JP6601662B2

JP6601662B2 - 単一光子発生装置

Info

Publication number: JP6601662B2
Application number: JP2015139383A
Authority: JP
Inventors: 一矢竹本; 剛之山本; 俊之宮澤; 泰彦荒川
Original assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: JP2017022278A

Description

本発明は、量子情報および量子通信分野で必要とされる、識別不可能な単一光子を発生する単一光子発生装置に関するものである。

光を用いた量子情報通信では、光子を一つずつ規則正しく生成するための単一光子源が重要なリソースとなる。特に高度な応用とされる量子中継や量子演算などでは、単一光子源が効率良く単一光子を生成できるだけでなく、一つ一つの単一光子パルスを互いに区別することができない、所謂識別不可能な単一光子パルスを効率良く生成できるデバイスが多数必要となる。

識別不可能な単一光子パルスは、単一光子が同一パルス内で十分に長いコヒーレンス時間を持つことと同義である。ところが単一光子源の最も有力な候補とされる半導体量子ドットの場合でも、コヒーレンス時間は単一光子パルスの時間幅（〜１ナノ秒）に比べ約１／１０の０．１ナノ秒程度しかなく、可干渉性を悪化させる要因となっている。

コヒーレンス時間を短くする主な原因は、量子ドットの励起子励起準位へ非共鳴に生成されたキャリアが励起子基底準位へと緩和する際、周囲のフォノンと相互作用して位相情報が失われてしまうためである。

このようなフォノンによる位相情報の消滅、所謂デコヒーレンスを避ける手段として最近報告されつつあるのが、共鳴蛍光の手法である。共鳴蛍光では量子ドットの励起子励起準位ではなく、励起子基底準位のエネルギーに励起光の波長を合わせ共鳴的にキャリア生成を行う。したがって、準位間のエネルギー緩和がないため、原理的に長いコヒーレンス時間を実現できるのが最大の利点である。反面、励起光パルスの波長と単一光子パルスの波長が完全に同一となるので、いかにして散乱された励起光を分離・抑圧し、所望の単一光子のみを効率良く取り出すかが実現の鍵となる。

共鳴蛍光を利用した単一光子源の代表例として、ポスト型微小共振器の中央に量子ドットを配置し、共振器に対し横方向から励起光を入射し、垂直方向から単一光子を取り出すことが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この場合、励起光と単一光子の進行方向が９０°異なるため、両者の分離は可能である。

また、共鳴蛍光を利用した単一光子源の他の例として、半導体導波路中に埋め込んだ量子ドットに対して共鳴励起を行うことが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この場合には、単一光子は導波路中を伝搬する一方で、励起光は非特許文献１と同様に空間からの照射となる。

特開２００７−１１００４１号公報

Ｓ．Ａｔｅｓｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０３，１６７４０２（２００９) Ｇ．Ｒｅｉｔｈｍａｉｅｒｅｔａｌ．，ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓｓｒｅｐ０１９０１（２０１３）

しかし、非特許文献１による提案では、励起光の散乱による散乱光の振る舞いを予見することができず、単一光子の放出方向に散乱光が散乱する可能性があり、散乱光に起因するノイズを制御性良く抑圧することが困難であるという問題がある。また、励起光と単一光子の集光に1つずつ対物レンズを必要とするため装置が大がかりとなり、スケーラビリティの点でも不利となる。

また、非特許文献２による提案においても、励起光と単一光子の波長が完全同一となった場合、散乱光の振る舞いを予見することができず、散乱光に起因するノイズを制御性良く抑圧することは困難である。

なお、光導波路中に量子ドットを埋め込み、かつ励起光も同じ光導波路内を伝搬させて波長の違いを利用してダイクロイックミラーで励起光と単一光子を分離する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）ので、図１３を参照して説明する。

図１３は従来の単一光子発生装置の説明図であり、光導波路７２の表面（接合面７４）に単一光子量子ドット７１設けて他の光導波路７３と接合させ、ダイクロイックミラー７６，７８を介して一対の光導波路７５，７７で挟み込んでいる。励起パルス光７９が単一光子量子ドット７１に入射すると単一光子８０が発生して光導波路７７を伝搬する。この時、ダイクロイックミラー７８は励起パルス光７９を反射するので、単一光子８０のみ取り出すことが可能になる。

この提案においては、励起パルス光７９及び単一光子８０ともに光導波路内を伝搬するため、光源の数を増やすには一つの基板上に多数の光導波路を刻めば良く、スケーラビリティの点ではメリットが大きい。しかし、励起パルス光７９の波長と単一光子８０の波長が異なることを前提としているため、共鳴蛍光には適用できないという問題があるので、その事情を図１４を参照して説明する。

図１４は、従来の単一光子発生装置における単一光子発生過程の説明図である。図１４（ａ）に示すように、波長がλ_ｐの励起パルス光７９が入射すると、単一光子量子ドットにおいて、価電子帯の最高エネルギー準位８１の電子８５が伝導帯の最低エネルギー準位８２に励起される。なお、価電子帯の最高エネルギー準位８１には正孔８４が生成される。

次いで、図１４（ｂ）に示すように、所定の緩和時間が経過すると、伝導帯の最低エネルギー準位８２を占める電子８５は励起子のエネルギー準位８３に遷移する。次いで、図１４（ｃ）に示すように、励起子のエネルギー準位８３に遷移した電子８５は正孔８４と発光性再結合して波長がλ_ｓ（＞λ_ｐ）の単一光子８０を発生する。

このように、単一光子の発生過程として、励起パルス光７９の波長と単一光子８０の波長が異なることを前提としているため、単一光子波長と励起散乱光の波長が同一となる共鳴蛍光に適用することは不可能ある。したがって、共鳴蛍光の利点である、コヒーレンス時間の長い識別不可能な単一光子パルス生成を望むことはできない。

したがって、単一光子発生装置において、ノイズを制御性良く抑圧して識別不可能な単一光子を発生することを目的とする。

開示する一観点からは、一端を励起光パルスの入力端とし、他端に無反射端構造を備えた第１の光導波路と、一端を単一光子パルスの出力端とし、他端に無反射端構造を備えるとともに、前記出力端と前記無反射端構造との間に１個乃至２０個の量子ドットを含む量子ドット領域を備えた第２の光導波路とを有し、前記出力端と前記量子ドット領域との間の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合する第１の方向性結合領域を有し、前記励起光パルスの進行方向における前記量子ドット領域の後段の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合し、前記第１の方向性結合領域とともにマッハツェンダー干渉計を形成する第２の方向性結合領域を有し、前記第１の光導波路は、前記第１の方向性結合領域と前記第２の方向性結合領域の間の領域に、伝搬する前記励起光パルスの位相を制御する温度制御構造を有することを特徴とする単一光子発生装置が提供される。

開示の単一光子発生装置によれば、ノイズを制御性良く抑圧して識別不可能な単一光子を発生することが可能になる。

本発明の実施の形態の単一光子発生装置の概念的構成図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の概略的平面図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の図３以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の図４以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の図５以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の図６以降の途中までの説明図である。本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程の図７以降の説明図である。本発明の実施例２の単一光子発生装置の説明図である。本発明の実施例３の単一光子発生装置の説明図である。本発明の実施例４の単一光子発生装置の概念的平面図である。本発明の実施例５の単一光子発生装置の概念的平面図である。従来の単一光子発生装置の説明図である。従来の単一光子発生装置における単一光子発生過程の説明図である。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の単一光子発生装置を説明する。図１は、本発明の実施の形態の単一光子発生装置の概念的構成図である。本発明の実施の形態の単一光子発生装置は、一端を励起光パルスの入力端とし、他端に無反射端構造１７を備えた第１の光導波路１１と、一端を単一光子パルスの出力端とし、他端に無反射端構造１８を備える第２の光導波路１２を備えている。この第２の光導波路１２は、出力端と無反射端構造１８との間に１個乃至２０個、好適には５個以下の量子ドットを含む量子ドット領域１３を備えている。この第１の光導波路１１と第２の光導波路１２は、第２の光導波路１２の出力端と量子ドット領域１３との間の領域において、第１の方向性結合領域１４により方向性結合されている。量子ドット領域１３に含まれる量子ドットの数が、１個乃至２０個の範囲であれば、その内の一個の量子ドットの励起子基底準位エネルギーのみが励起光パルスの波長と一致する確率が高くなり、特に、５個以下であれば確率的には一個の量子ドットの励起子基底準位エネルギーのみが励起光パルスの波長と一致する。

一般に、共鳴蛍光を利用した識別不可能な単一光子生成では、励起光１パルス当たりの光子数が単一光子パルスにくらべ１０^１０倍以上高く、十分なＳ／Ｎを得るためには励起光パルスの残留成分を１００ｄＢ以上抑圧しなければならない。このような条件は、上述の構成で十分満たすことが可能である。

なお、１個の励起光パルスにより量子ドットにより複数回にわたり単一光子パルスが発生しないようにするために、励起光パルスのパルス幅は、単一光子パルスのパルス幅より十分小さくする必要がある。単一光子パルスのパルス幅は量子ドットにおけるキャリアのライフタイム(〜１ナノ秒)に依存するので、励起光パルスのパルス幅は、数１０ピコ秒〜数１００フェムト秒程度とし、通常はレーザ光を用いる。

第１の光導波路１１の入力側端面より入射された励起光パルスは、第１の方向性結合領域１４を経て第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２の両方にａ：ｂの比率（但し、ａ＋ｂ＝１００）に分配される。第１の光導波路１１を伝搬する励起光パルスは、他端の無反射端構造１７から光導波路外に放出或いは吸収される。なお、この分岐比率は、第１の方向性結合領域１４の長さ、第１の方向性結合領域１４における第１の光導波路１１と第２の光導波路１２との間隔等により制御する。この分岐比率は任意であり、励起光パルスの出力に余裕がある場合には、ａ≫ｂとした方が、単一光子パルスを取り出す際の損失(ｂ／２％)が少なくなる。余裕が少ない場合には、ａ≒ｂとすれば良い。

一方、第２の光導波路１２を伝搬する励起光パルスは量子ドット領域１３を通過する際に、光励起により単一光子パルスを発生する。発生した単一光子パルスは５０：５０の同確率で第２の光導波路１２の出射端側と無反射端構造１８側へ伝搬するが、出射端側に向かう単一光子パルスのみを出力する。この時、出射端側に向かう単一光子パルスは、第１の方向性結合器１４においてｂ％だけ第１の光導波路１１側へ分岐されるので、(５０−ｂ／２)％が出力となる。なお、無反射端構造１８へ向かう単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった励起光パルスとともに、無反射端構造１８から光導波路外に放出或いは吸収される。

この時、励起光パルスの波長が量子ドットの内の一つの量子ドットの励起子基底準位エネルギーのみと一致するようにすることにより、一つの量子ドットのみを共鳴励起し、共鳴蛍光により励起光パルスと同じ波長の単一光子パルスを発生する。共鳴蛍光による単一光子パルスであるので、識別不可能な単一光子となる。また、散乱成分となる励起光パルスは、無反射端構造１７，１８から光導波路外に放出或いは吸収され出射端側へは伝搬しないので、励起散乱光を制御性良く抑圧することができる。

なお、励起光散乱光を制御性良く抑圧するためには、第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２の励起光パルスの進行方向において、無反射端構造１７，１８の直前に曲がり導波路構造の減衰構造１５，１６を設けることが望ましい。曲がり導波路構造の減衰構造１５，１６としては、曲率半径の極めて小さな曲がり導波路を一箇所、ないしは複数箇所設ければ良く、導波路曲げ部での伝搬損失により光強度の減衰を与えることができる。また、無反射端構造としては無反射膜、斜め終端導波路または先細りテーパ導波路のいずれか、或いは、それらの組み合わせを用いれば良い。

無反射膜としては、ＳｉＯ_２膜やＭｇＦ_２膜等を用いた単層膜或いは多層膜を用いれば良い。なお、予め量子ドット領域に光導波路外から励起光を照射して発生したフォトルミネッセンス光の波長を測定して無反射膜の膜厚を設定するようにしても良い。

また、励起光パルスの進行方向における量子ドット領域の後段の領域において、第１の光導波路１１と第２の光導波路１２とが方向性結合する第２の方向性結合領域を設けても良い。この時、第１光導波路１１の第１の方向性結合領域１４と第２の方向性結合領域の間の領域に伝搬する励起光パルスの位相を制御する温度制御構造を設けることが望ましい。

特に、第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２を伝搬する励起光パルスが第２の方向性結合領域において合波される際に、合波された励起光パルスの１００％が第１の光導波路１１へ結合するように、温度制御構造により位相を制御することが望ましい。このように設定することで、第２の光導波路１２の無反射端構造１８に向かう励起光パルスは０％になり、仮に、若干の励起光パルスが反射されたとしても、第２の方向性結合領域において、その１００％が第１の光導波路１１に分岐される。

また、第１の光導波路１１に、励起光パルスの進行方向の第２の方向性結合領域の後段の領域において、第３の方向性結合領域及び第４の方向性結合領域によりマッハツェンダー干渉計型光導波路を形成し、量子ドット領域を有する第３の光導波路を結合しても良い。さらに、マッハツェンダー干渉計型光導波路を利用して量子ドット領域を有する多数の光導波路を第１の光導波路１１に結合しても良い。このように複数の光導波路を結合することにより、多数のポートからそれぞれ単一光子パルスを発生させることができ、高いスケーラビリティが得られる。また、１つの半導体基板上に多数の識別不可能な単一光子源を集積的に配置するようにしても良く、多数の単一光子パルスを同時に発生させることも可能になる。なお、これらの量子ドット領域に含まれる量子ドットの数は、１個乃至２０個、特に、５個以下とすることが望ましい。

また、この量子ドット領域に、量子ドットの励起子基底準位エネルギーを制御する一対の電極を設けることが望ましい。このように、電極を設けることによって、第３の光導波路等から出力される単一光子パルスの波長を第２の光導波路１２から出射される単一光子パルスの波長に一致させることができる。

このような、単一光子発生装置は、ＧａＡｓ基板を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系や、ＩｎＰ基板を用いたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等の化合物半導体によって形成するのが一般的である。また、上部クラッドとして半導体層を用いた埋め込み構造が一般的ではあるが、上部クラッドとしてＳｉＯ_２等の誘電体または空気を用いたリッジ構造としても良い。特に、量子ドット領域に電極を設けた場合に有効な構造となる。

また、各光導波路をＳＯＩ基板を用いてシリコンフォトニクス的に形成しても良い。この場合、ＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ層の一部を除去して、露出したＢＯＸ層上に基板貼り合せ技術を用いて化合物半導体を貼り合せて光導波路を形成し、単結晶Ｓｉ層の残部に制御用等の電子デバイスを形成しても良い。

本発明の実施の形態においては、方向性結合器と無反射端構造を用いているので、共鳴蛍光における励起光パルスの散乱成分を効果的に抑圧して、識別不可能な単一光子パルスを効率よく生成することができる。また、上記の構成を用いることで、１つの半導体基板上に多数の識別不可能な単一光子源を集積的に配置することができる。

次に、図２乃至図８を参照して、本発明の実施例１の単一光子発生装置を説明する。図１は、本発明の実施例１の単一光子発生装置の概略的平面図であり、一端を励起光パルスの入力端とした第１光導波路２９と、一端を単一光子パルスの出力端とし、量子ドット領域３１を備えた第２光導波路３０とを結合する方向性結合領域３２を設ける。

量子ドット領域３１には、５個以下の量子ドットが含まれるように、量子ドットの製造条件及び領域の区画を設定する。また、方向性結合領域３２の分岐比率は、励起光パルス光源の強度に余裕があるので、ここでは、１０：９０に設定する。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部には、夫々減衰領域となる曲がり導波路領域３３，３４を設け、後続する端部には斜め終端導波路３５，３６を介して無反射膜３８を設ける。

第１光導波路２９の入力端から励起光パルスが入射すると、方向性結合領域３２において１０％は第２光導波路３０を伝搬し、残りの９０％はそのまま第１光導波路２９を伝搬する。第２光導波路３０を伝搬する励起光パルスは量子ドット領域３１において一つの量子ドットのみを励起し、量子ドット内には励起子（電子‐正孔対）が一組だけ生成される。生成された励起子が再結合する際に単一光子パルスを生成する。なお、量子ドット領域３１に含まれる量子ドットは５個以下であるので、製造過程にける量子ドットのサイズにバラツキにより、夫々の励起子基底準位エネルギーが異なるため、励起光パルスの波長に一致する励起子基底準位エネルギーの量子ドットのみが励起される。

発生した単一光子パルスは夫々５０％の確率で左右方向に伝搬する。図において、左方向に伝搬する単一光子パルスは、方向性結合領域３２において、その１０％、したがって、５％（＝５０％×１０％）は第１光導波路２９に分岐されるが、残りの４５％は第２光導波路３０の出射端から出射されて光信号成分となる。また、右方向に伝搬する単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった１０％の励起光パルスとともに、曲がり導波路領域３４においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を斜め終端導波路３６を介して無反射膜３８から単一光子発生装置外に放出する。また、第１光導波路２９を伝搬する９０％の励起光パルスも曲がり導波路領域３３においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を斜め終端導波路３５を介して無反射膜３８から単一光子発生装置外に放出する。

具体的な光子数を挙げると、量子ドット一個の励起に必要な励起光パワーはモード径が１μｍの時、大凡１０ナノワット程度である。これは励起光パルスの波長を１．３μｍとする時、大凡１０^１１個の光子に相当する。残留励起光パルスの強度も同程度のオーダとすると、第２光導波路３０の出力端側で１００：１のＳ／Ｎ比を実現するには、残留励起光パルスの出力端からの反射成分を１３０ｄＢ以上抑圧し、単一光子１パルス当たりに含まれる残留励起光の平均光子数を０．０１個以下にまで減少させる必要がある。

端面に無反射膜３８を設けた場合の反射の抑制は最大５０ｄＢ程度であるが、その直前に曲がり導波路領域３３，３４を設け、その伝搬損失を利用することで往復８０ｄＢ以上の減衰を実現することができる。その結果、第２光導波路３０及び第１光導波路２９の右方向に伝搬する励起光パルスは、端部で反射されて左方向に伝搬することは実効的にはないので、第２光導波路３０の出力端から放出される単一光子パルスに励起光パルスの反射成分が混在することはない。したがって、ノイズとなる励起光パルスの反射成分を完全に抑制した識別不可能な単一光子の発生が可能になる。

次に、図３乃至図８を参照して、本発明の実施例１の単一光子発生装置の製造工程を説明する。なお、各図における図(ａ)は平面図であり、図(ｂ)は図(ａ)におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。まず、図３に示すように、ｉ型ＧａＡｓ基板２１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてＡｌ組成比が０．２で厚さが２μｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２及び厚さが０．２μｍのｉ型ＧａＡｓコア層２３を成膜する。次いで、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ＳＫ）成長モードでＩｎＡｓ量子ドット２４を形成した後、厚さが０．２μｍのｉ型ＧａＡｓコア層２５でＩｎＡｓ量子ドット２４を覆う。なお、この場合のＩｎＡｓ量子ドット２４の面内密度は１０^８ｃｍ^−２〜１０^９ｃｍ^−２程度になる。

次いで、図４に示すように、誘電体マスク２６を設けて、この誘電体マスク２６をマスクとして露出部をｉ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２に達するまでドライエッチングする。誘電体マスク２６の材料としては、ＳｉＯ_２膜でもＳｉＮ膜でも良いが、ここではＳｉＯ_２膜を用いる。この時、後述するように、導波路パターンを形成する際に、量子ドット領域に含まれるＩｎＡｓ量子ドット２４の数が５個以下になるように、誘電体マスク２６の幅は０．２μｍ〜１μｍ、ここでは、０．５μｍとする。

次いで、図５に示すように、誘電体マスク２６をそのまま選択成長マスクとして用いて、ＭＯＣＶＤ法により、厚さが０．４μｍのｉ型ＧａＡｓコア層２７を成長させて、ｉ型ＧａＡｓコア層２５と高さを揃える。

次いで、図６に示すように、誘電体マスク２６をウェットエッチングにより除去したのち、新たにＳｉＯ_２膜を設け、エッチングにより図２に示した導波路パターンを形成するための幅が１．５μｍの誘電体マスク２８を形成する。この時、図２に示した方向性結合領域３２における分岐比が１０：９０になるように、方向性結合領域における長さ及び二本の導波路パターンの間隔を適切に設定する。

次いで、図７に示すように、誘電体マスク２８をマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥ法を用いて、露出部をｉ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２２に達するまでドライエッチングして、メサ形状の第１光導波路２９及び第２光導波路３０を形成する。この時、第２光導波路３０の一部に幅が１．５μｍで長さが０．５μｍの量子ドット領域３１が形成される。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の後端部側には減衰領域となる曲がり導波路領域３３，３４と後続する斜め終端導波路３５,３６が形成される。

次いで、図８に示すように、誘電体マスク２８をウェットエッチングにより除去したのち、ＭＯＣＶＤ法を用いて全面にＡｌ組成比が０．２で厚さが１．０μｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３７を成長する。最後に後端面にＣＶＤ法を用いてＭｇＦ_２膜を成膜して無反射膜３８を形成することによって、本発明の実施例１の単一光子発生装置の基本構成が完成する。

本発明の実施例１においては、量子ドット領域３１に含まれる量子ドットの数を５個以下にしているので、共鳴励起の手法を用いてコヒーレンス時間の十分に長い識別不可能な単一光子パルスを効果的に生成することが可能となる。また、方向性結合領域３２により励起光パルス源と分離するとともに、減衰構造として曲がり導波路領域３３，３４及び無反射端構造としての斜め終端導波路３５，３６及び無反射膜３８を設けているので、ノイズとなる励起光パルスの反射成分を効率的に抑圧することができる。なお、斜め終端導波路の代わりに通常の端面に対して垂直に交差する終端導波路を用いても良い。

次に、図９を参照して、本発明の実施例２の単一光子発生装置を説明するが、無反射端構造として先細りテーパ部を用いた以外は、上記の実施例１と同様であるので最終構造のみを示す。図９は、本発明の実施例２の単一光子発生装置の説明図であり、図９(ａ)は概略的平面図であり、図９(ｂ)は、図９(ａ)におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。一端を励起光パルスの入力端とした幅が１．５μｍの第１光導波路２９と、一端を単一光子パルスの出力端とし、量子ドット領域３１を備えた幅が１．５μｍの第２光導波路３０とを方向性結合領域３２により結合する。

量子ドット領域３１には、５個以下の量子ドットが含まれるように、量子ドットの製造条件及び領域の区画を設定する。また、方向性結合領域３２の分岐比率は、任意であるが、ここでは、１０：９０に設定する。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部には、夫々減衰領域となる曲がり導波路領域３３，３４を設け、後続する端部には無反射端構造として先細りテーパ部３９，４０を設ける。

第１光導波路２９の入力端から励起光パルスが入射すると、方向性結合領域３２において１０％は第２光導波路３０を伝搬し、残りの９０％はそのまま第１光導波路２９を伝搬する。第２光導波路３０を伝搬する励起光パルスは量子ドット領域３１において一つの量子ドットのみを励起し、単一光子パルスを生成する。

発生した単一光子パルスは夫々５０％の確率で左右方向に伝搬する。図において、左方向に伝搬する単一光子パルスは、方向性結合領域３２において、その１０％、したがって、５％は第１光導波路２９に分岐されるが、残りの４５％は第２光導波路３０の出射端から出射されて光信号成分となる。

右方向に伝搬する単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった１０％の励起光パルスとともに、曲がり導波路領域３４においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を先細りテーパ部４０により導波路外に放出する。また、第１光導波路２９を伝搬する９０％の励起光パルスも曲がり導波路領域３３においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を先細りテーパ部３９により導波路外に放出する。放出された励起光パルスは光導波路領域以外で散乱・吸収されることになり、効果的な反射光の抑圧が期待できる。

本発明の実施例２においては、無反射端構造として先細りテーパ部３９，４０を用いているので、導波路パターンの形成工程で一括して形成することができ、膜厚制御が必要な無反射膜の形成工程が不要になる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の単一光子発生装置を説明するが、量子ドット領域に一対の電極を設けた以外は上記の実施例１と同様であるので最終構造のみ示す。図１０は、本発明の実施例３の単一光子発生装置の説明図であり、図１０(ａ)は概略的平面図であり、図１０(ｂ)は、図１０(ａ)におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。一端を励起光パルスの入力端とした幅が１．５μｍの第１光導波路２９と、一端を単一光子パルスの出力端とし、量子ドット領域３１を備えた幅が１．５μｍの第２光導波路３０とを方向性結合領域３２で結合する。

方向性結合領域３２の分岐比率は、任意であるが、ここでは、１０：９０に設定する。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部には、夫々減衰領域となる曲がり導波路領域３３，３４を設け、後続する端部には斜め終端導波路３５，３６を介して無反射膜３８を設ける。

量子ドット領域３１には、５個以下の量子ドットが含まれるように、量子ドットの製造条件及び領域の区画を設定する。この実施例３においては、量子ドット領域３１を両側から挟むように一対の電極３９，４０を設ける。この一対の電極４１，４２により量子ドットに電界を印加することにより、その励起子基底準位エネルギーを制御して単一光子の波長を制御することができる。

本発明の実施例３においては、量子ドット領域３１に一対の電極４１，４２を設けているので、励起光パルスの波長と各量子ドットの励起子基底準位エネルギーとが一致しない場合に、電界を印加することで両者の一致を図ることができる。特に複数の光導波路を集積化する場合には、各光導波路に設けた量子ドット領域で発生する単一光子の波長を励起光パルスの波長に合わせることができる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例４の単一光子発生装置を説明するが、反射光抑制機構が異なるだけで、基本的な積層構造及び製造方法は上記の実施例１と同様であるので、最終的な平面図のみを示す。図１１は、本発明の実施例４の単一光子発生装置の概略的平面図であり、一端を励起光パルスの入力端とした第１光導波路２９と、一端を単一光子パルスの出力端とし、量子ドット領域３１を備えた第２光導波路３０とを方向性結合領域３２で結合する。

量子ドット領域３１には、５個以下の量子ドットが含まれるように、量子ドットの製造条件及び領域の区画を設定する。また、方向性結合領域３２の分岐比率は、ここでは、５０：５０に設定する。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部には、夫々減衰領域５２，５３となる曲がり導波路領域を設け、後続する端部には無反射端構造５４，５５を設ける。なお、ここでは、無反射端構造として実施例１と同様に斜め終端導波路と無反射膜の組み合わせを用いるが、実施例２のように先細りテーパ部を用いても良い。

この実施例４においては、減衰領域５２，５３の前段部に第２の方向性結合領域５１を設け、方向性結合領域３２とともにマッハツェンダー干渉計型光導波路を形成する。なお、方向性結合領域５１の分岐比は０：１００とし、マッハツェンダー干渉計型光導波路部おけるアームとなる第１光導波路２９には温度制御部５６を設け、方向性結合領域５１において第１光導波路２９への結合率が１００％となるよう位相制御する。なお、温度制御部５６としては、ここでは薄膜ヒータを用いるが、ペルチェ効果素子等を用いても良い。

第１光導波路２９の入力端から励起光パルスが入射すると、方向性結合領域３２において５０％は第２光導波路３０を伝搬し、残りの５０％はそのまま第１光導波路２９を伝搬する。第２光導波路３０を伝搬する励起光パルスは量子ドット領域３１において一つの量子ドットのみを励起し、単一光子パルスを生成する。

発生した単一光子パルスは夫々５０％の確率で左右方向に伝搬する。図において、左方向に伝搬する単一光子パルスは、方向性結合領域３２において、その５０％、したがって、２５％（＝５０％×５０％）は第１光導波路２９に分岐されるが、残りの２５％は第２光導波路３０の出射端から出射されて光信号成分となる。

また、右方向に伝搬する単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった５０％の励起光パルスとともに、方向性結合領域５１において、全てが第１光導波路２９側に合波する。合波した単一光子パルスと１００％の励起光パルスは減衰領域５２においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を無反射端構造５４から単一光子発生装置外に放出する。なお、方向性結合領域５１において、第２光導波路３０側にも励起光パルスが伝搬したとしても、減衰領域５３においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を無反射端構造５５から単一光子発生装置外に放出するので、ノイズを確実に抑制することができる。

なお、実施例４においては、単一光子パルスの取り出し効率が２５％と実施例１より低くなる。しかし、励起光パルスの出力に余裕がなく、第１の方向性結合領域３２での結合効率を高く設計しなければならない場合でも単一光子パルスのＳ／Ｎ比を効果的に高めることが可能になる。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例５の単一光子発生装置を説明する。この実施例５は、第２の方向性結合器から第１光導波路の出力側へ向かう励起光パルスの残留成分を、無反射減衰構造を介さず次のマッハツェンダー干渉計型導波路の入力とした以外は上記の実施例４と同様であるので、最終的な平面図のみを示す。図１２は、本発明の実施例５の単一光子発生装置の概略的平面図であり、一端を励起光パルスの入力端とした第１光導波路２９と、一端を単一光子パルスの出力端とし、量子ドット領域３１を備えた第２光導波路３０とを方向性結合領域３２で結合する。

量子ドット領域３１には、５個以下の量子ドットが含まれるように、量子ドットの製造条件及び領域の区画を設定する。また、方向性結合領域３２の分岐比率は、ここでは、５０：５０に設定する。また、第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部に第２の方向性結合領域５１を設けてマッハツェンダー干渉計型光導波路を形成する。ここでも、マッハツェンダー干渉計型光導波路部おけるアームとなる第１光導波路２９に温度制御部５６を設け、方向性結合領域５１において第１光導波路２９への結合率が１００％となるよう位相制御する。

一方の第２光導波路３０の方向性結合領域５１以降の領域には減衰領域５３となる曲がり導波路領域を設け、後続する端部には無反射端構造５５を設ける。なお、ここでは、無反射端構造５５として実施例２のように先細りテーパ部を用いる。

この実施例５においては、第２の方向性結合器４１から第１光導波路３０の出力側へ向かう励起光パルスの残留成分を、第２のマッハツェンダー干渉計型光導波路構造を形成する方向性結合領域６３，６４により第３光導波路６１に結合する。この第２のマッハツェンダー干渉計型導波路のアームとなる第３光導波路６１の部分に５個以下の量子ドットが含まれる量子ドット領域６２を設ける。なお、図示は省略するが、各量子ドット領域３１，６２には、実施例３と同様に一対の電極を設けており、電極に電圧を印加することで、量子ドット領域３１，６２に含まれる一つの量子ドットの共鳴波長が励起光パルスの波長に一致するように制御する。

方向性結合領域６３の分岐比は５０：５０とし、また、第２のマッハツェンダー干渉計型光導波路部おけるアームとなる第１光導波路２９には温度制御部６９を設け、方向性結合領域６４において第１光導波路２９への結合率が１００％となるよう位相制御する。なお、温度制御部６９としては、ここでは薄膜ヒータを用いるが、ペルチェ効果素子等を用いても良い。

また、方向性結合領域６４以降の第１光導波路２９及び第２光導波路３０の延長部の後端部には、夫々減衰領域６５，６６となる曲がり導波路領域を設け、後続する端部には無反射端構造６７，６８を設ける。なお、ここでは、無反射端構造６７，６８として実施例１と同様に斜め終端導波路と無反射膜の組み合わせを用いるが、実施例２のように先細りテーパ部を用いても良い。

発生した単一光子パルスは夫々５０％の確率で左右方向に伝搬する。図において、左方向に伝搬する単一光子パルスは、方向性結合領域３２において、その５０％、したがって、２５％は第１光導波路２９に分岐されるが、残りの２５％は第２光導波路３０の出射端から出射されて光信号成分となる。

また、右方向に伝搬する単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった５０％の励起光パルスとともに、方向性結合領域５１において、全てが第１光導波路２９側に合波する。方向性結合領域５１において、第２光導波路３０側にも励起光パルスが伝搬したとしても、減衰領域５３においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を無反射端構造５５から単一光子発生装置外に放出する。

方向性結合領域５１において第１光導波路２９側に合波した単一光子パルスと１００％の励起光パルスは方向性結合領域６３において５０％は第３光導波路６１を伝搬し、残りの５０％はそのまま第１光導波路２９を伝搬する。第３光導波路６１を伝搬する励起光パルスは量子ドット領域６２において再び一つの量子ドットのみを励起し、単一光子パルスを生成する。

発生した単一光子パルスは夫々５０％の確率で左右方向に伝搬する。図において、左方向に伝搬する単一光子パルスは、方向性結合領域６３において、その５０％、したがって、２５％は第１光導波路２９に分岐されるが、残りの２５％は第３光導波路６１の出射端から出射されて光信号成分となる。

また、右方向に伝搬する単一光子パルスは量子ドットで吸収されなかった５０％の励起光パルスとともに、方向性結合領域６４において、全てが第１光導波路２９側に合波する。合波した単一光子パルスと１００％の励起光パルスは減衰領域６５においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を無反射端構造６７から単一光子発生装置外に放出する。方向性結合領域６４において、第３光導波路６１側にも励起光パルスが伝搬したとしても、減衰領域６６においてその一部を光導波路外に放出し、さらに、残存する成分を無反射端構造６８から単一光子発生装置外に放出する。

なお、量子ドット領域６２で発生して左側に伝搬する単一光子パルスのうち、方向性結合領域６３において、その５０％が第１光導波路２９側に分岐する。分岐した成分は、方向性結合領域３２において、さらにその５０％、したがって、１２．５％（＝５０％×５０％×５０％）は第２光導波路３０側に分岐して出力端から出力される。量子ドット領域６２で発生した単一光子パルスのうち、第２光導波路３０の出力端から出力される単一光子パルスが、量子ドット領域３１で発生した単一光子パルスのうち、第２光導波路３０の出射端から出射される単一光子パルスに混じるのを避けるのであれば、方向性結合領域５１と方向性結合領域６３の間に、減衰領域６５，６６と同様の機構による新たな無反射減衰部を設ければよい。例えば、無反射減衰部の減衰率を６ｄＢに設定すると、量子ドット領域６２で発生した単一光子パルスのうち、第２光導波路３０の出力端から出力される単一光子パルスの割合は３％程度にまで低減される。方向性結合領域５１から方向性結合領域６３に向かう励起光パルスも６ｄＢ減衰するが、第１導波路２９の励起光入力端より入力する励起光の強度を約４倍強くすることで減衰分が補われる。

本発明の実施例５においては、第２の方向性結合領域５１において第１光導波路２９に戻された励起光パルスを、第２のマッハツェンダー干渉計に含まれる量子ドットを励起するための新たな励起光パルスとして用いている。これにより、励起光パルスの入力ポートを増やすことなく、複数のポートから同時に単一光子パルスを発生させることが可能となる。

なお、本発明の実施例５においては、２組のマッハツェンダー干渉計を用いて２本の光導波路の出射端(ポート)からノイズの混ざらない単一光子パルスを出力している。しかし、原理的にはＮ組のマッハツェンダー干渉計を接続することにより、Ｎ個のポートからそれぞれ単一光子パルスを発生させることができ、高いスケーラビリティが得られる。

ここで、実施例１乃至実施例５を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１)一端を励起光パルスの入力端とし、他端に無反射端構造を備えた第１の光導波路と、一端を単一光子パルスの出力端とし、他端に無反射端構造を備えるとともに、前記出力端と前記無反射端構造との間に１個乃至２０個の量子ドットを含む量子ドット領域を備えた第２の光導波路とを有し、前記出力端と前記量子ドット領域との間の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合する第１の方向性結合領域を有することを特徴とする単一光子発生装置。
（付記２)前記量子ドット領域は、５個以下の量子ドットを含むことを特徴とする付記１に記載の単一光子発生装置。
（付記３)励起光パルスの波長が前記量子ドットの内の一つの量子ドットの励起子基底準位エネルギーのみと一致することを特徴とする付記１または付記２に記載の単一光子発生装置。
（付記４)前記第１の光導波路の前記励起光パルスの進行方向において、前記無反射端構造の直前に曲がり導波路構造の減衰構造を有し、前記第２の光導波路の前記励起光パルスの進行方向において、前記無反射端構造の直前に曲がり導波路構造の減衰構造を有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記５)前記無反射端構造が、無反射膜、斜め終端導波路、または先細りテーパ導波路のいずれか、或いはこれらの組み合わせであることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記６)前記量子ドット領域に、前記量子ドットの励起子基底準位エネルギーを制御する一対の電極を設けたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記７)前記励起光パルスの進行方向における前記量子ドット領域の後段の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合し、前記第１の方向性結合領域とともにマッハツェンダー干渉計を形成する第２の方向性結合領域を有し、前記第１の光導波路は、前記第１の方向性結合領域と前記第２の方向性結合領域の間の領域に、伝搬する前記励起光パルスの位相を制御する温度制御構造を有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記８)前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路を伝搬する前記励起光パルスが前記第２の方向性結合領域において合波される際に、前記励起光パルスの１００％が前記第１の光導波路へ結合することを特徴とする付記７に記載された単一光子発生装置。
（付記９)前記第１の方向性結合領域において、入射した前記励起光パルスが、１：１で前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路を伝搬することを特徴とする付記８に記載の単一光子発生装置。
（付記１０)前記励起光パルスの進行方向における前記第２の方向性結合領域の後段の領域において、マッハツェンダー干渉計を形成する第３の方向性結合領域及び第４の方向性結合領域により前記第１の光導波路と方向性結合する第３の光導波路を有し、前記第３の光導波路は、前記第３の方向性結合領域と前記第４の方向性結合領域との間の領域に、１個乃至２０個の量子ドットを含む量子ドット領域を有することを特徴とする付記７乃至付記９のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記１１)前記第３の光導波路に設けられた量子ドット領域は、５個以下の量子ドットを含むことを特徴とする付記１０に記載の単一光子発生装置。
（付記１２)前記第３の光導波路に設けられた量子ドット領域に、前記量子ドットの励起子基底準位エネルギーを制御する一対の電極を設けたことを特徴とする付記１０または付記１１に記載の単一光子発生装置。
（付記１３)前記第１の光導波路は、前記第３の方向性結合領域と前記第４の方向性結合領域の間の領域に、伝搬する前記励起光パルスの位相を制御する温度制御構造を有することを特徴とする付記１０乃至付記１２のいずれか１に記載の単一光子発生装置。

１１第１の光導波路
１２第２の光導波路
１３量子ドット領域
１４方向性結合領域
１５，１６減衰構造
１７，１８無反射端構造
２１ｉ型ＧａＡｓ基板
２２ｉ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
２３，２５，２７ｉ型ＧａＡｓコア層
２４ＩｎＡｓ量子ドット
２６，２８誘電体マスク
２９第１光導波路
３０第２光導波路
３１，５２量子ドット領域
３２，５３方向性結合領域
３３，３４曲がり導波路領域
３５，３６斜め終端導波路
３７ｉ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
３８無反射膜
３９，４０先細りテーパ部
４１，４２電極
５１，６４方向性結合領域
５２，５３，６５，６６減衰領域
５４，５５，６７，６８無反射端構造
５６，６９温度制御部
６１第３光導波路
７１単一光子量子ドット
７３，７３，７５，７７光導波路
７４接合面
７６，７８ダイクロイックミラー
７９励起パルス光
８０一光子
８１価電子帯の最高エネルギー準位
８２伝導帯の最低エネルギー準位
８３励起子のエネルギー準位
８４正孔
８５電子

Claims

一端を励起光パルスの入力端とし、他端に無反射端構造を備えた第１の光導波路と、
一端を単一光子パルスの出力端とし、他端に無反射端構造を備えるとともに、前記出力端と前記無反射端構造との間に１個乃至２０個の量子ドットを含む量子ドット領域を備えた第２の光導波路と
を有し、
前記出力端と前記量子ドット領域との間の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合する第１の方向性結合領域を有し、前記励起光パルスの進行方向における前記量子ドット領域の後段の領域において、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが方向性結合し、前記第１の方向性結合領域とともにマッハツェンダー干渉計を形成する第２の方向性結合領域を有し、
前記第１の光導波路は、前記第１の方向性結合領域と前記第２の方向性結合領域の間の領域に、伝搬する前記励起光パルスの位相を制御する温度制御構造を有することを特徴とする単一光子発生装置。
前記第１の光導波路の前記励起光パルスの進行方向において、前記無反射端構造の直前に曲がり導波路構造の減衰構造を有し、
前記第２の光導波路の前記励起光パルスの進行方向において、前記無反射端構造の直前に曲がり導波路構造の減衰構造を有することを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生装置。
前記量子ドット領域に、前記量子ドットの励起子基底準位エネルギーを制御する一対の電極を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単一光子発生装置。
前記励起光パルスの進行方向における前記第２の方向性結合領域の後段の領域において、マッハツェンダー干渉計を形成する第３の方向性結合領域及び第４の方向性結合領域により前記第１の光導波路と方向性結合する第３の光導波路を有し、
前記第３の光導波路は、前記第３の方向性結合領域と前記第４の方向性結合領域との間の領域に、１個乃至２０個の量子ドットを含む量子ドット領域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。