エンタングルされた光子を生成する光子源
量子ドット（５１９）と、前記量子ドット（５１９）に電場を印加するように構成される電気的コンタクト（５３３、５３７）と、前記コンタクト（５３３、５３７）に結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドット（５１９）に供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を具備する光子源であって、前記光子源は、量子ドット（５１９）内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドット（５１９）へ及び前記量子ドット（５１９）からトンネルする時間を増大するように構成される障壁（５２１）をさらに具備し、前記量子ドット（５１９）は、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適している、光子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここで説明される実施形態は、一般に、光子源の分野に関し、特に、エンタングルされた光子対を生成することができる光子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンタングル光子源は、量子通信、量子計算、及び高解像度イメージングのような多くの分野での利用がある。エンタングルされた光子は、光学非線形結晶でパラメトリックダウンコンバージョンを使用して生成されることができる。しかしながら、他のコンポーネントとの統合の容易さの理由から、標準的な半導体材料を使用してそのような光子源を作成することができる商業的な必要がある。
【０００３】
近年、量子ドットにおける双励起子崩壊を使用して、エンタングルされた光子状態を生成することを試みる研究が行われている。
【０００４】
エンタングルメントを生成するためには、安定した中性励起子に崩壊する安定した中性双励起子を生成することが必要である。
【０００５】
引用文献リスト
GB 2451803
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これより、以下の限定されない実施形態を参照して本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明を理解するのに役立つ量子ドットを備えるＬＥＤの概略図である。
【図２】図２は、図１のＬＥＤのバンド図の概略図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明を理解するのに役立つ図１及び２を参照して説明されるタイプの光子源のフォトルミネセンスのグレースケールプロットであり、フォトルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、フォトルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされ、図３（ｂ）は、本発明を理解するのに役立つ図１及び２に参照して説明されるタイプの光子源のエレクトロルミネセンスのグレースケールプロットであり、エレクトロルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、エレクトロルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされる。
【図４】図４（ａ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のフォトルミネセンスのグレースケールプロットであり、フォトルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、フォトルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされ、図４（ｂ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のエレクトロルミネセンスのグレースケールプロットであり、エレクトロルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、エレクトロルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされる。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従う光子源に関する概略の電子エネルギーバンド図であり、図５ａは、量子ドットの各々の側に設けられる厚さ１λのＧａＡｓ障壁を備えて形成されるＩｎＡｓ量子ドットを備える光子源を有し、図５ｂは、量子ドットの片側に設けられる厚さ１λのＧａＡｓを備えるＩｎＡｓ量子ドットを有し、図５ｃは、量子ドットの片側に設けられるＡｌＧａＡｓ障壁を備えるＩｎＡｓ量子ドットを有し、図５ｄは、ＩｎＡｓ量子ドット及び量子ドットの一方の側に設けられる２つのより高いＡｌＧａＡｓ障壁を有する。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に従う光子源からのエンタングルされた光子対のＤＣ測定を示すプロットであり、図６（ａ）、６（ｂ）及び６（ｃ）はそれぞれ、同一（黒）又は反対（破線）の偏光光子対に関して、直線、対角及び円基底において測定された光子間の遅延の関数とする放射の二次相互相関のプロットであり、図６（ｄ）は、光子間の遅延の関数として、最大にエンタングルされた状態（｜ＨＨ＞＋｜ＶＶ＞）／√２に対する測定された光子対の忠実度を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に従う光子源からのエンタングルされた光子対放射のＡＣ測定であり、図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）は、それぞれ直線、対角及び円基底において測定された光子間の期間の数（the number of periods）の関数として偏光相関の程度を示し、図７（ｄ）は、最大にエンタングルされた状態（｜ＨＨ＞＋｜ＶＶ＞）／√２に対する測定された光子対の対応する忠実度を示す。
【図８】図８（ａ）は、励起子レベルで偏光分裂Ｓを備える典型的な量子ドットのエネルギー準位図であり、図８（ｂ）は、ゼロの偏光分裂を備える量子ドットのエネルギー準位図である。
【図９】図９（ａ）は、複数の成長した量子ドットの量子ドットエネルギーに対する分裂を示すプロットであり、図９（ｂ）は、６７５℃で（左から右へ）５分ステップでアニールされた２つのドットのドットエネルギーに対する分裂のプロットを示し、図９（ｃ）は、面内磁場に対する単一ドットの分裂のプロットである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略の層状構造である。
【図１２】図１２は、本発明のさらなる実施形態に従う光子源の概略の層状構造である。
【図１３】図１３（ａ）から１３（ｄ）は、本発明の一実施形態に従うデバイスの可能な動作モードを示す概略のバンド図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に従う光学記録装置の概略図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に従う量子通信システムの概略図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に従う量子リピータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一実施形態では、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を具備する光子源であって、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適している、光子源が提供される。
【０００８】
誤解を避けるために、用語「障壁」は、量子ドットのものより高いバンドギャップを有する材料系（material system）を意味するのに使用される。
【０００９】
障壁は、一般に、量子ドットと電気的コンタクトとの間の層として設けられる。前記層の厚さは、好ましくは、少なくとも１５０ｎｍである。
【００１０】
一実施形態では、光子源は、量子ドットがｐ及びｎ領域間の真性（ｉ）領域内に設けられるｐ−ｉ−ｎ構造を有する。
【００１１】
電子に関するトンネル時間は、より小さい有効質量のために、通常はホールよりもはるかに短いので、障壁は、単に電子のトンネル時間を増大させるために設けられることができる。従って、障壁は、ｎ型コンタクトと量子ドットとの間に設けられることができる。
【００１２】
量子ドットは、ＩｎＡｓ量子ドットであることができ、障壁材料は、ＧａＡｓであることができる。しかしながら、障壁材料はまた、ＡｌＧａＡｓのようなより高いバンドギャップ材料を含んでもよい。ＡｌＧａＡｓのより高いバンドギャップのために、ＡｌＧａＡｓ障壁は、トンネリングに同じレベルの弾性（resilience）を提供するために、ＧａＡｓ障壁と同じ厚さにする必要はないだろう。しかしながら、ＧａＡｓのようなより低いバンドギャップの障壁材料は、このような材料が光子源により低い動作ポテンシャルを要求するので、好ましい。
【００１３】
量子ドットによって放射された光子対は、典型的に、状態の時間発展成分（time evolving component）を低減するために、時間発展状態にエンタングルされ、量子ドットにおける異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差又は「分裂」は、最小化される必要がある。従って、好ましくは、エネルギー準位の分裂は、量子ドットからの放射の均質線幅以下である。これらの特性を有するドットは、縮退したエネルギー準位を有する。典型的なＩｎＡｓ量子ドットにおいては、励起子の放射寿命は、〜１ｎｓ程度である。定量的に、分裂は、２μｅＶ以下であるべきであり、より好ましくは、１μｅＶ以下であるべきである。
【００１４】
上記の望ましい分裂を備える量子ドットを生成する多くの方法がある。小さい又は最小の分裂（small to minimal）は、いくらかのドットで、特に、約１．４ｅＶのエネルギーで光子を放射するドットで、自然に起こっている。従って、ドットは、上記の特性を有するように選択されることができる。
【００１５】
量子ドットにおける「分裂」は、さらに、ドットの製作後に低減されることができる。例えば、光子源は、量子ドットの分裂を低減するために、成長後にアニーリングを施されることができる。さらなる実施形態では、量子ドットは、分裂を低減するために、さらなる場にさらされる。場は、磁場、電場又は歪場から選択されることができる。
【００１６】
一実施形態では、光子源は、エンタングル光子源（entangled photon source）として使用され、より具体的には、エンタングル発光ダイオード（entangled light emitting diode）として使用される。源は、量子通信システム、量子イメージング、量子データ保存及び読み取り、並びに、これら及び他の用途のための量子計算での使用に適しており、源は、好ましくは、エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く分配する分配部をさらに備える。
【００１７】
第１の構成では、分配部は、源から放射される時間又はそれらのエネルギーに基づいて光子を分離し、これら光子を出力するように構成されることができる。
【００１８】
第２の構成では、分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割するように構成される。そのように構成される分配部は、偏光ビームスプリッタを備えることができる。エンタングルされた対を形成する光子は、出力チャネルの量子力学重ね合せで出力されることができる。
【００１９】
分配部は、さらなる特性に関してエンタングルされた光子をエンタングルするようにさらに構成されることができ、前記さらなる特性は、経路エンタングルメント（path entanglement）又は位相エンタングルメント（phase entanglement）から選択される。
【００２０】
エンタングルされた光子対のいくつかの用途は、光子のうちの１つのエンタングルされた状態の測定が他の光子に影響する特性を使用する。この特性は、量子通信システムで利用される。この特性を使用するシステムでは、個別の検出器は、対の各光子に関して必要とされる。従って、一実施形態では、源は、対の各光子に関して個別の検出器を備える。
【００２１】
量子イメージングのようなエンタングルされた光子対の他の用途は、エンタングルされた対の低下された波長に頼る。そのような用途では、単一光子の到着とエンタングルされた光子対の到着を区別することができる単一検出器が設けられる。
【００２２】
使用では、光子源は、源を固定のＤＣバイアスに保持することにより動作されることができる。しかしながら、１つの動作モードでは、電源が量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧とキャリアの注入が止められる第２の電圧との２つの電圧で切り替えるように構成されることができるように、デバイスへのバイアスはパルス化される。
【００２３】
第１の電圧では、源は、それらが放射的に再結合して光子対を放射することができるように、ドットに電子及びホールを注入するために、電流に関する閾値より上でフォワードバイアスをかけられる。電圧の実際の値は、ダイオード設計、材料、リークパス及び接触抵抗に依存する。電流は、少なくとも１つの電子及びホールが励起子減衰寿命と等しい期間でドットによって捕捉されるのに十分であるべきである。
【００２４】
一実施形態では、第２の電圧は、コンタクトから量子ドットへのキャリアのトンネリングを最小化するように設定されることができる。
【００２５】
さらなる実施形態では、光子源を動作する方法であって、前記光子源は、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を備え、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適しており、前記方法は、前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められて前記量子ドットへの並びに前記量子ドットからのキャリアのトンネリングが最小化される第２の電圧との２つの電圧で前記電源を切り替えること、を具備する方法が提供される。
【００２６】
またさらなる実施形態では、光子源を製造する方法であって、前記方法は、ｎ型半導体領域を形成することと、ｐ型半導体領域を形成することと、前記ｎ及びｐ型半導体領域間の半導体構造内に量子ドットを形成することと、前記ｎ型領域と前記量子ドットとの間に障壁を形成することと、を具備し、前記障壁は、前記量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より大きくなるように、電子が前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルするのに要する時間を増大するように構成され、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中のエンタングルされた光子の放射に適するように構成され、前記方法は、前記ｎ及びｐ型半導体領域に電気的コンタクトを提供することを具備する、方法が提供される。
【００２７】
一実施形態では、量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、量子ドットの成長パラメータを選択することを備える。
【００２８】
さらなる実施形態では、量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、量子ドットの形成後に量子ドットをアニールすることを備える。
【００２９】
またさらなる実施形態では、量子ドットを構成することは、量子ドットを場にさらすことを備え、この場は、歪場、磁場又は電場から選択される。歪場は、例えば、デバイスをピエゾ電気変換器に結合し、電圧を変換器に印加することによって、印加されることができ、それは、デバイスに歪場を次々に印加する。磁場は、デバイスの近くの伝導又は超伝導コイルに電流を流すことによって、或いは、１以上の永久磁石の存在によって、印加されることができる。
【００３０】
図１は、本発明を理解するのに役立つ量子ドットを備えた単純化された光子源１を示し、この光子源は、下方のｎ型領域３を有し、真性活性領域（intrinsic active region）５がｎ型領域３に重なって接触して設けられている。量子ドット７は、活性領域５内に設けられている。上方のｐ型領域９は、活性領域５に重なって接触して設けられている。
【００３１】
図２は、図１の構造のバンド図であり、不要な反復を回避するために、同様の参照番号が同様の特徴を示すために使用されている。図２では、ＩｎＡｓ量子ドット７は、ｉＧａＡｓを含む真性領域５内に設けられている。下方のｎドープ領域（n-doped region）３は、ｎ型にドープされたＧａＡｓを含み、上方のｐドープ領域（p-doped region）９は、ｐ型にドープされたＧａＡｓを含む。真性領域５は、量子ドット７から放射される光子の波長とほぼ等しい（領域の面と垂直な方向の）総厚さ（total thickness）を有する。
【００３２】
使用時には、励起子を形成するために、電子が量子ドット７の伝導帯１３に供給され、ホールが量子ドット７の価電子帯１１に供給される。放射減衰時間又は寿命として知られている平均時間の後に、励起子は、崩壊して光子を出力する。
【００３３】
典型的には、図１及び２に示される光子源は、電気的励起のもとで負帯電励起子状態から光子を放射する。このことは、図３（ｂ）に示される。負帯電励起子状態は、量子ドット内の電子の数がホールの数より多い場合のものである。
【００３４】
図３（ｂ）は、ダイオードに印加されるバイアスの関数として、図１及び２に示されるタイプの構造からのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を示す。支配的な放射は、２つの電子及び単一ホールを有する励起子の崩壊に対応するＸ−からのものである。２つの電子及び２つのホールを有する中性双励起子からの崩壊に対応するＸＸからの見て取れるが弱い寄与がある。
【００３５】
図３（ａ）は、印加されるバイアスを関数としてフォトルミネセンスを示す。デバイスからのフォトルミネセンスは、ＸＸ及びＸ−崩壊並びに中性Ｘ状態（単一中性励起子が１つの電子及び１つのホールを含む。）及び２つのホール及び１つの電子を含む正励起子であるＸ＋状態からの崩壊を示す。
【００３６】
量子ドットへのバイアスに応じた３つの動作範囲が図３（ａ）において見ることができる。領域は、点線によって分離されて示されている。量子ドット内の放射する励起子は、バイアスが増大するにつれて、これらの領域の各々において主に正に、中性に、負に帯電したものに切り替わる。
【００３７】
量子ドットの帯電性質（charging behaviour）のこの変化は、主としてトンネリングに起因する。最も低いバイアス領域においては、真性領域への電場が強く、それは、ドットからコンタクトへのキャリアのトンネル速度（tunnelling rate）を増大するように、ドットを囲むＧａＡｓ障壁の有効幅を低減する。電子がより小さい有効質量を有し且つ対応してより大きな波動関数を有するので、障壁中を通る透過は、電子では高い確率になり、従って、光学的に励起された電子の量子ドットを減少させ、結果的に正帯電励起子放射になる。
【００３８】
中間のバイアス領域においては、場は、有意なトンネリングを促進するには不十分であり、光学的に励起された電子及びホールは、放射的に再結合して中性帯電（neutrally charged）励起子及び双励起子光子を放射する。これは、エンタングルされた光子対を生成するのに要求されるレジーム（regime）である。
【００３９】
最も高いバイアス領域においては、伝導帯及び価電子帯の形状（profile）は、平坦なバンド状態に近づく。その結果として、量子ドットにおける電子及びホール状態のエネルギー準位は、ｐ及びｎコンタクトのエネルギー準位より下になり、量子ドットがコンタクトからの真性ＧａＡｓ障壁中を通るトンネリングによって電荷で満たされることがエネルギー的に好ましくなる。この場合にも、この効果は、より小さい有効質量のために電子に関して優位であり、量子ドットは、光学的励起の後に負帯電励起子光子放射を引き起こす余分の負帯電電子を得ようとする。
【００４０】
従って、デバイスへの電流注入に必要なものより低いバイアスでは、恵まれている励起子複合体は、負帯電に切り替わる。いくらかの中性ＸＸ放射は、ＥＬ（図３（ｂ））において観測される。これは、電子の最大数を２に制限する、調査された量子ドットにおける高次の閉じ込め電子状態（higher order confined electron states）（ｐ状態）の欠如に起因する。しかしながら、ＸＸ光子を放射した後に、ドットは、他の電子ですぐに帯電してＸ−を形成する。
【００４１】
本発明の一実施形態は、電流を使用してエンタングルされた光子対を生成するためのものである。適切な量子ドットにおいて中性双励起子が基底状態に崩壊する場合、エンタングルされた光子対が生成される。分裂が小さい場合、ＸへのＸＸの崩壊から始まってその後にＸ自体の崩壊があるこのカスケード崩壊は、エンタングルされた光子対を生成する。低いバイアス領域でのＸ＋励起子へのＸＸ励起子の変化或いは高いバイアス領域でのＸ−励起子へのＸ励起子の変化は、エンタングルメントを無効化するだろう。
【００４２】
発明者は、量子ドット内に形成された双励起子が中性の励起子に崩壊する場合に、この中性励起子が、崩壊する前に量子ドットへの電子トンネリングによって負帯電になることがあることに気付いた。さらに、双励起子は、量子ドットからの電子のトンネリングによって正の励起子に変化することがある。これらのプロセスは両方とも、双励起子崩壊によるエンタングルされた光子対の生成を妨げる。従って、量子ドットへの若しくは量子ドットからの電子又はホールのトンネリングを制限することによって、双励起子又は励起子の中性電荷状態をより長い期間保つことができる。特に、励起子の崩壊中に存在する電場での電荷トンネリングの速度（rate）は、ドットにおける励起子状態の寿命より小さく、そのため、放射サイクル中の励起子の帯電があまり生じないようになる。
【００４３】
図４（ａ）及び４（ｂ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のフォトルミネセンス及びエレクトロルミネセンスをそれぞれ示す。
【００４４】
図４（ａ）及び４（ｂ）に示される結果を生じるのに使用されたデバイスは、光子源のドープ領域と量子ドットとの間でのトンネリングを低減している。これは、量子ドットを囲む真性的にドープされた（intrinsically doped）ＧａＡｓ障壁の厚さを増大することにより達成された。キャビティの厚さは、より厚い層を組み込むために増大され、１ラムダから２ラムダに変更された（ここで、ラムダは１つの動作波長に対応する光学距離である。）。
【００４５】
測定されたバイアスの範囲では、この場合にも、３つの領域が図４（ａ）のＰＬスペクトルにおいて見られる。図３（ａ）と同じような方法で、中性Ｘ及びＸＸ放射は、第２領域のバイアス（＞１．５５Ｖ）で始まる。より低いバイアスでは、障壁中を通る電荷の脱出は、正帯電放射に有利に働く。しかしながら、第３の領域（＞１．７Ｖ）では、Ｘ−放射が見て取れるようになるが、それは、図１から３の１ラムダキャビティデバイスと比較して弱い。決定的に、図４（ｂ）に示されるＥＬスペクトルでは、放射は、エンタングルされた光子対を生成するために必要とされるような主に中性Ｘ及びＸＸ状態からのものである。
【００４６】
ＥＬの振る舞いは、以下のように説明される。価電子及び伝導帯の両方のポテンシャル形状は、ｎドープ領域からｐドープ領域への電子の注入及び逆方向へのホールの注入を可能にするように、ほぼ平坦（平坦バンド状態）である。量子ドットの電子及びホールのエネルギー準位は、周囲のＧａＡｓ障壁のものより下にあり、２つの電子及びホールは、ＸＸ状態を作るために、注入された電流からリラックスする（relax）。ＸＸ状態は、崩壊してＸＸ光子を放射し、中性Ｘ状態を後に残す。障壁が比較的厚いので、ドットをＸ−に再帯電するためのｎコンタクトからの電子に関するトンネル時間は、Ｘ状態が再結合してＸ光子を放射するのに要する時間より長い。
【００４７】
同様の効果を達成することができる他の障壁設計があり、いくつかの可能な障壁設計について図５を参照して説明する。不要な反復を回避するために、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。
【００４８】
図５（ａ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第１の障壁設計を示す。このバージョンでは、障壁を形成する全部の真性領域５は、光学的厚さが約２ラムダに拡大されており、図４（ａ）及び４（ｂ）に示される結果を得るために使用された。実際には、その最初及び最後の部分がドープされ得る厚さ２ラムダのキャビティ内に真性領域が組み込まれることができるように、真性領域の総厚さは、２ラムダよりわずかに小さくてもよい。真性領域５は、ドット７とｎ型領域３との間に設けられる第１の障壁２１、及びドット７とｐ型領域９との間に形成される第２の障壁２３に分割される。より厚いｉ−ＧａＡｓ障壁２１及び２３は、トンネル速度を劇的に低下し、その結果、Ｘ状態の放射減衰時間（radiative decay time）は、ｎ領域３からドット７への他の電子のトンネル時間より短い。
【００４９】
図５（ｂ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として他の障壁設計を示す。電子トンネリングが支配的な帯電メカニズムであるので、この例では、第１の障壁２１だけが図１及び２の参照事例と比較して拡大されている。第２の障壁２３は、図１及び２に示されるものと同じサイズである。
【００５０】
図５（ｃ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第３の障壁設計を示す。この例では、ｎ側の障壁２１は、厚さが２分の１ラムダ（lambda/2）であるが、その有効高さは、図示されるように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ領域を含めることにより増大される。増大された障壁は、ｎ領域からドットへの電子のトンネル確率を低減するだろう。さらに、図１及び２の参照事例と比較した場合、障壁はまた、同じ印加バイアスに関する電流フローを低減するだろう。ドットへのキャリアの効率的な注入は、より高いバイアスによって、或いは、より高いバイアスで供給される電流の短パルスによって増加されることができる。
【００５１】
図５（ｄ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第４の修正障壁設計を示す。それは、図５（ｃ）のものと類似しているが、量子ドットのｐ側の障壁にＡｌＧａＡｓ領域をさらに含む。ホールのより大きな有効質量によってホールトンネリングが電子トンネリングに比べてすでに抑制されているので、このＡｌＧａＡｓ障壁の高さ及び幅は、ｎ側のＡｌＧａＡｓ領域ほど大きい必要はない。ＡｌＧａＡｓ障壁の高さは、ガリウムの割合と比較したアルミニウムの割合を増大するようにして、増大されることができる。
【００５２】
図６は、図５（ａ）の概略設計に関する光子源からの実験結果を示す。使用された実際のデバイスは、図１１を参照して説明される。
【００５３】
サンプルは、連続流Ｈｅクライオスタットで〜６Ｋに冷却され、放射は、顕微鏡対物レンズを使用して集められた。放射は、ＸＸ及びＸ放射に対応する光をそれぞれフィルタする２つのスペクトロメータの間でビームスプリッタを使用して分割された。偏光ビームスプリッタは、Ｘ放射を垂直に偏光された成分及び水平に偏光された成分に分割し、これらは、シリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用して検出された。垂直に向けられた直線偏光子は、ＸＸ放射をフィルタし、それは、第３のＡＰＤによって検出された。偏光組み合わせ（polarisation combination）の各々におけるＸＸ光子の検出と光子の検出との間の時間は、時間波高変換器と計数電子機器（counting electronics）を使用して測定された。
【００５４】
サンプルは、４ｍＡにセットされた電流源を使用してｄｃモードで駆動された。二次相関ｇ（２）は、偏光基底直線、対角、及び円の各々において、同じ偏光及び逆の偏光の光子対に関して、ＸＸ及びＸ光子間の時間遅延τの関数として測定された。直線及び対角偏光は、対物レンズの後に直接に挿入される２分の１波長板の角度を０°及び２２．５°にそれぞれ設定することによって選択され、円基底は、２分の１波長板を、４５°に向けた４分の１波長板と取り換えることによって選択された。ｄｃ相関測定の結果は、図６に示される。
【００５５】
図６（ａ）、６（ｂ）及び６（ｃ）はそれぞれ、直線、対角、及び円偏光基底において、光子間の時間遅延の関数として二次相互相関ｇ（２）を示す。全ての曲線は、τ＝０に近い負の遅延において下落（dip）を示し、それは、ＸＸ光子の直前にＸ光子を検出する確率の抑制を示す。これは、Ｘ放射後には量子ドットが常に空になり、ＸＸ光子を放射するために２つの電子及び２つのホールを捕捉しなければならなく、それにはある程度の時間かかるためと予期される。τ＝０に近い正の遅延においては、強いピークは、同じ直線及び対角偏光の光子に関して、並びに、逆の円偏光の光子に関して見られる。これは、エンタングルされた光子対の放射では、ＸＸ光子検出直後に量子ドットがＸ光子放射及び検出の高い確率をもたらすＸ状態になるためと予期される。さらに、２つの光子の偏光状態が下記の状態にエンタングルされるので、この光子の偏光は、最初のＸＸ光子の測定に依存する。
【数１】
【００５６】
ここで、Ｖ、Ｈ、Ｄ、Ａ、Ｌ及びＲは、下付き文字によって示されるＸＸ及びＸ光子の垂直、水平、対角、反対角、左周り円、右周り円偏光を表わす。
【００５７】
ダイオードによって放射された光がエンタングルされていることを証明するために、最大にエンタングルされたベル状態Ψ＋に対する検出された状態の忠実度ｆ＋は、次式を使用して測定される。
【数２】
【００５８】
上記の式における各相関測定を識別する下付き文字は、第１及び第２の光子の偏光を表す。この式は、実験的に観察されるように、非偏光の放射に関して妥当である。
【００５９】
忠実度ｆ＋は、Ｘ及びＸＸ光子の間の時間遅延τの関数として図６（ｄ）にプロットされている。τが０から離れたところでは、ｆ＋は〜０．２５であり、これは無相関の光に関して予測される値である。これは、ＸＸ及びＸが同じ崩壊サイクル中に放射されないためと予期される。しかしながら、τが０に近いところでは、強いピークが観察され、同時（又は同じような時間）に放射された光子対がエンタングルされたことを示す。ピークは、放射がエンタングルされていることを証明する０．５の値を超える。これらの測定は、０．７１±０．０２までの測定された忠実度ｆ＋を備えた完全に機能的なエンタングル発光ダイオード（ＥＬＥＤ：entangled light emitting diode）の最初の実証である。
【００６０】
光子源はまた、量子鍵配送のような用途で望ましいパルスモードでも動作する。そのような測定の結果は、他の（類似した）デバイスに関して図７に示される。ｄｃバイアスは、供給されて、ａｃ駆動信号を用いるバイアスティと結合される。直流電圧は、１．８Ｖであり、ａｃ電圧は、幅５００ｐｓ及び周期１２．５ｎｓの公称３．３Ｖ振幅の矩形波である。５０オームのインピーダンス整合回路は、ダイオードと並列に接続された。
【００６１】
図７は、ａｃ電気的励起を用いることを除いて、図６を参照して説明したように記録された相関測定を示す。図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）はそれぞれ、直線、対角及び円偏光基底に関する結果を示す。偏光相関の程度は、期間（periods）中の光子間の遅延の関数としてプロットされる。ｄｃの事例と一致して、図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）は、同じ崩壊サイクル中に放射された光子対が通常は直線及び対角基底では同じ偏光を有し、円基底では逆の偏光を有することを示す。これは、エンタングルされた光子対の放射に関して予期される通りである。
【００６２】
図７（ｄ）は、上述したｄｃ事例と同様に、期間中の遅延の関数としてプロットされた忠実度を示す。同じサイクル中に放射された光子対に関する忠実度は０．７１であり、これもまたエンタングルメントを証明するための要求を超える。
【００６３】
全ての量子ドットが、中性励起子の崩壊が後続する中性双励起子のカスケード崩壊からでさえも、エンタングルされた光子の適切な対を生成するとは限らない。
【００６４】
量子ドットによって放射された光子対は、典型的に、重ね合わせ状態の｜ＨＨ＞成分と｜ＶＶ＞成分との間の位相が第１の光子（ＸＸ）の検出と第２の光子（Ｘ）の検出との間の時間遅延に応じて発展する時間発展状態にエンタングルされる。位相発展は、図８（ａ）にエネルギーＳだけ離れて概略的に示されるように、非縮退の光学活性励起子レベルの異なるエネルギーに起因して起こる。分裂は、形状、組成及び歪（strain）のような物理的非対称によって引き起こされる励起子波動関数の面内非対称に起因して生じる。
【００６５】
時間発展するエンタングルされた状態は、個々の光子の偏光と同様に、光子対の間の時間をさらに測定するシステムにおいて使用されることができる。しかしながら、時間にわたって平均すると、光子の偏光は、放射のエネルギーによって決定されることができ、それは、図８（ａ）に示されるような励起子レベルの分裂に起因して偏光依存である。
【００６６】
従って、光子源が光学活性励起子レベルのほぼゼロの偏光依存分裂を有する量子ドットを含むほうが好ましい。この場合は、図８（ｂ）に概略的に示される。分裂は小さいほどよく、放射の均質線幅以下である分裂が好ましい。ここで説明される量子ドットでは、励起子状態の放射寿命が〜１ｎｓであるので、この最大の好ましい分裂は、〜１μｅＶのオーダーである。
【００６７】
〜１．４ｅＶのエネルギーを備えた量子ドットが小さな分裂を有することが知られている。図９（ａ）は、量子ドットの光子エネルギーに対する量子ドットの分裂を示す。〜１．４ｅＶのエネルギーを備えた量子ドットの形成を支持するために、量子ドットが形成される条件を制御することは可能である。そのような成長技術は周知である。
【００６８】
分裂を制御する第２の例は、図９（ｂ）に示され、それは、周囲のＧａＡｓ材料にドットを部分的に溶かすためにアニーリングを使用して有効なサイズを縮小し、それにより、放射エネルギーを増大して分裂をほぼゼロに低下する。各曲線上の左から右までの各点は、急速熱アニール装置（annealer）における６７５℃での追加の５分による同じドットのアニーリングを表わす。代替のアプローチは、集中されたレーザ光線でデバイスを熱することである。
【００６９】
第３の例は、図９（ｃ）に示され、それは、光学活性及び不活性な状態を部分的に混合するために面内磁場を使用する。１．４ｅＶを超える放射をするようないくつかの量子ドットにおいては、混合は、より低いエネルギーの光学活性な励起子状態にはより強くなり、示される例では偏光分裂が〜１．８Ｔでゼロになっている。
【００７０】
他の方向の他の場の印加も分裂に影響を与える。場のタイプは、電場、磁場、及び歪場を含み、方向は、成長方向に対して垂直に、平行に、又は他の方向に向けられることができる。
【００７１】
図１０は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略図である。光子源の層状構造は、図５を参照して前述したもののいずれかであり得る。光子源は、ｎ型領域３１と、量子ドット３５を含む真性領域３３と、ｎ型領域３１に対して真性領域３３の反対側に設けられるｐ型領域３７と、を備える。
【００７２】
真性領域３３は、トンネリングを抑える障壁構造を含む。構造は、図５を参照して説明したデバイスのいずれかであり得る。
【００７３】
放射アパーチャ４１を規定するマスク３９がｐ型領域に重なって接している。放射アパーチャ４１は、放射をファイバ４３に導く。ファイバ４３は、放射された光子を分配部４５に導く。分配部４５は、エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く（reproducibly）分配するように構成される。
【００７４】
一実施形態では、分配部は、それらのエネルギーに基づいてエンタングルされた対の２つの光子を分離して、出力４７及び４９を通じてそれらを出力するように構成される。この種の配置は、量子通信システムに利用される。エンタングルされた光子に基づく量子通信システムでは、通信したい２つのパーティーはそれぞれ、エンタングルされた光子対から光子を受け取る。図１０のシステムは、エンタングルされた対を生成し、一方のパーティーに導く１つの光子及び他方のパーティーに導くもう１つの光子を出力するために使用されることができる。
【００７５】
さらなる実施形態では、分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割する編子ビームスプリッタである。偏光ビームスプリッタは、量子イメージング又はデータの記録／読取で用いる光子を経路エンタングルする（path entangle）ために使用されることができる。
【００７６】
またさらなる実施形態では、２つの検出器５１及び５３は、ＸＸ崩壊から発生する光子及びＸ崩壊から発生する光子を独立して検出するために設けられる。
【００７７】
或いは、単一光子の到着と光子対の到着を識別するほど高い光子計数分解能（photon counting resolution）を備える単一の検出器が設けられてもよい。そのような検出器は、エンタングルされた光子対の到着と単一光子の到着を識別するために、イメージング及び読取システムにおいて使用されることができる。
【００７８】
またさらなる実施形態では、検出器５１及び５３は、エンタングルされた対の各光子の偏光を測定するように構成された偏光測定部である。
【００７９】
図１１は、本発明の一実施形態に従う光子源の詳細な層状構造である。デバイスは、ＭＢＥによって成長され、次の層状構造を有する。まず、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：distributed Bragg reflector）５０５は、ｉ−ＧａＡｓ基板５０１上に成長される５００ｎｍのｉ−ＧａＡｓバッファ５０３上に成長された。下部ＤＢＲは、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ５０９が後続するＧａＡｓ５０７の４分の１ラムダ（lambda/4）の層の１４の繰り返しからなる。上端の２つの繰り返し５１１、５１３は、１．７５×１０１８の密度にＳｉでｎ型にドープされた。
【００８０】
次に、キャビティ領域５１５は、次のように、２ラムダの合計の光学的厚さに形成された。この例では、ラムダは、〜８８５ｎｍの量子ドット放射の波長に対応し、それは、高屈折率によってＧａＡｓにおいて低減される。まず、１．７５×１０１８の密度にＳｉでドープされた５０ｎｍの厚いｎ−ＧａＡｓ層５１７が形成され、より低い障壁を形成する（ラムダ−５０ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓが後続する。温度は、１３０℃まで落とされ、ドット層５１９は、自己組織化してオーダー〜１μｍ２の量子ドット密度を与えるＩｎＡｓの〜１．６ＭＬの成長によって形成された。温度が１１５°Ｃまで増大される前に、１０ｎｍのｉ−ＧａＡｓがドットを覆った。（ラムダ−１０ｎｍ−５０ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓ５２１は、真性領域及び上部障壁を完成し、キャビティ領域を完成する１０１８にＣでドープされた５０ｎｍのｐ−ＧａＡｓが後続する。
【００８１】
最後に、上部ミラー５２３は、ｐ−ＧａＡｓ５２７が後続する４分の１ラムダ（lambda/4）のｐ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２ＡＳ５２５の２つの繰り返しの成長によって形成された。ｐドーピングは、５．６×１０１９にＣでドープされたｐ＋である最後の３ｎｍを除いて、１０１８の密度にＣによって提供された。
【００８２】
デバイスは、少数の量子ドットから放射を分離する手段を提供し、且つ、量子ドットにキャリアを電気的に注入する手段を提供するように処理された。完成したデバイスは、図１１（正確な縮尺ではない）に概略的に示される。処理は、ウエハーから得られた〜５ｘ５ｍｍのチップ上で行なわれた。
【００８３】
まず、直径〜２μｍの１００のアパーチャ５３０のアレイを含むアルミニウム層５２９は、標準のフォトリソグラフィを使用して形成された。
【００８４】
次に、ｎコンタクトウィンドウ５３１は、標準のフォトリソグラフィと、硫酸、過酸化水素及び水の１：８：８０混合物を使用する酸エッチング（acid etch）と、を再び使用して形成された。ウィンドウのエッチング深さは、ｎドープ領域より１０−１５ｎｍ上で終わるようにする。ｎコンタクトは、標準のフォトリソグラフィを使用してｎコンタクトウィンドウに８０ｎｍの金・ゲルマニウム・ニッケル５３３を堆積させる（deposit）ことにより形成された。コンタクトは、アニールされ、オーム接触は、コンタクトからｎドープ領域まで下方に延びる。最後に、８０ｎｍのＡｕ５３５が後続する２０ｎｍのチタンは、結合面（bonding surface）を形成するためにｎコンタクト上に蒸着された。
【００８５】
ｐコンタクト５３７は、標準のフォトリソグラフィを使用して、８０ｎｍの金が後続する２０ｎｍのチタンの蒸着によって形成された。
【００８６】
分離エッチング５３９は、下部ｉ−ＧａＡｓ障壁で止まるように、ｐ領域及びドット層を通じて下にエッチングすることによって、３６０ｘ３６０μｍのメサを規定する。これは、上述したように、標準のフォトリソグラフィ及び酸エッチングによって達成された。
【００８７】
最後に、デバイスは、外部電気的コンタクトを提供するためにパッケージ化され（packaged）、金のボンドワイヤは、パッケージコンタクトをチップコンタクトに接続した。
【００８８】
図１１の構造では、上方向に放射密度を増大させる不均衡のマイクロキャビティを形成するために、ＩｎＡｓ量子ドット層は、２λのキャビティの中央であって、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が下にあり、より短いＤＢＲが上にあるところにある。単一量子ドット（ＱＤ）からの放射は、金属マスク中のアパーチャによって分離される。上部ＤＢＲは、キャビティの上部とともにｐ型にドープされ、下部ＤＢＲの上端は、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成するためにキャビティの下部とともにｎ型にドープされる。電気的コンタクトは、ＱＤを組み込む非ドープ真性領域にバイアスＶを印加することを可能にする。
【００８９】
デバイスによって放射された光子の収集効率を向上させるために、光マイクロキャビティ（optical microcavity）内にＬＥＤデバイスの活性領域を組み込むことは好ましい。
【００９０】
図１１を参照して説明される構造は、幅ｍλ／２ｎのキャビティ領域によって形成される平面のマイクロキャビティである光マイクロキャビティを有する。ここで、ラムダは、放射された光子の波長と同様であり、ｎは、キャビティ材料の屈折率であり、ｍは、整数である。キャビティ領域は、厚さλ／４ｎを備えた高い及び低い屈折率の材料の層が交互に並ぶ複数の繰り返しにより形成された２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）間に入れられる。
【００９１】
図１２の構造は、フォトニック結晶ナノキャビティを有する。フォトニック結晶ナノキャビティは、低屈折率材料を含むホールの周期的配列によって穿孔されていて、放射光の波長に匹敵する厚さを備えて、高屈折率導波路領域を含む。周期性は、放射光の波長に匹敵する長さスケールである。ホールの配列は、ナノキャビティ領域を含み、それは、周期格子に関して異なるサイズ又は変位（displacement）のない１以上のホールの欠陥である。
【００９２】
層状構造は、ＭＢＥによって成長され、５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓバッファ６０３が後続するｎ型ＧａＡｓ基板６０１を（下から上へ）含む。ｎＡｌｘＧａｉ１−ｘＡｓ犠牲層６０５は、（光学的厚さに対立するものとしての）実際厚さ〜λで堆積される。導波路領域６０７は、次のようになる。即ち、（ラムダ−１００ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓ６１１が後続する５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓ６０９から始まって、中央にＩｎＡｓ量子ドット層６１３（図３において説明したように作られる。）を備える。５０ｎｍのｐ−ＧａＡｓ６１５は、導波路領域及びデバイスの成長を完成する。
【００９３】
成長したウエハーは、５ｘ５ｍｍ正方形に切られ、次のようにＬＥＤへ加工される。まず、フォトニック結晶のパターンは、標準のｅビームリソグラフィを使用して、ｅビームレジスト（e-beam resist）上に書かれている。フォトニック結晶のパターンは、これまでに広く理解され、光の波長〜２５０ｎｍに相当する長さだけ離れた直径〜１００ｎｍのホールの典型的な三角形配列からなる。欠けている（missing）ホール、変位された（displaced）ホール、又は異なったサイズのホールは、ナノキャビティ領域を形成し、それは、この例では、単一の掛けているホールである。
【００９４】
ｅビームレジストに書かれたパターンは、導波路と少なくとも同じ深さで犠牲層６０５の底部より前で止まるようにホール６１７をエッチングするために、標準の反応性イオンエッチング技術によって導波路に転写される。
【００９５】
ｅビームレジストは除去され、標準のフォトリソグラフィ及び蒸着がＴｉ−Ａｕのｐコンタクト６１９を堆積させるために使用される。そして、第２のフォトリソグラフィ段階は、分離エッチング（isolation etch）を設けるために使用され、それは、少なくともｐ−ＧａＡｓ層６１５を貫いて延びるべきであり、図示される例では犠牲層の底部まで延びている。
【００９６】
そして、犠牲層は、ＧａＡｓと比較して強くＡｌＧａＡｓをエッチングする選択的エッチング（selective etch）を使用して、導波路の下で除去される。そして、デバイスは、伝導キャリア６２１上にパッケージ化され、結合は、パッケージコンタクトとダイオードのｐコンタクトの間でなされる。
【００９７】
エンタングル光源は、ここで説明される設計ルールを適用して、任意の半導体システムを使用して作られることができる。適している半導体は、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びその合金を含む。
【００９８】
小さな偏光分裂及び／又は最適なドット密度を達成するための最適な波長は、各材料系において異なるだろうし、そのため、キャビティは、ここに提示された例がそれに応じて調整されなければならないように、設計される。障壁厚さ及び高さは、コンタクトからのチャージのトンネル時間が励起子状態の放射寿命を超えるように、増大されるできである。
【００９９】
これより、図１３を参照して一実施形態に従う動作モードを説明する。
【０１００】
図１３（ａ）は、ｐ及びｎコンタクト間に印加されるフォワードバイアスが約１．５Ｖのビルトイン電圧と等しい図５（ａ）のものと同じようなデバイスを示す。これらの条件下では、伝導帯及び価電子帯の形状（profile）は、ほぼ平坦であり、電子及びホールは、図示されるように、真性領域を通って注入される。キャリアのうちのいくつかは、中性帯電ＸＸ状態を形成するために、ドットにリラックスする。「注入」電圧は、ＸＸ光子放射の後に双励起子状態の再励起を回避するために、ＸＸ放射減衰時間と比較して短い時間の間、印加されるべきである。従って、時間は、典型的には、５００ｐｓ以下であるだろう。
【０１０１】
次に、バイアスは、図１３（ｂ）に示されるような「再結合」電圧に低下される。このバイアスは、中性帯電レジームに対応し、中性帯電レジームでは、量子ドットのｅ１準位がｎ領域のフェルミ準位と同程度又はそれより高いことから、ドットからの電子トンネリングが（電場があまり強くないときに）弱く、ｎ領域からの電子のトンネル時間が放射寿命と比較して長い。図５に示される量子ドットデバイスにおいては、適切な再結合電圧は、〜１．４５Ｖになるだろう。第１の電子及び第１のホールの再結合は、図示されるように、単一ＸＸ光子を放射し、Ｘ状態を作る。
【０１０２】
図１３（ｃ）は、バイアスが「再結合」電圧のままであって、デバイスにおけるＸ状態を示す。バイアスが中性Ｘ放射を最適化するように選択されると、電子及びホールは、さらなる電子の捕捉又は脱出の前に放射的に再結合する。これは、２つの光子が、エンタングルされた光子対を作るために中性帯電ＸＸ及びＸ励起子によって「再結合」電圧で放射されることを意味する。
【０１０３】
図１３（ｄ）は、再結合電圧でＸ状態の崩壊の後の空の量子ドットを示す。ドットのこれ以上の充電（charging）は、（ａ）に示されるようなデバイスへの「注入」電圧を回復させるための電圧パルスから始まる次の放射サイクルまで起こらない。
【０１０４】
図１４（ａ）は、本発明の一実施形態に従って、本発明の実施形態に従うエンタングル光子源を使用する光学読取システムの概略図である。源１０１は、最初に、偏光エンタングルされた光子を出力し、これらは、その後、同じ偏光を持つ経路エンタングルされた光子に変換される。
【０１０５】
偏光エンタングルされた光子は、図１４ｂに示されるものと同じようなシステムを使用して、経路エンタングルされた光子に変換されることができる。光子源は、重ね合わせ状態へ同一の直線偏光（水平［Ｈ］又は垂直［Ｖ］のいずれか）を備える偏光エンタングルされた光子の対を生成し、この偏光は、光子のうちの１つが測定されるまで不確定である。
【０１０６】
図１４ｂでは、偏光エンタングルされた光子の源１６１は、偏光ビームスプリッタ１６３に光子対を放射する。両方の光子は、１又は２のいずれかの同じポートを出る。従って、最終状態は、ポート１を出て第１の経路に行く２つの光子若しくはポート２を出て第２の経路に行く２つの光子の重ね合わせである。２分の１波長板１６５は、ポート２を出る光子の偏光を回転させ、それは、全ての光子が同じ直線偏光になるので干渉を可能にすることができる。
【０１０７】
図１４ｂに戻ると、光子が経路エンタングルされると、フィルタ１０３は、エンタングルされた光子のもの以外の全ての周波数を除去する。
【０１０８】
次に、経路エンタングルされた光子は、偏光ビームスプリッタ１０５に入射し、これは、エンタングルされた光子をレンズ１０７に渡す。次に、レンズ１０７は、経路エンタングルされた光子をデータ保存媒体１０９に集中させる。光子は、反射されてレンズ１０７に戻り、偏光ビームスプリッタ１０５に向かう。データ保存媒体１０９からの反射によって、反射された光子の偏光が変わり、その結果、光子は、今度はビームスプリッタ１０５によって反射されてレンズ１１１に向かい、最終的に光子検出器１１３に行く。偏光ビームスプリッタ１０５は、無偏光ビームスプリッタに置き換えられてもよい。システムは、同じように機能するが、今度はビームスプリッタにおいて非決定性の伝達及び反射を使用する。
【０１０９】
データ保存媒体は、記録媒体上にデータを符号化するために使用されるピット（pits）及びランド（lands）で作られているパターンを有する。例えば、ピットは、ビット「０」を符号化するために使用され、ピットのない領域（non-pitted areas）又は「ランド」は、ビット「１」を示すために使用される。この実施形態では、データ保存媒体は、ディスクである。しかしながら、光学記憶装置のための他のフォーマットが使用されてもよい。
【０１１０】
データ保存媒体１０９は、ピットがあまり反射しない物質へ貫通するように構成されることができ、それにより、ピットからの反射された信号は、ランドから反射された信号より非常に低い。従って、光子対がランドによって反射される確率は、光子対がピットによって反射される確率より非常に高い。従って、検出器１１３で光子対の数をモニタすることによって、ピットとランドを若しくはビット０とビット１を識別することが可能である。
【０１１１】
光子検出器は、受け取った光子の数を識別することができる多光子検出器（multiphoton detector）である。源がエンタングルされた光子対を出力する場合、光子検出器は、１つの光子と２つの光子を識別することができる。従って、それは、はぐれた光子（stray photon）を検出したのか、記録媒体からの反射により発生した光子対を検出したのかを判別することができる。
【０１１２】
一般に、エンタングルされた光子対（及びより一般には、多光子）の特性が２倍（或いはより一般には、多数倍）のエネルギーを持つ単一光子と部分的に等価であるので、そのようなシステムの分解能は増強される。従って、８００ｎｍで動作するエンタングル光子源は、４００ｎｍの有効波長の２光子干渉を生成することができる。例えば、そのような増強は、標準のＤＶＤからより高い容量のＨＤ ＤＶＤにレーザの変更によって達成されたものと同様である。或いは、４００ｎｍで動作するエンタングルされた対の源（entangled pair source）は、２００ｎｍの有効波長の干渉を生成することができ、光学のデータ記憶容量の増大を可能にする。そのようなシステムは、GB 2451803により詳細に説明されている。
【０１１３】
エンタングル光子源はまた、図１５に概略的に示されるタイプの量子通信システムにおいて使用される。ここで、上述されたタイプの源であるエンタングル光子源２０１は、エンタングルされた光子対を生成する。その後、光子は、分離部２０３へ渡される。分離部は、光子対を分離し、１つの光子を第１のレシーバ２０５に導き、第２の光子を第２のレシーバ２０７に導く。各測定結果は乱雑（random）であるが、第１のレシーバで受け取られた光子の測定を実行することは、第２のレシーバ２０７で受け取られた光子の状態に影響し、逆もまた同様である。従って、古典的通信チャンネルと併せて、第１のレシーバ２０５及び第２のレシーバ２０７が図１５のシステムを使用して安全に通信することは可能である。
【０１１４】
量子通信システムでは、長距離にわたって情報を通信することに対する挑戦がある。この問題に取り組むために、量子リピータ（quantum repeater）の使用が提案されている。図１６は、送信器（アリス）３１１から受信器（ボブ）３１７にメッセージを送信するために、本発明の一実施形態に従うエンタングル光子源を使用する量子リピータを示す。
【０１１５】
この例では、量子リピータ動作は、２光子ゲート３１５、エンタングル光子源３１３、及び古典的チャネル３１８を必要とする。
【０１１６】
送信器アリス３１１は、単一光子源を有する。本発明の一実施形態に従うエンタングル光子源３１３である第２の光子源は、エンタングルされた光子対を生成する。２光子ゲート２１５へ送られたエンタングル光子源３１３からの光子のうちの１つは、アリス３１１によって放射された光子と同一である必要がある。３１３によって生成されたエンタングルされた対の他の光子は、ボブ３１７へ送られる。その後、同一の光子は、それらを比較する測定を行なう２光子ゲート３１５へ渡される。この測定の結果に基づいて、古典的情報は、チャネル３１８を経由して伝送されることができる。ボブは、この情報を使用して、彼へ送られたエンタングル光子源からの光子で変換
【数３】
【０１１７】
を実行し、それにより、その量子状態をアリスによって生成された最初の光子と同じものに変換する。このように、ボブ３１７に到達した光子は、アリスによって送られた量子情報を含み、この情報は、アリスが光子を直接に送信することが可能であるよりも長い距離にわたって伝送される。
【０１１８】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、ほんの一例として示したものであり、本発明の範囲を制限するように意図するものではない。実際は、本明細書で説明される新規の源及び方法は、様々な他の形態で具体化されることができ、さらに、本明細書で説明される源及び方法の形態における様々な省略、置換及び変更は、本発明の精神から逸脱せずになされることができる。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本発明の範囲及び精神に含まれるように、そのような形態又は変更を網羅するように意図される。
【技術分野】
【０００１】
ここで説明される実施形態は、一般に、光子源の分野に関し、特に、エンタングルされた光子対を生成することができる光子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンタングル光子源は、量子通信、量子計算、及び高解像度イメージングのような多くの分野での利用がある。エンタングルされた光子は、光学非線形結晶でパラメトリックダウンコンバージョンを使用して生成されることができる。しかしながら、他のコンポーネントとの統合の容易さの理由から、標準的な半導体材料を使用してそのような光子源を作成することができる商業的な必要がある。
【０００３】
近年、量子ドットにおける双励起子崩壊を使用して、エンタングルされた光子状態を生成することを試みる研究が行われている。
【０００４】
エンタングルメントを生成するためには、安定した中性励起子に崩壊する安定した中性双励起子を生成することが必要である。
【０００５】
引用文献リスト
GB 2451803
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これより、以下の限定されない実施形態を参照して本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明を理解するのに役立つ量子ドットを備えるＬＥＤの概略図である。
【図２】図２は、図１のＬＥＤのバンド図の概略図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明を理解するのに役立つ図１及び２を参照して説明されるタイプの光子源のフォトルミネセンスのグレースケールプロットであり、フォトルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、フォトルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされ、図３（ｂ）は、本発明を理解するのに役立つ図１及び２に参照して説明されるタイプの光子源のエレクトロルミネセンスのグレースケールプロットであり、エレクトロルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、エレクトロルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされる。
【図４】図４（ａ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のフォトルミネセンスのグレースケールプロットであり、フォトルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、フォトルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされ、図４（ｂ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のエレクトロルミネセンスのグレースケールプロットであり、エレクトロルミネセンスは、暗い領域がより高いルミネセンス強度を示すグレースケールとしてプロットされ、エレクトロルミネセンスは、印加バイアス及び波長の関数としてプロットされる。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に従う光子源に関する概略の電子エネルギーバンド図であり、図５ａは、量子ドットの各々の側に設けられる厚さ１λのＧａＡｓ障壁を備えて形成されるＩｎＡｓ量子ドットを備える光子源を有し、図５ｂは、量子ドットの片側に設けられる厚さ１λのＧａＡｓを備えるＩｎＡｓ量子ドットを有し、図５ｃは、量子ドットの片側に設けられるＡｌＧａＡｓ障壁を備えるＩｎＡｓ量子ドットを有し、図５ｄは、ＩｎＡｓ量子ドット及び量子ドットの一方の側に設けられる２つのより高いＡｌＧａＡｓ障壁を有する。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に従う光子源からのエンタングルされた光子対のＤＣ測定を示すプロットであり、図６（ａ）、６（ｂ）及び６（ｃ）はそれぞれ、同一（黒）又は反対（破線）の偏光光子対に関して、直線、対角及び円基底において測定された光子間の遅延の関数とする放射の二次相互相関のプロットであり、図６（ｄ）は、光子間の遅延の関数として、最大にエンタングルされた状態（｜ＨＨ＞＋｜ＶＶ＞）／√２に対する測定された光子対の忠実度を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に従う光子源からのエンタングルされた光子対放射のＡＣ測定であり、図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）は、それぞれ直線、対角及び円基底において測定された光子間の期間の数（the number of periods）の関数として偏光相関の程度を示し、図７（ｄ）は、最大にエンタングルされた状態（｜ＨＨ＞＋｜ＶＶ＞）／√２に対する測定された光子対の対応する忠実度を示す。
【図８】図８（ａ）は、励起子レベルで偏光分裂Ｓを備える典型的な量子ドットのエネルギー準位図であり、図８（ｂ）は、ゼロの偏光分裂を備える量子ドットのエネルギー準位図である。
【図９】図９（ａ）は、複数の成長した量子ドットの量子ドットエネルギーに対する分裂を示すプロットであり、図９（ｂ）は、６７５℃で（左から右へ）５分ステップでアニールされた２つのドットのドットエネルギーに対する分裂のプロットを示し、図９（ｃ）は、面内磁場に対する単一ドットの分裂のプロットである。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略の層状構造である。
【図１２】図１２は、本発明のさらなる実施形態に従う光子源の概略の層状構造である。
【図１３】図１３（ａ）から１３（ｄ）は、本発明の一実施形態に従うデバイスの可能な動作モードを示す概略のバンド図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に従う光学記録装置の概略図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に従う量子通信システムの概略図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に従う量子リピータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一実施形態では、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を具備する光子源であって、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適している、光子源が提供される。
【０００８】
誤解を避けるために、用語「障壁」は、量子ドットのものより高いバンドギャップを有する材料系（material system）を意味するのに使用される。
【０００９】
障壁は、一般に、量子ドットと電気的コンタクトとの間の層として設けられる。前記層の厚さは、好ましくは、少なくとも１５０ｎｍである。
【００１０】
一実施形態では、光子源は、量子ドットがｐ及びｎ領域間の真性（ｉ）領域内に設けられるｐ−ｉ−ｎ構造を有する。
【００１１】
電子に関するトンネル時間は、より小さい有効質量のために、通常はホールよりもはるかに短いので、障壁は、単に電子のトンネル時間を増大させるために設けられることができる。従って、障壁は、ｎ型コンタクトと量子ドットとの間に設けられることができる。
【００１２】
量子ドットは、ＩｎＡｓ量子ドットであることができ、障壁材料は、ＧａＡｓであることができる。しかしながら、障壁材料はまた、ＡｌＧａＡｓのようなより高いバンドギャップ材料を含んでもよい。ＡｌＧａＡｓのより高いバンドギャップのために、ＡｌＧａＡｓ障壁は、トンネリングに同じレベルの弾性（resilience）を提供するために、ＧａＡｓ障壁と同じ厚さにする必要はないだろう。しかしながら、ＧａＡｓのようなより低いバンドギャップの障壁材料は、このような材料が光子源により低い動作ポテンシャルを要求するので、好ましい。
【００１３】
量子ドットによって放射された光子対は、典型的に、状態の時間発展成分（time evolving component）を低減するために、時間発展状態にエンタングルされ、量子ドットにおける異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差又は「分裂」は、最小化される必要がある。従って、好ましくは、エネルギー準位の分裂は、量子ドットからの放射の均質線幅以下である。これらの特性を有するドットは、縮退したエネルギー準位を有する。典型的なＩｎＡｓ量子ドットにおいては、励起子の放射寿命は、〜１ｎｓ程度である。定量的に、分裂は、２μｅＶ以下であるべきであり、より好ましくは、１μｅＶ以下であるべきである。
【００１４】
上記の望ましい分裂を備える量子ドットを生成する多くの方法がある。小さい又は最小の分裂（small to minimal）は、いくらかのドットで、特に、約１．４ｅＶのエネルギーで光子を放射するドットで、自然に起こっている。従って、ドットは、上記の特性を有するように選択されることができる。
【００１５】
量子ドットにおける「分裂」は、さらに、ドットの製作後に低減されることができる。例えば、光子源は、量子ドットの分裂を低減するために、成長後にアニーリングを施されることができる。さらなる実施形態では、量子ドットは、分裂を低減するために、さらなる場にさらされる。場は、磁場、電場又は歪場から選択されることができる。
【００１６】
一実施形態では、光子源は、エンタングル光子源（entangled photon source）として使用され、より具体的には、エンタングル発光ダイオード（entangled light emitting diode）として使用される。源は、量子通信システム、量子イメージング、量子データ保存及び読み取り、並びに、これら及び他の用途のための量子計算での使用に適しており、源は、好ましくは、エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く分配する分配部をさらに備える。
【００１７】
第１の構成では、分配部は、源から放射される時間又はそれらのエネルギーに基づいて光子を分離し、これら光子を出力するように構成されることができる。
【００１８】
第２の構成では、分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割するように構成される。そのように構成される分配部は、偏光ビームスプリッタを備えることができる。エンタングルされた対を形成する光子は、出力チャネルの量子力学重ね合せで出力されることができる。
【００１９】
分配部は、さらなる特性に関してエンタングルされた光子をエンタングルするようにさらに構成されることができ、前記さらなる特性は、経路エンタングルメント（path entanglement）又は位相エンタングルメント（phase entanglement）から選択される。
【００２０】
エンタングルされた光子対のいくつかの用途は、光子のうちの１つのエンタングルされた状態の測定が他の光子に影響する特性を使用する。この特性は、量子通信システムで利用される。この特性を使用するシステムでは、個別の検出器は、対の各光子に関して必要とされる。従って、一実施形態では、源は、対の各光子に関して個別の検出器を備える。
【００２１】
量子イメージングのようなエンタングルされた光子対の他の用途は、エンタングルされた対の低下された波長に頼る。そのような用途では、単一光子の到着とエンタングルされた光子対の到着を区別することができる単一検出器が設けられる。
【００２２】
使用では、光子源は、源を固定のＤＣバイアスに保持することにより動作されることができる。しかしながら、１つの動作モードでは、電源が量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧とキャリアの注入が止められる第２の電圧との２つの電圧で切り替えるように構成されることができるように、デバイスへのバイアスはパルス化される。
【００２３】
第１の電圧では、源は、それらが放射的に再結合して光子対を放射することができるように、ドットに電子及びホールを注入するために、電流に関する閾値より上でフォワードバイアスをかけられる。電圧の実際の値は、ダイオード設計、材料、リークパス及び接触抵抗に依存する。電流は、少なくとも１つの電子及びホールが励起子減衰寿命と等しい期間でドットによって捕捉されるのに十分であるべきである。
【００２４】
一実施形態では、第２の電圧は、コンタクトから量子ドットへのキャリアのトンネリングを最小化するように設定されることができる。
【００２５】
さらなる実施形態では、光子源を動作する方法であって、前記光子源は、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を備え、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適しており、前記方法は、前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められて前記量子ドットへの並びに前記量子ドットからのキャリアのトンネリングが最小化される第２の電圧との２つの電圧で前記電源を切り替えること、を具備する方法が提供される。
【００２６】
またさらなる実施形態では、光子源を製造する方法であって、前記方法は、ｎ型半導体領域を形成することと、ｐ型半導体領域を形成することと、前記ｎ及びｐ型半導体領域間の半導体構造内に量子ドットを形成することと、前記ｎ型領域と前記量子ドットとの間に障壁を形成することと、を具備し、前記障壁は、前記量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より大きくなるように、電子が前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルするのに要する時間を増大するように構成され、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中のエンタングルされた光子の放射に適するように構成され、前記方法は、前記ｎ及びｐ型半導体領域に電気的コンタクトを提供することを具備する、方法が提供される。
【００２７】
一実施形態では、量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、量子ドットの成長パラメータを選択することを備える。
【００２８】
さらなる実施形態では、量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、量子ドットの形成後に量子ドットをアニールすることを備える。
【００２９】
またさらなる実施形態では、量子ドットを構成することは、量子ドットを場にさらすことを備え、この場は、歪場、磁場又は電場から選択される。歪場は、例えば、デバイスをピエゾ電気変換器に結合し、電圧を変換器に印加することによって、印加されることができ、それは、デバイスに歪場を次々に印加する。磁場は、デバイスの近くの伝導又は超伝導コイルに電流を流すことによって、或いは、１以上の永久磁石の存在によって、印加されることができる。
【００３０】
図１は、本発明を理解するのに役立つ量子ドットを備えた単純化された光子源１を示し、この光子源は、下方のｎ型領域３を有し、真性活性領域（intrinsic active region）５がｎ型領域３に重なって接触して設けられている。量子ドット７は、活性領域５内に設けられている。上方のｐ型領域９は、活性領域５に重なって接触して設けられている。
【００３１】
図２は、図１の構造のバンド図であり、不要な反復を回避するために、同様の参照番号が同様の特徴を示すために使用されている。図２では、ＩｎＡｓ量子ドット７は、ｉＧａＡｓを含む真性領域５内に設けられている。下方のｎドープ領域（n-doped region）３は、ｎ型にドープされたＧａＡｓを含み、上方のｐドープ領域（p-doped region）９は、ｐ型にドープされたＧａＡｓを含む。真性領域５は、量子ドット７から放射される光子の波長とほぼ等しい（領域の面と垂直な方向の）総厚さ（total thickness）を有する。
【００３２】
使用時には、励起子を形成するために、電子が量子ドット７の伝導帯１３に供給され、ホールが量子ドット７の価電子帯１１に供給される。放射減衰時間又は寿命として知られている平均時間の後に、励起子は、崩壊して光子を出力する。
【００３３】
典型的には、図１及び２に示される光子源は、電気的励起のもとで負帯電励起子状態から光子を放射する。このことは、図３（ｂ）に示される。負帯電励起子状態は、量子ドット内の電子の数がホールの数より多い場合のものである。
【００３４】
図３（ｂ）は、ダイオードに印加されるバイアスの関数として、図１及び２に示されるタイプの構造からのエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を示す。支配的な放射は、２つの電子及び単一ホールを有する励起子の崩壊に対応するＸ−からのものである。２つの電子及び２つのホールを有する中性双励起子からの崩壊に対応するＸＸからの見て取れるが弱い寄与がある。
【００３５】
図３（ａ）は、印加されるバイアスを関数としてフォトルミネセンスを示す。デバイスからのフォトルミネセンスは、ＸＸ及びＸ−崩壊並びに中性Ｘ状態（単一中性励起子が１つの電子及び１つのホールを含む。）及び２つのホール及び１つの電子を含む正励起子であるＸ＋状態からの崩壊を示す。
【００３６】
量子ドットへのバイアスに応じた３つの動作範囲が図３（ａ）において見ることができる。領域は、点線によって分離されて示されている。量子ドット内の放射する励起子は、バイアスが増大するにつれて、これらの領域の各々において主に正に、中性に、負に帯電したものに切り替わる。
【００３７】
量子ドットの帯電性質（charging behaviour）のこの変化は、主としてトンネリングに起因する。最も低いバイアス領域においては、真性領域への電場が強く、それは、ドットからコンタクトへのキャリアのトンネル速度（tunnelling rate）を増大するように、ドットを囲むＧａＡｓ障壁の有効幅を低減する。電子がより小さい有効質量を有し且つ対応してより大きな波動関数を有するので、障壁中を通る透過は、電子では高い確率になり、従って、光学的に励起された電子の量子ドットを減少させ、結果的に正帯電励起子放射になる。
【００３８】
中間のバイアス領域においては、場は、有意なトンネリングを促進するには不十分であり、光学的に励起された電子及びホールは、放射的に再結合して中性帯電（neutrally charged）励起子及び双励起子光子を放射する。これは、エンタングルされた光子対を生成するのに要求されるレジーム（regime）である。
【００３９】
最も高いバイアス領域においては、伝導帯及び価電子帯の形状（profile）は、平坦なバンド状態に近づく。その結果として、量子ドットにおける電子及びホール状態のエネルギー準位は、ｐ及びｎコンタクトのエネルギー準位より下になり、量子ドットがコンタクトからの真性ＧａＡｓ障壁中を通るトンネリングによって電荷で満たされることがエネルギー的に好ましくなる。この場合にも、この効果は、より小さい有効質量のために電子に関して優位であり、量子ドットは、光学的励起の後に負帯電励起子光子放射を引き起こす余分の負帯電電子を得ようとする。
【００４０】
従って、デバイスへの電流注入に必要なものより低いバイアスでは、恵まれている励起子複合体は、負帯電に切り替わる。いくらかの中性ＸＸ放射は、ＥＬ（図３（ｂ））において観測される。これは、電子の最大数を２に制限する、調査された量子ドットにおける高次の閉じ込め電子状態（higher order confined electron states）（ｐ状態）の欠如に起因する。しかしながら、ＸＸ光子を放射した後に、ドットは、他の電子ですぐに帯電してＸ−を形成する。
【００４１】
本発明の一実施形態は、電流を使用してエンタングルされた光子対を生成するためのものである。適切な量子ドットにおいて中性双励起子が基底状態に崩壊する場合、エンタングルされた光子対が生成される。分裂が小さい場合、ＸへのＸＸの崩壊から始まってその後にＸ自体の崩壊があるこのカスケード崩壊は、エンタングルされた光子対を生成する。低いバイアス領域でのＸ＋励起子へのＸＸ励起子の変化或いは高いバイアス領域でのＸ−励起子へのＸ励起子の変化は、エンタングルメントを無効化するだろう。
【００４２】
発明者は、量子ドット内に形成された双励起子が中性の励起子に崩壊する場合に、この中性励起子が、崩壊する前に量子ドットへの電子トンネリングによって負帯電になることがあることに気付いた。さらに、双励起子は、量子ドットからの電子のトンネリングによって正の励起子に変化することがある。これらのプロセスは両方とも、双励起子崩壊によるエンタングルされた光子対の生成を妨げる。従って、量子ドットへの若しくは量子ドットからの電子又はホールのトンネリングを制限することによって、双励起子又は励起子の中性電荷状態をより長い期間保つことができる。特に、励起子の崩壊中に存在する電場での電荷トンネリングの速度（rate）は、ドットにおける励起子状態の寿命より小さく、そのため、放射サイクル中の励起子の帯電があまり生じないようになる。
【００４３】
図４（ａ）及び４（ｂ）は、本発明の一実施形態に従う光子源のフォトルミネセンス及びエレクトロルミネセンスをそれぞれ示す。
【００４４】
図４（ａ）及び４（ｂ）に示される結果を生じるのに使用されたデバイスは、光子源のドープ領域と量子ドットとの間でのトンネリングを低減している。これは、量子ドットを囲む真性的にドープされた（intrinsically doped）ＧａＡｓ障壁の厚さを増大することにより達成された。キャビティの厚さは、より厚い層を組み込むために増大され、１ラムダから２ラムダに変更された（ここで、ラムダは１つの動作波長に対応する光学距離である。）。
【００４５】
測定されたバイアスの範囲では、この場合にも、３つの領域が図４（ａ）のＰＬスペクトルにおいて見られる。図３（ａ）と同じような方法で、中性Ｘ及びＸＸ放射は、第２領域のバイアス（＞１．５５Ｖ）で始まる。より低いバイアスでは、障壁中を通る電荷の脱出は、正帯電放射に有利に働く。しかしながら、第３の領域（＞１．７Ｖ）では、Ｘ−放射が見て取れるようになるが、それは、図１から３の１ラムダキャビティデバイスと比較して弱い。決定的に、図４（ｂ）に示されるＥＬスペクトルでは、放射は、エンタングルされた光子対を生成するために必要とされるような主に中性Ｘ及びＸＸ状態からのものである。
【００４６】
ＥＬの振る舞いは、以下のように説明される。価電子及び伝導帯の両方のポテンシャル形状は、ｎドープ領域からｐドープ領域への電子の注入及び逆方向へのホールの注入を可能にするように、ほぼ平坦（平坦バンド状態）である。量子ドットの電子及びホールのエネルギー準位は、周囲のＧａＡｓ障壁のものより下にあり、２つの電子及びホールは、ＸＸ状態を作るために、注入された電流からリラックスする（relax）。ＸＸ状態は、崩壊してＸＸ光子を放射し、中性Ｘ状態を後に残す。障壁が比較的厚いので、ドットをＸ−に再帯電するためのｎコンタクトからの電子に関するトンネル時間は、Ｘ状態が再結合してＸ光子を放射するのに要する時間より長い。
【００４７】
同様の効果を達成することができる他の障壁設計があり、いくつかの可能な障壁設計について図５を参照して説明する。不要な反復を回避するために、同様の参照数字が同様の特徴を示すために使用される。
【００４８】
図５（ａ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第１の障壁設計を示す。このバージョンでは、障壁を形成する全部の真性領域５は、光学的厚さが約２ラムダに拡大されており、図４（ａ）及び４（ｂ）に示される結果を得るために使用された。実際には、その最初及び最後の部分がドープされ得る厚さ２ラムダのキャビティ内に真性領域が組み込まれることができるように、真性領域の総厚さは、２ラムダよりわずかに小さくてもよい。真性領域５は、ドット７とｎ型領域３との間に設けられる第１の障壁２１、及びドット７とｐ型領域９との間に形成される第２の障壁２３に分割される。より厚いｉ−ＧａＡｓ障壁２１及び２３は、トンネル速度を劇的に低下し、その結果、Ｘ状態の放射減衰時間（radiative decay time）は、ｎ領域３からドット７への他の電子のトンネル時間より短い。
【００４９】
図５（ｂ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として他の障壁設計を示す。電子トンネリングが支配的な帯電メカニズムであるので、この例では、第１の障壁２１だけが図１及び２の参照事例と比較して拡大されている。第２の障壁２３は、図１及び２に示されるものと同じサイズである。
【００５０】
図５（ｃ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第３の障壁設計を示す。この例では、ｎ側の障壁２１は、厚さが２分の１ラムダ（lambda/2）であるが、その有効高さは、図示されるように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ領域を含めることにより増大される。増大された障壁は、ｎ領域からドットへの電子のトンネル確率を低減するだろう。さらに、図１及び２の参照事例と比較した場合、障壁はまた、同じ印加バイアスに関する電流フローを低減するだろう。ドットへのキャリアの効率的な注入は、より高いバイアスによって、或いは、より高いバイアスで供給される電流の短パルスによって増加されることができる。
【００５１】
図５（ｄ）は、中性帯電Ｘ及びＸＸ放射を作る手段として第４の修正障壁設計を示す。それは、図５（ｃ）のものと類似しているが、量子ドットのｐ側の障壁にＡｌＧａＡｓ領域をさらに含む。ホールのより大きな有効質量によってホールトンネリングが電子トンネリングに比べてすでに抑制されているので、このＡｌＧａＡｓ障壁の高さ及び幅は、ｎ側のＡｌＧａＡｓ領域ほど大きい必要はない。ＡｌＧａＡｓ障壁の高さは、ガリウムの割合と比較したアルミニウムの割合を増大するようにして、増大されることができる。
【００５２】
図６は、図５（ａ）の概略設計に関する光子源からの実験結果を示す。使用された実際のデバイスは、図１１を参照して説明される。
【００５３】
サンプルは、連続流Ｈｅクライオスタットで〜６Ｋに冷却され、放射は、顕微鏡対物レンズを使用して集められた。放射は、ＸＸ及びＸ放射に対応する光をそれぞれフィルタする２つのスペクトロメータの間でビームスプリッタを使用して分割された。偏光ビームスプリッタは、Ｘ放射を垂直に偏光された成分及び水平に偏光された成分に分割し、これらは、シリコンアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用して検出された。垂直に向けられた直線偏光子は、ＸＸ放射をフィルタし、それは、第３のＡＰＤによって検出された。偏光組み合わせ（polarisation combination）の各々におけるＸＸ光子の検出と光子の検出との間の時間は、時間波高変換器と計数電子機器（counting electronics）を使用して測定された。
【００５４】
サンプルは、４ｍＡにセットされた電流源を使用してｄｃモードで駆動された。二次相関ｇ（２）は、偏光基底直線、対角、及び円の各々において、同じ偏光及び逆の偏光の光子対に関して、ＸＸ及びＸ光子間の時間遅延τの関数として測定された。直線及び対角偏光は、対物レンズの後に直接に挿入される２分の１波長板の角度を０°及び２２．５°にそれぞれ設定することによって選択され、円基底は、２分の１波長板を、４５°に向けた４分の１波長板と取り換えることによって選択された。ｄｃ相関測定の結果は、図６に示される。
【００５５】
図６（ａ）、６（ｂ）及び６（ｃ）はそれぞれ、直線、対角、及び円偏光基底において、光子間の時間遅延の関数として二次相互相関ｇ（２）を示す。全ての曲線は、τ＝０に近い負の遅延において下落（dip）を示し、それは、ＸＸ光子の直前にＸ光子を検出する確率の抑制を示す。これは、Ｘ放射後には量子ドットが常に空になり、ＸＸ光子を放射するために２つの電子及び２つのホールを捕捉しなければならなく、それにはある程度の時間かかるためと予期される。τ＝０に近い正の遅延においては、強いピークは、同じ直線及び対角偏光の光子に関して、並びに、逆の円偏光の光子に関して見られる。これは、エンタングルされた光子対の放射では、ＸＸ光子検出直後に量子ドットがＸ光子放射及び検出の高い確率をもたらすＸ状態になるためと予期される。さらに、２つの光子の偏光状態が下記の状態にエンタングルされるので、この光子の偏光は、最初のＸＸ光子の測定に依存する。
【数１】
【００５６】
ここで、Ｖ、Ｈ、Ｄ、Ａ、Ｌ及びＲは、下付き文字によって示されるＸＸ及びＸ光子の垂直、水平、対角、反対角、左周り円、右周り円偏光を表わす。
【００５７】
ダイオードによって放射された光がエンタングルされていることを証明するために、最大にエンタングルされたベル状態Ψ＋に対する検出された状態の忠実度ｆ＋は、次式を使用して測定される。
【数２】
【００５８】
上記の式における各相関測定を識別する下付き文字は、第１及び第２の光子の偏光を表す。この式は、実験的に観察されるように、非偏光の放射に関して妥当である。
【００５９】
忠実度ｆ＋は、Ｘ及びＸＸ光子の間の時間遅延τの関数として図６（ｄ）にプロットされている。τが０から離れたところでは、ｆ＋は〜０．２５であり、これは無相関の光に関して予測される値である。これは、ＸＸ及びＸが同じ崩壊サイクル中に放射されないためと予期される。しかしながら、τが０に近いところでは、強いピークが観察され、同時（又は同じような時間）に放射された光子対がエンタングルされたことを示す。ピークは、放射がエンタングルされていることを証明する０．５の値を超える。これらの測定は、０．７１±０．０２までの測定された忠実度ｆ＋を備えた完全に機能的なエンタングル発光ダイオード（ＥＬＥＤ：entangled light emitting diode）の最初の実証である。
【００６０】
光子源はまた、量子鍵配送のような用途で望ましいパルスモードでも動作する。そのような測定の結果は、他の（類似した）デバイスに関して図７に示される。ｄｃバイアスは、供給されて、ａｃ駆動信号を用いるバイアスティと結合される。直流電圧は、１．８Ｖであり、ａｃ電圧は、幅５００ｐｓ及び周期１２．５ｎｓの公称３．３Ｖ振幅の矩形波である。５０オームのインピーダンス整合回路は、ダイオードと並列に接続された。
【００６１】
図７は、ａｃ電気的励起を用いることを除いて、図６を参照して説明したように記録された相関測定を示す。図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）はそれぞれ、直線、対角及び円偏光基底に関する結果を示す。偏光相関の程度は、期間（periods）中の光子間の遅延の関数としてプロットされる。ｄｃの事例と一致して、図７（ａ）、７（ｂ）及び７（ｃ）は、同じ崩壊サイクル中に放射された光子対が通常は直線及び対角基底では同じ偏光を有し、円基底では逆の偏光を有することを示す。これは、エンタングルされた光子対の放射に関して予期される通りである。
【００６２】
図７（ｄ）は、上述したｄｃ事例と同様に、期間中の遅延の関数としてプロットされた忠実度を示す。同じサイクル中に放射された光子対に関する忠実度は０．７１であり、これもまたエンタングルメントを証明するための要求を超える。
【００６３】
全ての量子ドットが、中性励起子の崩壊が後続する中性双励起子のカスケード崩壊からでさえも、エンタングルされた光子の適切な対を生成するとは限らない。
【００６４】
量子ドットによって放射された光子対は、典型的に、重ね合わせ状態の｜ＨＨ＞成分と｜ＶＶ＞成分との間の位相が第１の光子（ＸＸ）の検出と第２の光子（Ｘ）の検出との間の時間遅延に応じて発展する時間発展状態にエンタングルされる。位相発展は、図８（ａ）にエネルギーＳだけ離れて概略的に示されるように、非縮退の光学活性励起子レベルの異なるエネルギーに起因して起こる。分裂は、形状、組成及び歪（strain）のような物理的非対称によって引き起こされる励起子波動関数の面内非対称に起因して生じる。
【００６５】
時間発展するエンタングルされた状態は、個々の光子の偏光と同様に、光子対の間の時間をさらに測定するシステムにおいて使用されることができる。しかしながら、時間にわたって平均すると、光子の偏光は、放射のエネルギーによって決定されることができ、それは、図８（ａ）に示されるような励起子レベルの分裂に起因して偏光依存である。
【００６６】
従って、光子源が光学活性励起子レベルのほぼゼロの偏光依存分裂を有する量子ドットを含むほうが好ましい。この場合は、図８（ｂ）に概略的に示される。分裂は小さいほどよく、放射の均質線幅以下である分裂が好ましい。ここで説明される量子ドットでは、励起子状態の放射寿命が〜１ｎｓであるので、この最大の好ましい分裂は、〜１μｅＶのオーダーである。
【００６７】
〜１．４ｅＶのエネルギーを備えた量子ドットが小さな分裂を有することが知られている。図９（ａ）は、量子ドットの光子エネルギーに対する量子ドットの分裂を示す。〜１．４ｅＶのエネルギーを備えた量子ドットの形成を支持するために、量子ドットが形成される条件を制御することは可能である。そのような成長技術は周知である。
【００６８】
分裂を制御する第２の例は、図９（ｂ）に示され、それは、周囲のＧａＡｓ材料にドットを部分的に溶かすためにアニーリングを使用して有効なサイズを縮小し、それにより、放射エネルギーを増大して分裂をほぼゼロに低下する。各曲線上の左から右までの各点は、急速熱アニール装置（annealer）における６７５℃での追加の５分による同じドットのアニーリングを表わす。代替のアプローチは、集中されたレーザ光線でデバイスを熱することである。
【００６９】
第３の例は、図９（ｃ）に示され、それは、光学活性及び不活性な状態を部分的に混合するために面内磁場を使用する。１．４ｅＶを超える放射をするようないくつかの量子ドットにおいては、混合は、より低いエネルギーの光学活性な励起子状態にはより強くなり、示される例では偏光分裂が〜１．８Ｔでゼロになっている。
【００７０】
他の方向の他の場の印加も分裂に影響を与える。場のタイプは、電場、磁場、及び歪場を含み、方向は、成長方向に対して垂直に、平行に、又は他の方向に向けられることができる。
【００７１】
図１０は、本発明の一実施形態に従う光子源の概略図である。光子源の層状構造は、図５を参照して前述したもののいずれかであり得る。光子源は、ｎ型領域３１と、量子ドット３５を含む真性領域３３と、ｎ型領域３１に対して真性領域３３の反対側に設けられるｐ型領域３７と、を備える。
【００７２】
真性領域３３は、トンネリングを抑える障壁構造を含む。構造は、図５を参照して説明したデバイスのいずれかであり得る。
【００７３】
放射アパーチャ４１を規定するマスク３９がｐ型領域に重なって接している。放射アパーチャ４１は、放射をファイバ４３に導く。ファイバ４３は、放射された光子を分配部４５に導く。分配部４５は、エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く（reproducibly）分配するように構成される。
【００７４】
一実施形態では、分配部は、それらのエネルギーに基づいてエンタングルされた対の２つの光子を分離して、出力４７及び４９を通じてそれらを出力するように構成される。この種の配置は、量子通信システムに利用される。エンタングルされた光子に基づく量子通信システムでは、通信したい２つのパーティーはそれぞれ、エンタングルされた光子対から光子を受け取る。図１０のシステムは、エンタングルされた対を生成し、一方のパーティーに導く１つの光子及び他方のパーティーに導くもう１つの光子を出力するために使用されることができる。
【００７５】
さらなる実施形態では、分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割する編子ビームスプリッタである。偏光ビームスプリッタは、量子イメージング又はデータの記録／読取で用いる光子を経路エンタングルする（path entangle）ために使用されることができる。
【００７６】
またさらなる実施形態では、２つの検出器５１及び５３は、ＸＸ崩壊から発生する光子及びＸ崩壊から発生する光子を独立して検出するために設けられる。
【００７７】
或いは、単一光子の到着と光子対の到着を識別するほど高い光子計数分解能（photon counting resolution）を備える単一の検出器が設けられてもよい。そのような検出器は、エンタングルされた光子対の到着と単一光子の到着を識別するために、イメージング及び読取システムにおいて使用されることができる。
【００７８】
またさらなる実施形態では、検出器５１及び５３は、エンタングルされた対の各光子の偏光を測定するように構成された偏光測定部である。
【００７９】
図１１は、本発明の一実施形態に従う光子源の詳細な層状構造である。デバイスは、ＭＢＥによって成長され、次の層状構造を有する。まず、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：distributed Bragg reflector）５０５は、ｉ−ＧａＡｓ基板５０１上に成長される５００ｎｍのｉ−ＧａＡｓバッファ５０３上に成長された。下部ＤＢＲは、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ５０９が後続するＧａＡｓ５０７の４分の１ラムダ（lambda/4）の層の１４の繰り返しからなる。上端の２つの繰り返し５１１、５１３は、１．７５×１０１８の密度にＳｉでｎ型にドープされた。
【００８０】
次に、キャビティ領域５１５は、次のように、２ラムダの合計の光学的厚さに形成された。この例では、ラムダは、〜８８５ｎｍの量子ドット放射の波長に対応し、それは、高屈折率によってＧａＡｓにおいて低減される。まず、１．７５×１０１８の密度にＳｉでドープされた５０ｎｍの厚いｎ−ＧａＡｓ層５１７が形成され、より低い障壁を形成する（ラムダ−５０ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓが後続する。温度は、１３０℃まで落とされ、ドット層５１９は、自己組織化してオーダー〜１μｍ２の量子ドット密度を与えるＩｎＡｓの〜１．６ＭＬの成長によって形成された。温度が１１５°Ｃまで増大される前に、１０ｎｍのｉ−ＧａＡｓがドットを覆った。（ラムダ−１０ｎｍ−５０ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓ５２１は、真性領域及び上部障壁を完成し、キャビティ領域を完成する１０１８にＣでドープされた５０ｎｍのｐ−ＧａＡｓが後続する。
【００８１】
最後に、上部ミラー５２３は、ｐ−ＧａＡｓ５２７が後続する４分の１ラムダ（lambda/4）のｐ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２ＡＳ５２５の２つの繰り返しの成長によって形成された。ｐドーピングは、５．６×１０１９にＣでドープされたｐ＋である最後の３ｎｍを除いて、１０１８の密度にＣによって提供された。
【００８２】
デバイスは、少数の量子ドットから放射を分離する手段を提供し、且つ、量子ドットにキャリアを電気的に注入する手段を提供するように処理された。完成したデバイスは、図１１（正確な縮尺ではない）に概略的に示される。処理は、ウエハーから得られた〜５ｘ５ｍｍのチップ上で行なわれた。
【００８３】
まず、直径〜２μｍの１００のアパーチャ５３０のアレイを含むアルミニウム層５２９は、標準のフォトリソグラフィを使用して形成された。
【００８４】
次に、ｎコンタクトウィンドウ５３１は、標準のフォトリソグラフィと、硫酸、過酸化水素及び水の１：８：８０混合物を使用する酸エッチング（acid etch）と、を再び使用して形成された。ウィンドウのエッチング深さは、ｎドープ領域より１０−１５ｎｍ上で終わるようにする。ｎコンタクトは、標準のフォトリソグラフィを使用してｎコンタクトウィンドウに８０ｎｍの金・ゲルマニウム・ニッケル５３３を堆積させる（deposit）ことにより形成された。コンタクトは、アニールされ、オーム接触は、コンタクトからｎドープ領域まで下方に延びる。最後に、８０ｎｍのＡｕ５３５が後続する２０ｎｍのチタンは、結合面（bonding surface）を形成するためにｎコンタクト上に蒸着された。
【００８５】
ｐコンタクト５３７は、標準のフォトリソグラフィを使用して、８０ｎｍの金が後続する２０ｎｍのチタンの蒸着によって形成された。
【００８６】
分離エッチング５３９は、下部ｉ−ＧａＡｓ障壁で止まるように、ｐ領域及びドット層を通じて下にエッチングすることによって、３６０ｘ３６０μｍのメサを規定する。これは、上述したように、標準のフォトリソグラフィ及び酸エッチングによって達成された。
【００８７】
最後に、デバイスは、外部電気的コンタクトを提供するためにパッケージ化され（packaged）、金のボンドワイヤは、パッケージコンタクトをチップコンタクトに接続した。
【００８８】
図１１の構造では、上方向に放射密度を増大させる不均衡のマイクロキャビティを形成するために、ＩｎＡｓ量子ドット層は、２λのキャビティの中央であって、下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）が下にあり、より短いＤＢＲが上にあるところにある。単一量子ドット（ＱＤ）からの放射は、金属マスク中のアパーチャによって分離される。上部ＤＢＲは、キャビティの上部とともにｐ型にドープされ、下部ＤＢＲの上端は、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成するためにキャビティの下部とともにｎ型にドープされる。電気的コンタクトは、ＱＤを組み込む非ドープ真性領域にバイアスＶを印加することを可能にする。
【００８９】
デバイスによって放射された光子の収集効率を向上させるために、光マイクロキャビティ（optical microcavity）内にＬＥＤデバイスの活性領域を組み込むことは好ましい。
【００９０】
図１１を参照して説明される構造は、幅ｍλ／２ｎのキャビティ領域によって形成される平面のマイクロキャビティである光マイクロキャビティを有する。ここで、ラムダは、放射された光子の波長と同様であり、ｎは、キャビティ材料の屈折率であり、ｍは、整数である。キャビティ領域は、厚さλ／４ｎを備えた高い及び低い屈折率の材料の層が交互に並ぶ複数の繰り返しにより形成された２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）間に入れられる。
【００９１】
図１２の構造は、フォトニック結晶ナノキャビティを有する。フォトニック結晶ナノキャビティは、低屈折率材料を含むホールの周期的配列によって穿孔されていて、放射光の波長に匹敵する厚さを備えて、高屈折率導波路領域を含む。周期性は、放射光の波長に匹敵する長さスケールである。ホールの配列は、ナノキャビティ領域を含み、それは、周期格子に関して異なるサイズ又は変位（displacement）のない１以上のホールの欠陥である。
【００９２】
層状構造は、ＭＢＥによって成長され、５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓバッファ６０３が後続するｎ型ＧａＡｓ基板６０１を（下から上へ）含む。ｎＡｌｘＧａｉ１−ｘＡｓ犠牲層６０５は、（光学的厚さに対立するものとしての）実際厚さ〜λで堆積される。導波路領域６０７は、次のようになる。即ち、（ラムダ−１００ｎｍ）のｉ−ＧａＡｓ６１１が後続する５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓ６０９から始まって、中央にＩｎＡｓ量子ドット層６１３（図３において説明したように作られる。）を備える。５０ｎｍのｐ−ＧａＡｓ６１５は、導波路領域及びデバイスの成長を完成する。
【００９３】
成長したウエハーは、５ｘ５ｍｍ正方形に切られ、次のようにＬＥＤへ加工される。まず、フォトニック結晶のパターンは、標準のｅビームリソグラフィを使用して、ｅビームレジスト（e-beam resist）上に書かれている。フォトニック結晶のパターンは、これまでに広く理解され、光の波長〜２５０ｎｍに相当する長さだけ離れた直径〜１００ｎｍのホールの典型的な三角形配列からなる。欠けている（missing）ホール、変位された（displaced）ホール、又は異なったサイズのホールは、ナノキャビティ領域を形成し、それは、この例では、単一の掛けているホールである。
【００９４】
ｅビームレジストに書かれたパターンは、導波路と少なくとも同じ深さで犠牲層６０５の底部より前で止まるようにホール６１７をエッチングするために、標準の反応性イオンエッチング技術によって導波路に転写される。
【００９５】
ｅビームレジストは除去され、標準のフォトリソグラフィ及び蒸着がＴｉ−Ａｕのｐコンタクト６１９を堆積させるために使用される。そして、第２のフォトリソグラフィ段階は、分離エッチング（isolation etch）を設けるために使用され、それは、少なくともｐ−ＧａＡｓ層６１５を貫いて延びるべきであり、図示される例では犠牲層の底部まで延びている。
【００９６】
そして、犠牲層は、ＧａＡｓと比較して強くＡｌＧａＡｓをエッチングする選択的エッチング（selective etch）を使用して、導波路の下で除去される。そして、デバイスは、伝導キャリア６２１上にパッケージ化され、結合は、パッケージコンタクトとダイオードのｐコンタクトの間でなされる。
【００９７】
エンタングル光源は、ここで説明される設計ルールを適用して、任意の半導体システムを使用して作られることができる。適している半導体は、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びその合金を含む。
【００９８】
小さな偏光分裂及び／又は最適なドット密度を達成するための最適な波長は、各材料系において異なるだろうし、そのため、キャビティは、ここに提示された例がそれに応じて調整されなければならないように、設計される。障壁厚さ及び高さは、コンタクトからのチャージのトンネル時間が励起子状態の放射寿命を超えるように、増大されるできである。
【００９９】
これより、図１３を参照して一実施形態に従う動作モードを説明する。
【０１００】
図１３（ａ）は、ｐ及びｎコンタクト間に印加されるフォワードバイアスが約１．５Ｖのビルトイン電圧と等しい図５（ａ）のものと同じようなデバイスを示す。これらの条件下では、伝導帯及び価電子帯の形状（profile）は、ほぼ平坦であり、電子及びホールは、図示されるように、真性領域を通って注入される。キャリアのうちのいくつかは、中性帯電ＸＸ状態を形成するために、ドットにリラックスする。「注入」電圧は、ＸＸ光子放射の後に双励起子状態の再励起を回避するために、ＸＸ放射減衰時間と比較して短い時間の間、印加されるべきである。従って、時間は、典型的には、５００ｐｓ以下であるだろう。
【０１０１】
次に、バイアスは、図１３（ｂ）に示されるような「再結合」電圧に低下される。このバイアスは、中性帯電レジームに対応し、中性帯電レジームでは、量子ドットのｅ１準位がｎ領域のフェルミ準位と同程度又はそれより高いことから、ドットからの電子トンネリングが（電場があまり強くないときに）弱く、ｎ領域からの電子のトンネル時間が放射寿命と比較して長い。図５に示される量子ドットデバイスにおいては、適切な再結合電圧は、〜１．４５Ｖになるだろう。第１の電子及び第１のホールの再結合は、図示されるように、単一ＸＸ光子を放射し、Ｘ状態を作る。
【０１０２】
図１３（ｃ）は、バイアスが「再結合」電圧のままであって、デバイスにおけるＸ状態を示す。バイアスが中性Ｘ放射を最適化するように選択されると、電子及びホールは、さらなる電子の捕捉又は脱出の前に放射的に再結合する。これは、２つの光子が、エンタングルされた光子対を作るために中性帯電ＸＸ及びＸ励起子によって「再結合」電圧で放射されることを意味する。
【０１０３】
図１３（ｄ）は、再結合電圧でＸ状態の崩壊の後の空の量子ドットを示す。ドットのこれ以上の充電（charging）は、（ａ）に示されるようなデバイスへの「注入」電圧を回復させるための電圧パルスから始まる次の放射サイクルまで起こらない。
【０１０４】
図１４（ａ）は、本発明の一実施形態に従って、本発明の実施形態に従うエンタングル光子源を使用する光学読取システムの概略図である。源１０１は、最初に、偏光エンタングルされた光子を出力し、これらは、その後、同じ偏光を持つ経路エンタングルされた光子に変換される。
【０１０５】
偏光エンタングルされた光子は、図１４ｂに示されるものと同じようなシステムを使用して、経路エンタングルされた光子に変換されることができる。光子源は、重ね合わせ状態へ同一の直線偏光（水平［Ｈ］又は垂直［Ｖ］のいずれか）を備える偏光エンタングルされた光子の対を生成し、この偏光は、光子のうちの１つが測定されるまで不確定である。
【０１０６】
図１４ｂでは、偏光エンタングルされた光子の源１６１は、偏光ビームスプリッタ１６３に光子対を放射する。両方の光子は、１又は２のいずれかの同じポートを出る。従って、最終状態は、ポート１を出て第１の経路に行く２つの光子若しくはポート２を出て第２の経路に行く２つの光子の重ね合わせである。２分の１波長板１６５は、ポート２を出る光子の偏光を回転させ、それは、全ての光子が同じ直線偏光になるので干渉を可能にすることができる。
【０１０７】
図１４ｂに戻ると、光子が経路エンタングルされると、フィルタ１０３は、エンタングルされた光子のもの以外の全ての周波数を除去する。
【０１０８】
次に、経路エンタングルされた光子は、偏光ビームスプリッタ１０５に入射し、これは、エンタングルされた光子をレンズ１０７に渡す。次に、レンズ１０７は、経路エンタングルされた光子をデータ保存媒体１０９に集中させる。光子は、反射されてレンズ１０７に戻り、偏光ビームスプリッタ１０５に向かう。データ保存媒体１０９からの反射によって、反射された光子の偏光が変わり、その結果、光子は、今度はビームスプリッタ１０５によって反射されてレンズ１１１に向かい、最終的に光子検出器１１３に行く。偏光ビームスプリッタ１０５は、無偏光ビームスプリッタに置き換えられてもよい。システムは、同じように機能するが、今度はビームスプリッタにおいて非決定性の伝達及び反射を使用する。
【０１０９】
データ保存媒体は、記録媒体上にデータを符号化するために使用されるピット（pits）及びランド（lands）で作られているパターンを有する。例えば、ピットは、ビット「０」を符号化するために使用され、ピットのない領域（non-pitted areas）又は「ランド」は、ビット「１」を示すために使用される。この実施形態では、データ保存媒体は、ディスクである。しかしながら、光学記憶装置のための他のフォーマットが使用されてもよい。
【０１１０】
データ保存媒体１０９は、ピットがあまり反射しない物質へ貫通するように構成されることができ、それにより、ピットからの反射された信号は、ランドから反射された信号より非常に低い。従って、光子対がランドによって反射される確率は、光子対がピットによって反射される確率より非常に高い。従って、検出器１１３で光子対の数をモニタすることによって、ピットとランドを若しくはビット０とビット１を識別することが可能である。
【０１１１】
光子検出器は、受け取った光子の数を識別することができる多光子検出器（multiphoton detector）である。源がエンタングルされた光子対を出力する場合、光子検出器は、１つの光子と２つの光子を識別することができる。従って、それは、はぐれた光子（stray photon）を検出したのか、記録媒体からの反射により発生した光子対を検出したのかを判別することができる。
【０１１２】
一般に、エンタングルされた光子対（及びより一般には、多光子）の特性が２倍（或いはより一般には、多数倍）のエネルギーを持つ単一光子と部分的に等価であるので、そのようなシステムの分解能は増強される。従って、８００ｎｍで動作するエンタングル光子源は、４００ｎｍの有効波長の２光子干渉を生成することができる。例えば、そのような増強は、標準のＤＶＤからより高い容量のＨＤ ＤＶＤにレーザの変更によって達成されたものと同様である。或いは、４００ｎｍで動作するエンタングルされた対の源（entangled pair source）は、２００ｎｍの有効波長の干渉を生成することができ、光学のデータ記憶容量の増大を可能にする。そのようなシステムは、GB 2451803により詳細に説明されている。
【０１１３】
エンタングル光子源はまた、図１５に概略的に示されるタイプの量子通信システムにおいて使用される。ここで、上述されたタイプの源であるエンタングル光子源２０１は、エンタングルされた光子対を生成する。その後、光子は、分離部２０３へ渡される。分離部は、光子対を分離し、１つの光子を第１のレシーバ２０５に導き、第２の光子を第２のレシーバ２０７に導く。各測定結果は乱雑（random）であるが、第１のレシーバで受け取られた光子の測定を実行することは、第２のレシーバ２０７で受け取られた光子の状態に影響し、逆もまた同様である。従って、古典的通信チャンネルと併せて、第１のレシーバ２０５及び第２のレシーバ２０７が図１５のシステムを使用して安全に通信することは可能である。
【０１１４】
量子通信システムでは、長距離にわたって情報を通信することに対する挑戦がある。この問題に取り組むために、量子リピータ（quantum repeater）の使用が提案されている。図１６は、送信器（アリス）３１１から受信器（ボブ）３１７にメッセージを送信するために、本発明の一実施形態に従うエンタングル光子源を使用する量子リピータを示す。
【０１１５】
この例では、量子リピータ動作は、２光子ゲート３１５、エンタングル光子源３１３、及び古典的チャネル３１８を必要とする。
【０１１６】
送信器アリス３１１は、単一光子源を有する。本発明の一実施形態に従うエンタングル光子源３１３である第２の光子源は、エンタングルされた光子対を生成する。２光子ゲート２１５へ送られたエンタングル光子源３１３からの光子のうちの１つは、アリス３１１によって放射された光子と同一である必要がある。３１３によって生成されたエンタングルされた対の他の光子は、ボブ３１７へ送られる。その後、同一の光子は、それらを比較する測定を行なう２光子ゲート３１５へ渡される。この測定の結果に基づいて、古典的情報は、チャネル３１８を経由して伝送されることができる。ボブは、この情報を使用して、彼へ送られたエンタングル光子源からの光子で変換
【数３】
【０１１７】
を実行し、それにより、その量子状態をアリスによって生成された最初の光子と同じものに変換する。このように、ボブ３１７に到達した光子は、アリスによって送られた量子情報を含み、この情報は、アリスが光子を直接に送信することが可能であるよりも長い距離にわたって伝送される。
【０１１８】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、ほんの一例として示したものであり、本発明の範囲を制限するように意図するものではない。実際は、本明細書で説明される新規の源及び方法は、様々な他の形態で具体化されることができ、さらに、本明細書で説明される源及び方法の形態における様々な省略、置換及び変更は、本発明の精神から逸脱せずになされることができる。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本発明の範囲及び精神に含まれるように、そのような形態又は変更を網羅するように意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を具備する光子源であって、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適している、光子源。
【請求項２】
前記障壁は、前記量子ドットと前記電気的コンタクトとの間の層として設けられ、前記層の厚さは、少なくとも１５０ｎｍである、請求項１に記載の光子源。
【請求項３】
エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く分配するように構成される分配部をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項４】
前記分配部は、源から放射されるそれらのエネルギー又は時間に基づいて前記光子を分離するように構成される請求項３に記載の光子源。
【請求項５】
前記分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割するように構成される請求項３に記載の光子源。
【請求項６】
前記分配部は、偏光ビームスプリッタを備える請求項５に記載の光子源。
【請求項７】
前記分配部は、経路エンタングルメント又は位相エンタングルメントから選択されるさらなる特性に関して、前記エンタングルされた光子をエンタングルするように構成される請求項３乃至６のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項８】
前記エンタングルされた対の各光子を独立して検出するように構成される第１及び第２の検出器をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項９】
単一光子の到着と光子対の到着を識別するように構成される検出器をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項１０】
光キャビティをさらに具備する任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１１】
前記光キャビティは、平面キャビティ又はフォトニック結晶キャビティから選択される請求項１０に記載の光子源。
【請求項１２】
前記量子ドット内の異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差は、前記量子ドットからの放射の均質線幅以下である任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１３】
前記量子ドット内の異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差は、２μｅＶ以下である任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１４】
前記量子ドットは、前記量子ドットの励起子エネルギー準位における非縮退を低減するように作用する場を受け、前記場は、電場、磁場又は歪場から選択される請求項１に記載の光子源。
【請求項１５】
前記電源は、前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められる第２の電圧との２つの電圧を切り替えるように構成される任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１６】
前記第２の電圧は、前記コンタクトから前記量子ドットへのキャリアのトンネリングを最小化するように設定される請求項１５に記載の光子源。
【請求項１７】
光子源を動作する方法であって、
前記光子源は、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を備え、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに備え、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適しており、
前記方法は、
前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められて前記量子ドットへの並びに前記量子ドットからのキャリアのトンネリングが最小化される第２の電圧との２つの電圧で前記電源を切り替えること、
を具備する方法。
【請求項１８】
光子源を製造する方法であって、前記方法は、
ｎ型半導体領域を形成することと、
ｐ型半導体領域を形成することと、
前記ｎ及びｐ型半導体領域間の半導体構造内に量子ドットを形成することと、
前記ｎ型領域と前記量子ドットとの間に障壁を形成することと、前記障壁は、前記量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より大きくなるように、電子が前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルするのに要する時間を増大するように構成される、
を具備し、
前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中のエンタングルされた光子の放射に適するように構成され、前記方法は、前記ｎ及びｐ型半導体領域に電気的コンタクトを提供することを具備する方法。
【請求項１９】
前記量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、前記量子ドットの成長パラメータを選択することを備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、前記量子ドットの形成後に前記量子ドットをアニールすることを備える請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を具備する光子源であって、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに具備し、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適している、光子源。
【請求項２】
前記障壁は、前記量子ドットと前記電気的コンタクトとの間の層として設けられ、前記層の厚さは、少なくとも１５０ｎｍである、請求項１に記載の光子源。
【請求項３】
エンタングルされた光子対の各々を２つの出力チャネルに再現性良く分配するように構成される分配部をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項４】
前記分配部は、源から放射されるそれらのエネルギー又は時間に基づいて前記光子を分離するように構成される請求項３に記載の光子源。
【請求項５】
前記分配部は、エンタングルされた光子対の波動関数を分割するように構成される請求項３に記載の光子源。
【請求項６】
前記分配部は、偏光ビームスプリッタを備える請求項５に記載の光子源。
【請求項７】
前記分配部は、経路エンタングルメント又は位相エンタングルメントから選択されるさらなる特性に関して、前記エンタングルされた光子をエンタングルするように構成される請求項３乃至６のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項８】
前記エンタングルされた対の各光子を独立して検出するように構成される第１及び第２の検出器をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項９】
単一光子の到着と光子対の到着を識別するように構成される検出器をさらに具備する請求項１に記載の光子源。
【請求項１０】
光キャビティをさらに具備する任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１１】
前記光キャビティは、平面キャビティ又はフォトニック結晶キャビティから選択される請求項１０に記載の光子源。
【請求項１２】
前記量子ドット内の異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差は、前記量子ドットからの放射の均質線幅以下である任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１３】
前記量子ドット内の異なる偏光の光学活性励起子レベル間のエネルギー差は、２μｅＶ以下である任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１４】
前記量子ドットは、前記量子ドットの励起子エネルギー準位における非縮退を低減するように作用する場を受け、前記場は、電場、磁場又は歪場から選択される請求項１に記載の光子源。
【請求項１５】
前記電源は、前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められる第２の電圧との２つの電圧を切り替えるように構成される任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１６】
前記第２の電圧は、前記コンタクトから前記量子ドットへのキャリアのトンネリングを最小化するように設定される請求項１５に記載の光子源。
【請求項１７】
光子源を動作する方法であって、
前記光子源は、量子ドットと、前記量子ドットに電場を印加するように構成される電気的コンタクトと、前記コンタクトに結合される電源であって、双励起子又はより高次の励起子を形成するためにキャリアが前記量子ドットに供給されるように、ポテンシャルを印加するように構成される電源と、を備え、前記光子源は、量子ドット内の励起子の放射寿命より大きくなるように、キャリアが前記量子ドットへ並びに前記量子ドットからトンネルする時間を増大するように構成される障壁をさらに備え、前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中にエンタングルされた光子の放射に適しており、
前記方法は、
前記量子ドットへのキャリアの注入を可能にするように構成される第１の電圧と前記キャリアの注入が止められて前記量子ドットへの並びに前記量子ドットからのキャリアのトンネリングが最小化される第２の電圧との２つの電圧で前記電源を切り替えること、
を具備する方法。
【請求項１８】
光子源を製造する方法であって、前記方法は、
ｎ型半導体領域を形成することと、
ｐ型半導体領域を形成することと、
前記ｎ及びｐ型半導体領域間の半導体構造内に量子ドットを形成することと、
前記ｎ型領域と前記量子ドットとの間に障壁を形成することと、前記障壁は、前記量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より大きくなるように、電子が前記量子ドットへ若しくは前記量子ドットからトンネルするのに要する時間を増大するように構成される、
を具備し、
前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子の崩壊中のエンタングルされた光子の放射に適するように構成され、前記方法は、前記ｎ及びｐ型半導体領域に電気的コンタクトを提供することを具備する方法。
【請求項１９】
前記量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、前記量子ドットの成長パラメータを選択することを備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記量子ドットを構成することは、縮退した励起子エネルギー準位をドットに提供するために、前記量子ドットの形成後に前記量子ドットをアニールすることを備える請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１３−５１０４２０（Ｐ２０１３−５１０４２０Ａ）
【公表日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３５９２６（Ｐ２０１２−５３５９２６）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００２０３９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５５１２０
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００２０３９
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５５１２０
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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