JP6160995B2

JP6160995B2 - 発光素子及びこれを用いる量子デバイス

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Publication number: JP6160995B2
Application number: JP2013159690A
Authority: JP
Inventors: 向井　剛輝; 剛輝向井
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: JP2015032629A

Description

本発明は、単一の光子や量子もつれあい光子対を出射する発光素子及びこれを用いる量子デバイスに関する。

量子力学の原理を応用した量子コンピュータは、従来のコンピュータと比較して、革命的な低エネルギー消費処理、超高速情報処理を実現すると期待されている。量子コンピュータを実現するためには、デバイス、アーキテクチャ、アルゴリズムの各レイヤーで革新が必要である。

デバイスにおいては、単一の光子を出射する単一光子光源や単一の量子もつれあい光子対を出射する量子もつれあい光子対光源の実現がキーデバイスとして重要視されており、種々の研究がなされている（例えば、特許文献１）。
従来の光源では単一の光子の出射が原理的に保証されていない。そのため、単一の光子を発生させるためには、従来の光源では出力を減衰させるしかなかった。従来の光源で出力を減衰させると、光子数の統計分布がポアソン分布に従うポアソン光が出射される。ポアソン光であっても、平均光子数が小さいときは２個以上の光子が放出される確率が小さいので近似的に単一の光子とみなせる。

特許第４９８２８３８号公報

しかしながら、量子計算や量子通信の分野では、その原理上、ポアソン光より安定して単一の光子を出射する光源が望まれている。例えば、量子通信の分野においては、光源から２個以上の光子が出射されると、余剰の光子を捉えることによって暗号化された通信内容を盗聴されるという問題が生じる。
同様に、量子コンピュータの実現に有用な量子もつれあい光子対の光源について、ポアソン光より安定して単一の量子もつれあい光子対を出射する光源が望まれている。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、ポアソン光より安定して単一の光子又は量子もつれあい光子対を出射させる発光素子を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、多モード干渉光導波路を含む基部と、前記基部に接続され、励起光を前記基部の内部に導く第１光導波路と、前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路が前記基部の壁部に接触する位置にて当該基部に接続され、前記干渉状態における励起光を前記基部の外部に導く第２光導波路と、前記基部の内部であって、前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路上の位置に配置される量子ドットと、前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路が前記基部の壁部に接触する位置とは異なる位置にて当該基部に接続され、前記量子ドットが出射する出射光を前記基部の外部に導く第３光導波路とを備える発光素子である。

また、本発明の一態様においては、前記量子ドットは、当該量子ドットが保持される凹部を有する支持層によって支持されている。

また、本発明の一態様においては、前記量子ドットは、化学合成量子ドットである。

また、本発明の一態様においては、前記基部、前記第１光導波路、前記第２光導波路、及び前記第３光導波路の壁面が金素材で覆われている。

また、本発明の一態様においては、前記励起光の波長と前記出射光の波長とが同一である。

また、本発明の一態様は、上記の発光素子を、単一の光子を出射する光源として用いる量子デバイスである。

また、本発明の一態様においては、前記励起光は円偏光である。

また、本発明の一態様は、上記の発光素子を、量子もつれあい光子対を出射する光源として用いる量子デバイスである。

また、本発明の一態様においては、前記励起光は直線偏光である。

本発明によれば、ポアソン光より安定して単一の光子又は量子もつれあい光子対を出射させることができる。

本発明の一態様を示す発光素子を説明する図である。発光素子の製造方法の具体例を示す工程図である。発光素子の製造方法の具体例を示す工程図である。発光素子の外観を示す図である。凹部（窪み）を設けたシリコン基板の上に量子ドットを配置する実験の様子を示す写真である。発光素子の内部における励起光の光路の一例を示すシミュレーション結果である。

[１．発光素子の構成]
図１は、本発明の一態様を示す発光素子を説明する図である。図１は、シリコン基板上に形成された発光素子１００を、基板平面に対して垂直な上方向からみた図である。発光素子１００は、基部１０と、入射路２０（第１光導波路）と、透過路３０（第２光導波路）と、量子ドット４０と、出射路５０（第３光導波路）とを備えている。
発光素子１００の壁面は、光を反射する物質（例えば、金素材）によりコーティングされている。発光素子１００の壁面は、金属以外に誘電体や半導体で覆われていてもよい。誘電体や半導体で覆われた場合にも、屈折率差によって光が反射され、キャビティが構成される。

基部１０は、多モード干渉光導波路（ＭＭＩ，Multi Mode Interference）である。基部１０は、キャビティ構造を有している。
入射路２０及び透過路３０は基部１０に接続された光導波路である。入射路２０から基部１０の内部に励起光が入射される。入射された励起光は基部１０の内部に導かれ、干渉状態を形成する。図１では、干渉状態として略「８」の字状の光路が示されている。
透過路３０は、上記の干渉状態における励起光の光路（略「８」の字状の光路）が基部１０の壁部に接触する位置にて基部１０に接続されている。入射路２０から入射された励起光は、透過路３０から基部１０の外部に出射される。

量子ドット４０は、３次元の量子井戸構造を形成する原子から構成された数ｎｍ〜５０ｎｍ程度の粒径を有する発光性ナノ粒子である。量子ドット４０は、基部１０の内部における励起光の光路上に配置される。
出射路５０は、基部１０に接続された光導波路である。出射路５０は、上記の干渉状態における励起光の光路が基部１０の壁部に接触する位置とは異なる位置にて基部１０に接続される。出射路５０は、量子ドット４０が出射する出射光を基部１０の外部に導く。図１の例では、出射路５０は、入射路２０及び透過路３０が光を導く方向と略直角な方向に量子ドット４０が出射する出射光を導く。上記の励起光によって量子ドット４０が励起され、励起された量子ドット４０の出射光は、等方的に出射され、その一部が出射路５０から出射される。

基部１０の３次元方向（幅方向、奥行方向、高さ方向）の各サイズは、入射路２０から入射した励起光が、基部１０の内部で干渉状態を形成して量子ドット４０を励起し、透過路３０から出射するように設計される。励起光の光路は、既存のシミュレータ（例えば、ビーム伝搬法シミュレータ）によって計算することができる。

基部１０の内部で量子ドット４０を配置すべき位置は、入射路２０から入射した励起光が干渉状態を形成して量子ドット４０を励起するように、上記のシミュレータの計算結果に基づいて決められる。すなわち、量子ドット４０は干渉光の光路上に配置される。

出射路５０は、干渉状態の励起光が到達しない任意の位置に設けられる。これにより、出射路５０から励起光が光漏れすることはない。出射路５０を、干渉状態の励起光が到達しない位置に設けることで、励起光と量子ドット４０が出射した出射光とが効果的に分離される。例えば、出射路５０は、図１に示したように、透過路３０が励起光を導く方向と垂直な方向に出射光を導くように設けられる。

量子ドット４０として用いられる量子ドットの種類、物性、及び形態は特に限定されない。本実施形態では、量子ドット４０として、化学合成量子ドットを用いる。化学合成量子ドットは、化学反応で微結晶を成長させることにより合成される量子ドットである。
化学合成量子ドットは、結晶成長する半導体基板への面方位依存性を持つエピタキシャル量子ドットと異なり、球状で対称性が高い。そのため、円偏光によって特定のスピンの電子だけを効果的に励起することができる。
本実施形態において、量子ドット４０として用いる化学合成量子ドットの材質は、特に限定されない。出射光として１．５５μm を中心とする光通信波長帯の発光波長を得るには、量子ドット４０として、ＰｂＳ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳｅ等が用いられる。

[２．発光原理]
[２−１．単一光子の発光]
発光素子１００から単一光子を発生させる場合（図１参照）には、励起光（pump光）として時計回りの円偏光（σ₋偏光）を入射路２０に入射する。励起光は、量子ドット４０を励起した後、同じ時計回りの円偏光（σ₋偏光）として透過路３０から出射される。
時計回りの円偏光（σ₋偏光）を持つ励起光によって、量子ドット４０の内部では、特定の方向のスピンを持つ励起子が選択的に励起される。選択則により、励起光の光子の偏光の向きと励起される電子のスピンの向きは一対一に対応するからである。
励起された量子ドット４０は、単一の時計回りの円偏光（σ₋偏光）を等方的に出射する。量子ドット４０から等方的に出射された単一光の一部は、出射路５０から取り出される。

量子ドット４０においては、基底準位に、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子が入ることができる。しかし、それ以上の励起状態は抑制されている。
時計回りの円偏光（σ₋偏光）を入射することにより、一方のスピンの電子を励起した場合には、量子ドット４０が放出する光子は原理的に単一光子になる。そのため、上記の励起光を用いれば、発光素子１００において、原理的にポアソン光の発生が禁じられた状態で単一光子を発生させることができる。
上記の説明において、入射される励起光の円偏光の向きを逆にすれば、透過路３０から出射する励起光と出射路５０から出射する出射光との円偏光の向きは、上記と逆になる。

なお、励起光の光源の種類は特に限定されないが、例えばＣＷ（Continuous wave）レーザを用いることができる。励起光の波長は特に限定されないが、例えば量子ドット４０の基底準位を直接励起する波長を用いれば、高い効率で単一光子を生成できる。量子ドット４０を励起させることができる波長であれば、励起光の波長は特に制限されない。

発光素子１００においては、励起光と出射光との波長は異なっていてもよく、同一であってもよい。従来技術においては、励起光と出射光との波長が同一であると、両者を波長フィルタによって分離できないという問題を招来していた。発光素子１００によれば、励起光と出射光とは特別な構成なしに分離されるので、励起光と出射光との波長が同一であっても、従来技術のような問題を生じない。そのため、量子ドット４０の基底準位を直接励起する波長の励起光を用いることが容易である。これにより、高い光子発生効率を実現できる。

また、発光素子１００においては、励起光の光導波路と出射光の光導波路とが別部材となっているので、制御が容易である。

[２−２．量子もつれあい光子対の発光]
発光素子１００から量子もつれあい光子対を発生させる場合（図１参照）には、励起光（probe光）として直線偏光（例えばＨ偏光）を入射路２０に入射する。励起光は、量子ドット４０を励起した後、同じ直線偏光（例えばＨ偏光）として透過路３０から出射される。
直線偏光（例えばＨ偏光）を持つ励起光によって、量子ドット４０の内部では、上向きスピンを持つ電子と下向きスピンを持つ電子が励起される。直線偏光（例えばＨ偏光）を入射することは、時計回りの円偏光（σ₋偏光）と反時計回りの円偏光（σ_＋偏光）とを入射することと等価であるからである。
励起された量子ドット４０は、一対の反時計回りの円偏光（σ_＋偏光）及び時計回りの円偏光（σ₋偏光）を有する量子もつれあい光子対を等方的に出射する。量子ドット４０から等方的に出射された一対の量子もつれあい光子対の一部は、出射路５０から取り出される。

量子ドット４０においては、基底準位に、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子が入ることができるが、それ以上の励起は抑制されている。直線偏光（例えばＨ偏光）を入射することにより、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが励起され、量子ドット４０が放出する量子もつれあい光子対は原理的に一対になる。そのため、上記の励起光を用いれば、発光素子１００において、原理的にポアソン光の発生が禁じられた状態で単一の量子もつれあい光子対を発生させることができる。

なお、量子ドット４０に異方性が存在すると、異方性が存在する方向の直線偏光が強くなり、量子もつれあい光子対が出射されない。量子もつれあい光子対を出射させるには、量子ドット４０を等方性にする必要がある。量子ドット４０を等方性にするには、化学量子ドットの採用が好ましい。

[３．製造方法]
次に、発光素子１００の製造方法の具体例を説明する。図２及び図３は、発光素子１００の製造方法の具体例を示す工程図である。

まず、基板２００が準備される〔図２（ａ）〕。本実施形態では、基板２００としてシリコン基板が用いられる。基板２００としては、シリコン基板の他、III−Ｖ族半導体が好適に用いられる。

次に、基板２００の上に第１金層２１０が形成される〔図２（ｂ）〕。第１金層２１０の形成手段としてはスパッタなどが用いられる。

次に、第１金層の上に第２シリコン層２２０が形成される〔図２（ｃ）〕。第２シリコン層２２０の形成手段としてはスパッタなどが用いられる。

次に、第２シリコン層２２０の上の所定の位置に量子ドット４０が配置される〔図２（ｄ）〕。

多モード干渉光導波路の内部における励起光の光路上に配置するために、量子ドット４０の位置制御は的確に行われることが好ましい。
そのため、第２シリコン層２２０の上の量子ドット４０の配置位置に、量子ドット４０（例えば直径５ｎｍ）を捉えるための窪みが設けられる。窪みは、ＳＰＭ(scaning probe microscope) 酸化を用いて設けられる。設けられた窪みの上に溶媒に浮いた量子ドット４０が通過させられると、窪みの位置で量子ドット４０が捉えられ、目的となる配置位置に保持される。すなわち、量子ドット４０は、量子ドット４０が保持される凹部（窪み）を有する第２シリコン層２２０によって支持される。凹部（窪み）の形状は限定されない。
なお、周囲を半導体やガラスで覆ったコアシェル型の量子ドット４０を用いる場合には、周囲を覆われた量子ドット４０の直径は大きなサイズ（例えば１μｍ）になるが、この場合は、コアシェル型の量子ドット４０のサイズに見合った大きさの窪みが設けられればよい。

次に、第２シリコン層２２０及び量子ドット４０の上に第３シリコン層２３０が形成される〔図２（ｅ）〕。第３シリコン層２３０の形成手段としてはスパッタなどが用いられる。第３シリコン層２３０の形成により、量子ドット４０は周囲をシリコン層で覆われた状態となる。

次に、公知のリソグラフィ技術により、第２シリコン層２２０及び第３シリコン層２３０が所定の形状にパターニングされる〔図３（ｆ）〕。これにより、プレーナ型の発光素子１００における、基部１０、入射路２０、透過路３０、及び出射路５０が一体形成される。

次に、パターニングされた第２シリコン層２２０及び第３シリコン層２２０の上に第２金層２４０〔図３（ｇ）〕が形成される。第２金層２４０の形成手段としてはスパッタなどが用いられる。

第１金層２１０及び第２金層２４０は、発光素子１００の外壁を取り囲むミラーとなる。金は、近赤外領域の光を１００％に近い反射率で反射する良好なミラー素材である。反射率の比較的高い金属であれば、第１金層２１０及び第２金層２４０に代えて、他の金属の金属層を用いてもよい。

上記では、発光素子１００を、リソグラフィ技術で製造する例を示したが、発光素子１００の材質は半導体に限定されない。リソグラフィ技術を利用可能な素材として、例えば光学ポリマーを用いて発光素子１００を製造することができる。
例えば、上記のシリコン層の全て及び基板を光学ポリマーに置き換える態様の他、量子ドット４０の上を覆う第３シリコン層２３０のみを光学ポリマーに置き換える態様（ハイブリッド型）もある。

[４．発光素子の外観]
図４は、発光素子１００の外観を示す図である。図４（ａ）は、基板平面に垂直な上方向からみた外観を示している。図４（ａ）では、第２金層２４０ａ〜２４０ｄが、発光素子１００の上面の全体を覆っている。
図４（ｂ）は、基板平面に平行な横方向からみた外観を示している。図４（ｂ）では、基板２００の上に第１金層２１０が形成され、第１金層２１０の上に、第２シリコン層２２０・第３シリコン層２３０が形成されている。第２シリコン層２２０・第３シリコン層２３０の周囲を取り囲むように、第２金層２４０ｂ及び２４０ｃが形成されている。
図４（ｃ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図４（ｃ）では、第２シリコン層２２０・第３シリコン層２３０がパターニングされ、パターニングされた第２シリコン層２２０・第３シリコン層２３０の上が第２金層２４０ｂによって覆われている。

[５．補足]
図５は、凹部（窪み）を設けたシリコン基板の上に量子ドット（ＱＤ）を配置する実験の様子を示す写真である。
図５（ａ）は、ＳＰＭ酸化を用いてシリコン基板上に約１ｎｍの深さの凹部（窪み）を設けた様子を示す図である。図５（ａ）の下部断面図は、上部写真の点線部におけるＳＰＭ測定結果を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）で設けた凹部（窪み）の上に、溶媒に浮いた直径約６ｎｍの量子ドットＱＤ（Quantum Dot）が配置され、凹部（窪み）の位置で量子ドットＱＤが捉えられた様子を示している。
図５（ａ）（ｂ）の実験結果より、本実施形態における量子ドット４０の位置制御は、高精度で実現可能であることが理解される。

図６は、発光素子１００の内部における励起光の光路の一例を示すシミュレーション結果である。図６のシミュレーション結果は、基部１０（多モード干渉光導波路）の内部において、入射路２０から入射された励起光が干渉しながら透過路３０を通じて外部に出射する様子を示している。

前述の通り、透過路３０は、干渉状態における励起光の光路が基部１０の壁部に接触する位置にて基部１０に接続され、出射路５０は、干渉状態における励起光の光路が基部１０の壁部に接触する位置とは異なる位置にて基部１０に接続される。図６の干渉状態にある光路の形状から、発光素子１００において、透過路３０及び出射路５０を接続可能な位置は、それぞれ多数あることがわかる。

発光素子１００において、透過路３０及び出射路５０を設ける位置は、図１に示した位置に限定されない。透過路３０と出射路５０との少なくとも一方を複数としてもよい。発光素子１００に設けられる透過路３０と出射路５０との数は限定されない。
また、発光素子における基部１０の形状も、図１に示した四角形の他、三角形や五角形を含む任意の多角形の他、円形や楕円形であってもよい。

上記のように、発光素子１００によれば、ポアソン光より安定して単一の光子又は量子もつれあい光子対を出射させることができる。
発光素子１００は、量子コンピュータや量子通信機器などの量子デバイスに好適に用いられる。例えば、発光素子１００と制御ノット（cNot）ゲート素子とを組み合わせることにより、ドイチェ−ジェサの量子計算光回路を実現することが可能となる。

発光素子１００によれば、励起光と出射光とを付加的な分離手段（例えば波長フィルタ）により分離する必要がない。発光素子１００によれば、励起光と出射光との分離が行われるので、励起光の波長を出射光の波長と同一としても問題が生じない。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。なお、当然ながら、上述した実施の形態及び複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態及び変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１０…基部，２０…入射路（第１光導波路），３０…透過路（第２光導波路），４０…量子ドット，５０…出射路（第３光導波路）

Claims

多モード干渉光導波路を含む基部と、
前記基部に接続され、励起光を前記基部の内部に導く第１光導波路と、
前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路が前記基部の壁部に接触する位置にて当該基部に接続され、前記干渉状態における励起光を前記基部の外部に導く第２光導波路と、
前記基部の内部であって、前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路上の位置に配置される量子ドットと、
前記多モード干渉光導波路の干渉状態における前記励起光の光路が前記基部の壁部に接触する位置とは異なる位置にて当該基部に接続され、前記量子ドットが出射する出射光を前記基部の外部に導く第３光導波路とを備える発光素子。
前記量子ドットは、当該量子ドットが保持される凹部を有する支持層によって支持されている請求項１に記載の発光素子。
前記量子ドットは、化学合成量子ドットである請求項１又は２に記載の発光素子。
前記基部、前記第１光導波路、前記第２光導波路、及び前記第３光導波路の壁面が金素材で覆われている請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記励起光の波長と前記出射光の波長とが同一である請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。
請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子を、単一の光子を出射する光源として用いる量子デバイス。
前記励起光は円偏光である請求項６に記載の量子デバイス。
請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子を、量子もつれあい光子対を出射する光源として用いる量子デバイス。
前記励起光は直線偏光である請求項８に記載の量子デバイス。