), (14), and the barrier regions (16), (17), (19) are arranged with excitons to form a desired spatial pattern. At this time, the dielectric constant of the barrier region where the excitons are bound is set to ε2. (See (E) in FIG. 11)

7) 最後に時刻t=τ6においてすべての障壁領域の誘電率をε1にして、各障壁領域から光子を同時に発生させる。   7) Finally, at time t = τ6, the dielectric constant of all the barrier regions is set to ε1, and photons are simultaneously generated from the respective barrier regions.

上述の一連の工程の説明では、各時刻の関係は規定していないが、励起子の移動が確実にスムーズに行なわれる限り、どのようなタイミングでも良い。また、障壁領域間で励起子の平行移動工程は同一なので、等時間間隔で平行移動させることができる。また、最終工程の光子の発生段階を任意の時刻に設定できるのは言うまでも無い。上述のように、本実施例によれば、励起子制御部の面内の任意の空間位置パターンで、単一光子を生成することができる。   In the above description of the series of steps, the relationship between the times is not specified, but any timing may be used as long as exciton movement is performed smoothly and reliably. Further, since the exciton translation process is the same between the barrier regions, the excitons can be translated at equal time intervals. Needless to say, the photon generation stage in the final process can be set at an arbitrary time. As described above, according to the present embodiment, a single photon can be generated with an arbitrary spatial position pattern in the plane of the exciton control unit.

図12は、本発明の実施例3の光子発生装置の構成を示す概念図である。本実施例の光子発生装置は、実施例2の光子発生装置の励起子制御部を多層に積層させた構造を含んでいる。すなわち、第1の励起子制御部20−1、第2の励起子制御部20−2、・・第6、の励起子制御部20−6、第7の励起子制御部20−7が、順次、x方向に積層された構成となっている。図12では、励起子制御部3のみが記載されているが、各層の励起子制御部に対応してまたは共通の励起子発生部を備えていることは言うまでも無い。1つの励起子制御部は、y−z面に沿って形成されている。複数の障壁領域の配列構成パターンは、実施例2のものと同じであるがこれに限定されることはない。1つの励起子制御層のy−z面で、励起子の空間移動ができる配列パターンであれば良い。図12は、本実施例の動作を説明するために概念的に示したものであって、実際の装置(デバイス)におけるx、y、z方向の寸法を比例して表示していない。 FIG. 12 is a conceptual diagram showing the configuration of the photon generator of Example 3 of the present invention. The photon generator of the present embodiment includes a structure in which the exciton control units of the photon generator of Embodiment 2 are stacked in multiple layers. That is, the first exciton control unit 20-1, the second exciton control unit 20-2,..., The sixth exciton control unit 20-6, and the seventh exciton control unit 20-7 The structure is sequentially stacked in the x direction. In FIG. 12, only the exciton control unit 3 is illustrated, but it goes without saying that the exciton control unit of each layer is provided or a common exciton generation unit is provided. One exciton control unit is formed along the yz plane. The arrangement configuration pattern of the plurality of barrier regions is the same as that of the second embodiment, but is not limited thereto. Any arrangement pattern may be used as long as exciton can be spatially moved on the yz plane of one exciton control layer. FIG. 12 conceptually shows the operation of the present embodiment, and the dimensions in the x, y, and z directions in an actual apparatus (device) are not displayed in proportion.

各励起子制御部20−1、・・、20−7は、誘電率ε3を持つ井戸領域4および複数の障壁領域5を備える。各層の障壁領域は、すべて円柱状で、その位置が各層で共通となっている。図12では、簡単のため、各層の障壁領域に対する誘電率制御のための電極などの機構は記載されていない。各励起子制御層では、それぞれ独立した誘電率制御によって、励起子のy−z面内の空間移動が可能である。   Each exciton control unit 20-1,..., 20-7 includes a well region 4 having a dielectric constant ε3 and a plurality of barrier regions 5. The barrier regions of each layer are all cylindrical, and the position is common to each layer. In FIG. 12, for simplicity, a mechanism such as an electrode for controlling the dielectric constant for the barrier region of each layer is not described. In each exciton control layer, the exciton can be spatially moved in the yz plane by independent dielectric constant control.

各励起子制御部の層間には、バンドギャップの大きい材料でできた層間分離層21−1、21−2、・・、21−6が形成されている。本実施例の光子発生装置の構造によれば、各励起子制御部層から放出された光子が、障壁領域となる円柱を導波路として伝搬し、時系列化された光子列として最上層の励起子制御部層20−1から出力される。次にこの時系列化された光子列の生成についてさらに説明する。   Interlayer separation layers 21-1, 21-2,..., 21-6 made of a material having a large band gap are formed between the layers of each exciton control unit. According to the structure of the photon generator of the present embodiment, photons emitted from each exciton control unit layer propagate as a waveguide through a cylinder serving as a barrier region, and excite the top layer as a time-series photon sequence. Output from the child control unit layer 20-1. Next, generation of the time-series photon sequence will be further described.

図13は、実施例3において時系列に光子を発生させる仕組みを説明する図である。1つの障壁領域に着目して、1つの障壁領域を含むx−z面の断面図を示している。励起子制御層20−1、20−2、・・20−NはN層あり、各励起子制制御層の間は、層間分離層21−1、・・、21−N−1が形成されている。各励起子制御部のx方向の繰り返しピッチをLとする。各層の障壁領域は、y−z面の同位置に形成されているので、x方向に光導波路が形成されている。各励起子制御部では、独立して障壁領域の誘電率制御ができるので、ある時点においては、各励起子制御部層のすべての障壁領域5−1、5−2、・・5−Nに対して励起子を束縛した状態に設定できる。このとき、障壁領域の誘電率は、実施例2において図11の(E)で説明したのと同様に、ε2となっている。   FIG. 13 is a diagram illustrating a mechanism for generating photons in time series in the third embodiment. Focusing on one barrier region, a cross-sectional view of the xz plane including one barrier region is shown. The exciton control layers 20-1, 20-2,... 20-N have N layers, and interlayer separation layers 21-1,..., 21-N-1 are formed between the exciton control layers. ing. Let L be the repetition pitch in the x direction of each exciton control unit. Since the barrier region of each layer is formed at the same position on the yz plane, an optical waveguide is formed in the x direction. Each exciton control unit can independently control the dielectric constant of the barrier region, and at a certain point in time, all the barrier regions 5-1, 5-2,. On the other hand, the exciton can be set in a bound state. At this time, the dielectric constant of the barrier region is ε2 as described in the second embodiment with reference to FIG.

図13の(A)は、各励起子制御層のy−z面内の同一位置の障壁領域に、励起子が束縛された状態を示している。ここで、各障壁領域の誘電率ε2からε1に一斉に下げることによって、各障壁領域から、同時に光子が発生する。各光子は、x軸方向に向かって飛び出し、最上層の障壁領域5−1から光子列として放出される。先にも述べたように、各層の障壁領域は、x軸方向に光導波路を構成しているので、光子は励起子制御層の繰り返しピッチLで決定される時間間隔を持つ時系列の光子パルスとして、出力される。図13の(B)は、光子列パルスを説明する概念図である。   FIG. 13A shows a state in which excitons are bound to the barrier region at the same position in the yz plane of each exciton control layer. Here, by simultaneously reducing the dielectric constant ε2 to ε1 of each barrier region, photons are generated simultaneously from each barrier region. Each photon jumps out in the x-axis direction and is emitted as a photon string from the uppermost barrier region 5-1. As described above, since the barrier region of each layer forms an optical waveguide in the x-axis direction, photons are time-series photon pulses having time intervals determined by the repetitive pitch L of the exciton control layer. As output. FIG. 13B is a conceptual diagram illustrating a photon train pulse.

以下に、より具体的な構成を例示的に説明する。1つの励起子制御部層は、厚さ1−2nmとして、層間分離層の厚さを10μmとすることができる。このとき、多層構造の周期ピッチは、ほぼ10μmとなる。ここで、層間分離層の厚さが励起子制御層の厚さよりも非常に大きいのは、光パルスの間隔を比較的長く設定するためである。   Hereinafter, a more specific configuration will be described by way of example. One exciton control part layer can have a thickness of 1-2 nm, and the thickness of the interlayer separation layer can be 10 μm. At this time, the periodic pitch of the multilayer structure is approximately 10 μm. Here, the reason why the thickness of the interlayer separation layer is much larger than the thickness of the exciton control layer is to set the interval between the light pulses relatively long.

本実施例における各動作を実行するのに必要な所要時間は、概ね以下のとおりである。1つの励起子制御層の中で、障壁領域間を移動させるのにかかる時間は、1nsec程度である。この時間は、障壁領域の間隔などに依存する。一方、ピッチLの周期構造を持つ励起子制御層間を光が移動するのに要する時間は、0.1psecとなる。例えば、GaAsの屈折率を3.1、Lを10μmとした場合、概ね0.1psecが得られる。   The required time required to execute each operation in the present embodiment is as follows. The time taken to move between the barrier regions in one exciton control layer is about 1 nsec. This time depends on the distance between the barrier regions. On the other hand, the time required for light to move between exciton control layers having a periodic structure of pitch L is 0.1 psec. For example, when the refractive index of GaAs is 3.1 and L is 10 μm, approximately 0.1 psec is obtained.

光パルスの間隔は0.1psec程度と非常に短くなるため、層数を増やすことによりより多くの時系列光パルス(信号)を利用できるようになる。例えば、層数を100まで増やせば、10nsecのバースト期間に100の光パルスを持つ変調を行なうことができる。また、層間隔Lをより小さくすれば、さらに短時間周期の光パルスを発生できる。逆に、層間隔Lをより大きくすれば、さらに長時間周期の光パルスを発生できる。   Since the interval between the optical pulses is as short as about 0.1 psec, more time-series optical pulses (signals) can be used by increasing the number of layers. For example, if the number of layers is increased to 100, modulation having 100 optical pulses in a burst period of 10 nsec can be performed. Further, if the layer interval L is made smaller, an optical pulse having a shorter period can be generated. Conversely, if the layer spacing L is made larger, light pulses having a longer period can be generated.

上述の説明では、各層の光子放出を同時に行なうものとしたが、各層の誘電率をε2からε1へ設定するタイミングを別々にすれば、時間軸上で任意のパルスパターンを形成することもできる。また、パルス間隔を調整することもできることは容易に理解できるだろう。また、多層構造の層数、層間隔は半導体材料の選択によって変動する。また、励起子制御部の間隔を等間隔に構成する必要はなく、不等間隔にもできる。また、一部の層をある間隔として他の層は別の間隔とすることも可能である。このようにすることで、各層の光子放出の誘電率制御を同時に行なうだけで、予め定めた任意の時間パルスパターンを生成することもできる。また、任意のパルス間隔に調整をすることができる。   In the above description, photon emission of each layer is performed simultaneously. However, if the timing for setting the dielectric constant of each layer from ε2 to ε1 is set separately, an arbitrary pulse pattern can be formed on the time axis. It will also be readily understood that the pulse interval can be adjusted. In addition, the number of layers in the multilayer structure and the layer spacing vary depending on the selection of the semiconductor material. Further, it is not necessary to configure the intervals between the exciton control units at equal intervals, and they can be set at unequal intervals. It is also possible to set some layers as a certain interval and other layers as another interval. By doing so, it is possible to generate a predetermined arbitrary time pulse pattern only by simultaneously controlling the dielectric constant of the photon emission of each layer. Moreover, it can adjust to arbitrary pulse intervals.

上述のように、実施例3の光子発生装置によれば、任意の時系列光パルスを生成することができる。最上層の励起子制御層の各障壁領域から、それぞれ独立して、時系列の光子パルス列を発生できる。実施例2において説明した、任意の空間パターンで光子を発生させるだけでなく、任意の時系列光パルスを生成することができる。実施例3の構成の光子発生装置により、複数の信号系列の並列処理が可能となる。並列処理により、量子暗号システムのさらなる高速化および多機能化を実現できる。   As described above, according to the photon generation device of the third embodiment, it is possible to generate an arbitrary time series light pulse. A time-series photon pulse train can be generated independently from each barrier region of the uppermost exciton control layer. As described in the second embodiment, not only can photons be generated in an arbitrary spatial pattern, but also arbitrary time-series optical pulses can be generated. The photon generation device having the configuration of the third embodiment enables parallel processing of a plurality of signal sequences. Through parallel processing, the quantum cryptography system can be further increased in speed and multifunction.

本発明の光子発生装置によれば、励起子を利用して、単一光子の発生を時間的および空間的に安定して制御する方法を実現し、単一光子を任意の時刻、任意の場所または任意の空間パターンで発生させることのできる光子発生装置を実現することができる。周波数純度の高い励起子遷移を利用することができる特徴を持つ。さらに、より高速な光子列を発生させることのできる光子発生装置を実現できる。量子暗号システムのさらなる高速化および高機能化を実現する。   According to the photon generator of the present invention, a method for stably controlling the generation of a single photon temporally and spatially using an exciton is realized, and a single photon can be controlled at any time and at any place. Alternatively, it is possible to realize a photon generator that can generate an arbitrary spatial pattern. The excitonic transition with high frequency purity can be used. Furthermore, it is possible to realize a photon generator capable of generating a faster photon train. Realization of higher speed and higher functionality of the quantum cryptography system.

本発明は、量子暗号システムに利用することができる。特に量子暗号システムの光子発生装置に利用できる。   The present invention can be used in a quantum cryptography system. In particular, it can be used for a photon generator of a quantum cryptosystem.

本発明の光子発生装置の基本的な構成を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the basic composition of the photon generator of this invention. 本発明の光子発生装置における励起子制御部の構成およびその一部の拡大をを示す図である。It is a figure which shows the structure of the exciton control part in the photon generator of this invention, and the one part expansion. 励起子制御部の障壁領域の誘電率を制御する例示的な方法を示す図である。FIG. 6 illustrates an exemplary method for controlling the dielectric constant of a barrier region of an exciton controller. 誘電率制御による励起子の空間移動原理について説明する図である。It is a figure explaining the space movement principle of the exciton by dielectric constant control. 誘電率制御による励起子の空間移動原理を説明するもう1つの図である。It is another figure explaining the space movement principle of the exciton by dielectric constant control. 励起子近傍の障壁領域の誘電率と規格化した振動子強度fとの関係のグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph of the relationship between the dielectric constant of the barrier area | region near an exciton, and the normalized vibrator | oscillator strength f. 本発明の実施例1の光子発生装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the photon generator of Example 1 of this invention. 実施例1において、誘電率制御によって励起子を空間移動させる様子を説明する図である。In Example 1, it is a figure explaining a mode that an exciton is spatially moved by dielectric constant control. 実施例1の光子発生装置において光子を発生させる最終段階を説明する図であるIt is a figure explaining the last step which generates a photon in the photon generator of Example 1. 本発明の実施例2の光子発生装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the photon generator of Example 2 of this invention. 実施例2において、励起子の空間パターンを形成させる様子を説明する図である。In Example 2, it is a figure explaining a mode that the space pattern of an exciton is formed. 本発明の実施例3の光子発生装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the photon generator of Example 3 of this invention. 実施例3において時系列に光子を発生させる仕組みを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism which generates a photon in time series in Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 光子発生装置
2 励起子発生
3 励起子制御部
4 井戸領域
5、5a、5b、5−1、・・5−N 障壁領域
6 正孔
7 電子
8 励起子
9 励起光源
10a、10b 制御電極
11a、11b 障壁領域層
12 駆動機構
13 中空空間
20−1、20−2、・・、20−N 励起子制御部層
21−1、21−2、・・20−N−1 層間分離層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photon generator 2 Exciton generation part 3 Exciton control part 4 Well area | region 5, 5a, 5b, 5-1, ..., 5-N barrier area | region 6 Hole 7 Electron 8 Exciton 9 Excitation light source 10a, 10b Control electrode 11a, 11b Barrier region layer 12 Drive mechanism 13 Hollow space 20-1, 20-2, ..., 20-N Exciton control part layer 21-1, 21-2, ... 20-N-1 interlayer separation layer

Claims (8)

励起子を発生させる励起子発生部と、
誘電率を変化させることによって、前記励起子発生部において発生させた励起子を束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から、前記障壁領域の誘電率を小さくすることによって前記励起子再結合させて、光子を発生させる励起子制御部と
を備え、
前記複数の障壁領域は、前記複数の障壁領域を除いた周辺領域と異なるエネルギーギャップを有する材料によって構成され、隣接する障壁領域に対して、順次、前記障壁領域の誘電率を周辺領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって前記励起子制御部の所定の位置に励起子を空間移動させること
を特徴とする光子発生装置。
An exciton generator for generating excitons;
By changing the dielectric constant, it has a plurality of barrier regions that can bind the excitons generated in the exciton generator, and by reducing the dielectric constant of the barrier region from the barrier region at a predetermined position and recombining the exciton, and a excitons controller for generating photons,
The plurality of barrier regions are made of a material having an energy gap different from that of the peripheral region excluding the plurality of barrier regions, and the dielectric constants of the barrier regions are sequentially set with respect to adjacent barrier regions. The exciton is moved spatially to a predetermined position of the exciton control unit by changing relative to the photon generator.
励起子を発生させる励起子発生部と、
誘電率を変化させることによって、前記励起子発生部において発生させた励起子を束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から、前記障壁領域の誘電率を小さくすることによって前記励起子を再結合させて、光子を発生させる励起子制御部と
を備え、
前記励起子制御部は、格子状に配置された前記複数の障壁領域と、前記障壁領域とは異なる誘電率を持つ井戸領域とを有し、前記障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって所定の位置の障壁領域に励起子を空間移動させ、所定の時間に前記励起子の再結合によって光子を発生させること
を特徴とする光子発生装置。
An exciton generator for generating excitons;
By changing the dielectric constant, it has a plurality of barrier regions that can bind the excitons generated in the exciton generator, and by reducing the dielectric constant of the barrier region from the barrier region at a predetermined position An exciton control unit that recombines the excitons to generate photons;
With
The exciton control unit includes the plurality of barrier regions arranged in a lattice shape and a well region having a dielectric constant different from that of the barrier region, and the dielectric constant of the barrier region is set to the dielectric constant of the well region. The exciton is spatially moved to a barrier region at a predetermined position by changing relative to the photon, and a photon is generated by recombination of the excitons at a predetermined time.
前記励起子発生部において発生させた複数の励起子を、所定の空間パターンを形成する前記複数の障壁領域に空間移動させ、前記所定の空間パターンで複数の光子を発生させることを特徴とする請求項またはに記載の光子発生装置。 The plurality of excitons generated in the exciton generation unit are spatially moved to the plurality of barrier regions forming a predetermined space pattern, and a plurality of photons are generated with the predetermined space pattern. Item 3. The photon generator according to Item 1 or 2 . 前記励起子制御部は、各々が膜状に形成され複数の障壁領域を含む複数の励起子制御層が積層された多層構造を有し、前記複数の励起子制御層内の前記複数の各障壁領域は、膜形成面内において同位置に配置されており、所定の前記障壁領域位置にある各励起子制御層に渡って複数の障壁領域の誘電率を制御して、所定時系列パターンで光子列を発生させることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の光子発生装置。 The exciton control unit has a multilayer structure in which a plurality of exciton control layers each including a plurality of barrier regions formed in a film shape are stacked, and the plurality of barriers in the plurality of exciton control layers The regions are arranged at the same position in the film formation surface, and the photons are controlled in a predetermined time-series pattern by controlling the dielectric constant of the plurality of barrier regions over each exciton control layer at the predetermined barrier region position. The photon generator according to any one of claims 1 to 3 , wherein the photons are generated. 前記障壁領域の誘電率は、前記障壁領域へ照射させる光パルスを利用すること、前記障壁領域の電場を利用することまたはナノチューブ構造中を走行するナノマシンを利用することによって制御されることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の光子発生装置。 The dielectric constant of the barrier region is controlled by using a light pulse that irradiates the barrier region, by using an electric field of the barrier region, or by using a nanomachine that travels in a nanotube structure. The photon generator according to any one of claims 1 to 4 . 励起子発生部と、前記励起子発生部において発生させた励起子を誘電率を変化させることによって束縛できる複数の障壁領域を有し、所定の位置の前記障壁領域から前記励起子の再結合によって光子を発生させる励起子制御部とを備えた光子発生装置において光子発生を制御する方法において、
励起子発生部において、励起子を発生させるステップと、
前記複数の障壁領域の内の1つの障壁領域の誘電率を変化させて、前記励起子を前記1つの障壁領域に束縛するステップと、
前記1つの障壁領域の誘電率を変化させて前記束縛を解除するととともに、前記1つの障壁領域に隣接するもう1つの障壁領域の誘電率を変化させて束縛し前記励起子を空間移動させるステップと、
所定の位置の障壁領域に空間移動させた励起子を、所定の時間に前記障壁領域の誘電率を変化させることによって再結合させるステップと
を備えることを特徴とする光子発生を制御する方法。
An exciton generator and a plurality of barrier regions that can be bound by changing the dielectric constant of the excitons generated in the exciton generator, and recombination of the excitons from the barrier region at a predetermined position In a method for controlling photon generation in a photon generator having an exciton control unit for generating photons,
A step of generating excitons in the exciton generator;
Changing the dielectric constant of one of the plurality of barrier regions to bind the excitons to the one barrier region;
Changing the dielectric constant of the one barrier region to release the binding, and changing the dielectric constant of another barrier region adjacent to the one barrier region to bind and excitonally move the space; ,
Recombining excitons spatially moved to a barrier region at a predetermined position by changing a dielectric constant of the barrier region at a predetermined time.
前記励起子制御部は、格子状に配置された前記複数の障壁領域と、前記障壁領域とは異なる誘電率を持つ井戸領域とを有し、前記束縛するステップおよび前記空間移動させるステップは前記前記障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率に対して相対的に変化させることによって実行されることを特徴とする請求項に記載の方法。 The exciton control unit includes the plurality of barrier regions arranged in a lattice shape, and a well region having a dielectric constant different from that of the barrier region, and the binding step and the spatially moving step include the step The method of claim 6 , wherein the method is performed by changing a dielectric constant of a barrier region relative to a dielectric constant of the well region. 前記励起子発生部と前記励起子制御部との境界近傍にある障壁領域の誘電率を前記井戸領域の誘電率よりも大きくすることによって、前記励起子制御部への励起子の侵入を制御するステップをさらに備えることを特徴とする請求項に記載の方法。 By controlling the dielectric constant of the barrier region near the boundary between the exciton generation unit and the exciton control unit to be larger than the dielectric constant of the well region, the exciton intrusion into the exciton control unit is controlled. The method of claim 7 , further comprising a step.
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