単一光子発生装置

【課題】所望のタイミングで確実に単一光子を生成でき、かつ簡単な構造で実用性の高い単一光子発生装置を提供する。
【解決手段】結晶基板１１と、結晶基板上１１に形成された蛍光体母体材料１２ａと内殻遷移を生じる１個の金属イオン１３からなる量子ドット１２とからなる単一光子発生部１４と、量子ドット１２に励起光パルス１５Ａを照射するレーザ照射装置１５と、その照射タイミングおよびパルス幅等を制御する制御部１６等から構成される。レーザ照射装置１５により金属イオン１３の発光寿命よりも短いパルス幅で、金属イオン１３の発光波長よりも短い波長の励起光パルス１５Ａを量子ドット１２に照射する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単一光子からなる光パルスを生成する単一光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子力学的重ね合わせ状態を利用して情報処理を行う量子通信や量子計算機、さらには物質のスピンを制御するスピントロニクスの分野で単一光子発生装置の重要性が増している。
【０００３】
電子政府や電子商取引など次世代の情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は不可欠となっている。現在、インターネット等で広く用いられている公開暗号鍵は、並列計算を高速に実行できる量子計算機が実現すれば解読可能と考えられている。そうなると、第三者によるデータの複製や、盗聴、改ざんを完全に防止することは不可能である。こうした安全性の問題を改善する手段として、原理的に安全な暗号方式である量子暗号が注目されている。
【０００４】
量子暗号は、Ｃ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄらによって１９８４年に提案された具体的なプロトコル（いわゆるＢＢ８４）を契機として盛んに研究されるようになった（ＩＥＥＥ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ（Ｉ９８４）ｐｐ．１７５−ｐｐ．１７９）。情報理論で無条件に安全性が証明されている暗号方式として提案された量子暗号は、暗号鍵を安全に配送する方法を示したものである。量子暗号は量子力学的な物理法則が暗号の安全性を保障するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性の保障が可能となる。この量子暗号は盗聴者が１つの光子の状態を完全に知ることができないことを安全性の基礎としている。すなわち情報の１ビットを１個の光子に偏光情報の形態で付与した場合、各々の光子が保持する情報は不確定性原理およびｎｏ−ｃｌｏｎｉｎｇ定理に従うため、光子の状態を破壊することなしには偏光情報を取り出すことができない。例えば、伝送の途中で盗聴者が観察あるいはコピーを行った場合偏光情報が変化し、正当な情報の受け手には異なった偏光情報が届くことになり、容易に盗聴があったことを知ることができる。しかし、ある１ビットの情報を２つの光子がそれぞれ担う場合は、盗聴者がその１個を抜き取っても正当な情報の受け手はそれを検出できない。それゆえ、量子暗号では、１ビットの情報を伝送するのにただ一つの光子を用いることが安全性の保障に必要となる。
【０００５】
従来、励起パルス強度と時間幅を制御することで単一光子を生成する単一光子発生装置が提案されている（非特許文献１および２参照。）。
【０００６】
また、半導体薄膜中に電子が１つあることによる電界の変化によって電子のトンネルができなくなる現象、いわゆるクーロンブロッケイドを用いて半導体活性層に電子を１つ注入して単一光子を生成する単一光子発生素子が提案されている（特許文献１参照。）。また、上記特許文献１に開示された技術と類似のターンスタイルと呼ばれる方法で半導体活性層に１個の電子を注入して単一光子を生成する単一光子発生装置が報告されている（非特許文献３参照。）。
【０００７】
一方、半導体の量子ドットのサイズを制御することにより、光励起により１個の電子と１個の正孔のみが発生することを用いた単一光子発生装置が提案され（特許文献２参照。）、実際に単一光子の生成が報告されている。（非特許文献４参照。）。
【０００８】
また、ラマン散乱を用いた単一光子発生装置（特許文献３参照。）や、量子ドットと光共振器および屈折率制御を組み合わせた単一光子発生装置も提案されている（特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平４−６１１７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３６５７号公報
【特許文献３】特開２００３−２９８１５３号公報
【特許文献４】特開２００１−２３０４４５号公報
【非特許文献１】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ．７６（１９９６）ｐｐ．９００−ｐｐ．９０３
【非特許文献２】Ｊ．ＭｏｄｅｒｎＯｐｔｉｃｓ，４４（１９９７）ｐｐ．２０６７−ｐｐ．２０７４）
【非特許文献３】Ｎａｔｕｒｅｖｏｌ．３９７（１９９９）ｐｐ．５００−ｐｐ．５０３
【非特許文献４】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４３（２００４）Ｌ９９３−Ｌ９９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１または２に開示された技術では、単一光子が生成されるタイミングはポアソンおよびサブボアソン分布に従うため、全く光子が生成されない、または複数個の光子が同時に生成されてしまう確率が有限の割合で存在するという問題がある。この場合、量子暗号に使用可能な単一光子を効率的に取り出すことができず、量子暗号の安全性が保証されない。
【００１０】
また、特許文献１や非特許文献３に開示された技術では、クーロンブロッケイドの効果を用いているため動作温度が非常に低く（例えば５０ｍＫ）、また、バックグラウンド電流による余計な光子が生成されてしまうという問題がある。これらのため、量子暗号の安全性は保障されず量子暗号装置としては実用性が低い。
【００１１】
非特許文献４あるいは特許文献２に開示された技術では、電流注入動作で単一光子発生を実現しており、非特許文献３の報告よりも動作温度が高いものの、それでも１０Ｋの極低温での動作であり、実用性に乏しいという問題がある。
【００１２】
特許文献３に開示された技術では、真空容器内に精密な光共振器を構成しなければならず実用性に欠ける上に、セシウムなどの単一の原子を冷却用レーザービームで常に捕獲していなければならず、ひとたび２個以上の原子が捕獲された場合には、複数個の光子が同時に生成されてしまうという問題がある。
【００１３】
特許文献４に開示された技術では、単一光子発生装置は、量子ドットで生成された単一光子を、一旦微小球からなる共振器に蓄えた後、さらに時間を置いてから連結部材の屈折率を変化させて再度取り出すという構造を有する。この複雑な構造のため光学的損失が大きく、実際には量子ドットで生成された光子を、損失なく取り出すことは極めて困難であると考えられ実用性が低いという問題がある。
【００１４】
以上説明したように、単一光子発生装置の課題は、（ｉ）所望のタイミング（任意の時刻）で単一光子を生成できること、（ｉｉ）同時に複数個の光子が生成されないこと、である。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記２つの課題を解決可能で新規で有用な単一光子発生装置を提供することである。さらに、具体的な本発明の目的は、簡単な構造で実用性の高い単一光子発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一観点によれば、蛍光体母体材料と、該蛍光体母体材料中に内殻遷移により発光する金属イオン１個とからなる蛍光体を有する単一光子発生部と、前記金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子を金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与える励起部とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置が提供される。
【００１７】
本発明によれば、内殻遷移を生じる金属イオンに、金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子が金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与えられ、さらに、蛍光体中の励起光パルスが照射される領域内、あるいは電子が通過する領域内に金属イオンが１つだけ配置されているので、励起光パルスの照射あるいは蛍光体中を伝導する電子を生じさせる電界の印加により、単一光子を所望のタイミングで確実に生成できる。さらに、本発明の単一光子発生装置は金属イオンの内殻遷移による発光を利用しており、金属イオンの内殻遷移は数ｍＫの極低温から室温程度の広い温度範囲で光子生成が可能であるので、単一光子発生装置の実用性が高い。また、本発明の単一光子発生装置はその構成および発光作用が単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用性が高い。なお、発光寿命は、本願の特許請求の範囲および明細書において、「金属イオンの発光確率が存在する時間」と定義する。
【００１８】
なお、従来の蛍光体には多数個の金属イオンが存在するため、蛍光体に金属イオンを励起させる励起光パルスを照射すると、生成される光子も多数個となる。本発明では、励起光あるいは電界が印加される領域内に金属イオンが１個だけ配置されているので、その金属イオンからしか光子が生成されない。その結果、本発明は、確実に単一光子が取り出せるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、内殻遷移を生じる金属イオンに、それを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子の通過する時間が金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与えられ、さらに、蛍光体中の励起光パルスが照射される領域内、あるいは蛍光体中を伝導する電子が通過する領域内に金属イオンが１つだけ配置されているので、励起光パルスの照射あるいは電子流を生じさせる電界の印加により、単一光子を所望のタイミングで確実に生成できる。さらに、本発明によれば、構成が単純で室温あるいは室温に近い低温環境下で発光可能な実用性の高い単一光子発生装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
【００２２】
図１を参照するに、単一光子発生装置１０は、結晶基板１１、および結晶基板上１１に形成された量子ドット１２からなる単一光子発生部１４と、量子ドット１２に励起光パルス１５Ａを照射するレーザ照射装置１５と、その照射タイミングおよびパルス幅等を制御する制御部１６等から構成される。
【００２３】
なお、ここで量子ドット１２は、原子が数百個から数千個集まった、口径数ｎｎｍから数十ｎｍ程度の大きさの結晶である。量子ドット１２は、背景技術の欄の特許文献２に示された量子ドットとは動作機構を異にしている。
【００２４】
結晶基板１１は、量子ドット１２の材料に応じて、量子ドット１２がエピタキシャル成長可能な材料から選択される。結晶基板１１としては、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイア等が挙げられる。
【００２５】
量子ドット１２は、蛍光体母体材料１２ａおよび発光中心を形成する１個の金属イオン１３からなる。蛍光体母体材料１２ａとしては公知の材料を使用できるが、金属イオン１３の輝度を向上させる点で、ＸＧａ₂Ｓ₄で表されるチオガレート系材料（Ｘ＝Ｓｒ，Ｃａ，およびＢａから選択される１種。）、ＸＡｌ₂Ｓ₄で表されるチオアルミネート系材料（Ｘは同上）、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄，およびＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇が好適である。また上記と同様の点で、蛍光体母体材料１２ａとしては、ＺｎＳ，ＣａＳ，ＳｒＳ，ＣｄＳ，ＧａＮ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅ，ＢａＳ，およびＡｌＮも好適である。
【００２６】
金属イオン１３は、量子ドット１２内に１個だけ含まれている。このため、量子ドットに励起光パルス１５Ａを照射することで、１個の金属イオン１３だけから光子が生成されるので、後ほど説明する励起光パルス１５Ａの照射条件により単一の光子を確実に生成できる。
【００２７】
金属イオン１３は、内殻遷移により１個の光子を生成するイオンから選択される。内殻遷移では、原子の内殻にある電子が光子吸収や高エネルギー電子等との衝突により励起され、電子が高いエネルギー状態になる（励起状態）。本発明では、この際、１個の電子だけが励起する金属イオン１３が選択される。そして、励起された１個の電子が励起状態から基底状態に戻る際に単一光子を生成する。このような金属イオン１３としては、Ａｇ，Ａｕ，Ａｓ，Ｂｉ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｇｄ，Ｇｅ，Ｈｏ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｐｂ，Ｐｒ，Ｓｂ，Ｓｍ，Ｓｎ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｔｉ，Ｔｌ，Ｖ，Ｗ，Ｙｂ，およびＺｎのイオンが挙げられる。これらの金属イオン１３は、蛍光体母体材料との組み合わせにより、数ｍＫの極低温から室温までの広い温度範囲において発光が可能となる。
【００２８】
なお、蛍光体母体材料１２ａと金属イオン１３との組み合わせは各々の材料を任意に組み合わせることが可能であるが、特に、ＸＧａ₂Ｓ₄で表されるチオガレート系材料（Ｘ＝Ｓｒ，Ｃａ，およびＢａから選択される１種。）、ＸＡｌ₂Ｓ₄で表されるアルミネート系材料（Ｘは同上）、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄，およびＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇のうちから選択される１種の蛍光体母体材料１２ａと、Ｅｕ²⁺，Ｃｅ³⁺，およびＭｎ²⁺のうちから選択される１種の金属イオン１３とを組み合わせることが好ましい。
【００２９】
また、ＺｎＳ，ＣａＳ，ＳｒＳ，ＣｄＳ，ＧａＮ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅＢａＳ，およびＡｌＮのうちから選択される１種の蛍光体母体材料１２ａと、Ｅｕ²⁺，Ｃｅ³⁺，およびＭｎ²⁺のうちから選択される１種の金属イオン１３とを組み合わせてもよい。
【００３０】
金属イオン１３の一例としてＥｕ²⁺の場合についてその発光機構を説明する。Ｅｕ²⁺の基底状態および励起状態の電子配置は以下通りである。
【００３１】
基底状態Ｅｕ²⁺：［Ｋｒ］（４ｄ）¹⁰（４ｆ）⁷（５ｓ）²（５ｐ）⁶
励起状態Ｅｕ²⁺：［Ｋｒ］（４ｄ）¹⁰（４ｆ）⁶（５ｓ）²（５ｐ）⁶（５ｄ）¹
なお、上記の［Ｋｒ］は、元素Ｋｒと同じ電子配置を有することを示している。
【００３２】
Ｅｕ²⁺の励起は、光子吸収等により１個の電子が４ｆ準位から５ｄ準位に遷移することにより生じ、その発光は５ｄ準位から４ｆ準位に遷移する際に生じる。この発光は、１個の光子を生成する。本実施の形態では量子ドット１２中にＥｕ²⁺が１個だけ存在するので、Ｅｕ²⁺の１回の励起−発光過程により１個のみの光子が生成される。
【００３３】
図２は、Ｅｕ²⁺の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。なお、図２は、１個のＥｕ²⁺がＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶中に含まれている場合のスペクトルを示している。
【００３４】
ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶のバンドギャップは、図示していないが吸収スペクトルから４．４ｅＶであることが知られている。これに対して、図２に示す３５０ｎｍ〜５００ｎｍにおける励起スペクトルの強くブロードな励起帯は、３．５ｅＶ〜２．５ｅＶの範囲にあることから、ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶のバンドギャップよりも１ｅＶ程度も小さい。このことから、ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶中のＥｕ²⁺の励起は、ＳｒＧａ₂Ｓ₄の母体材料が励起されているのではなく、Ｅｕ²⁺が励起光の照射により直接励起されていることを示している。したがって、ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶に欠陥が生じていても、それに影響を受けることなく、Ｅｕ²⁺は光子の生成が可能となる。すなわち、図１に示す量子ドット１２中に欠陥が生じていてもそれに影響を受けることなく、金属イオン１３は光子の生成が可能となる。しかも、発光強度が温度の上昇につれて低下する現象を温度消光というが、ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶中のＥｕ²⁺は、温度消光が小さいため、数ｍＫの極低温のみならず室温での光子生成が可能である。
【００３５】
また、励起帯の波長は、発光スペクトルの発光強度が増加する波長よりも短波長側に存在する。そして、励起帯は、紫外光波長領域で吸収率が高まり、より低い強度の励起光パルス１５ＡでＥｕ²⁺を励起できることが分かる。このことから、レーザ照射装置１５は、その励起光パルス１５Ａが金属イオン１３の発光波長よりも短い波長のパルスレーザ、例えば紫外線で発光するパルスレーザを用いることが好ましい。
【００３６】
さらに励起光パルス１５Ａの時間幅は、金属イオン１３の発光寿命よりも短い時間に制御部１６により設定される。これは、励起光パルス１５Ａの時間幅を金属イオン１３の発光寿命よりも長く設定すると、連続的に例えば２つの光子が生じてしまうからである。なお、発光寿命は、金属イオン１３の発光確率が存在する時間であり、例えば、多数回の単一光子の発光を積算することで得られた発光波形から求めた時間である。
【００３７】
図３は、単一光子の生成動作を説明するための概略図である。なお、図３の横軸は時間を線形表示しており、図３（Ｂ）の縦軸は発光確率を対数表示している。
【００３８】
図３を図１と共に参照するに、（Ａ）に示すパルス幅Ｔａの励起光パルス１５Ａを量子ドット１２に照射すると、金属イオン１３はわずかな時間ΔＴ₁の後に励起状態となり緩和を開始する。
【００３９】
励起光パルス１５Ａのパルス幅Ｔａが金属イオン１３の発光寿命Ｔｂよりも短い場合は、金属イオン１３は励起光パルス１５Ａのパルス幅Ｔａの間に励起状態になり緩和を開始する。発光寿命Ｔｂがパルス幅Ｔａよりも長いために、励起光パルスが照射されている間（Ｔａ）に確率事象として一度も基底状態に遷移することはない。そして、励起光パルス１５Ａがオフになった以降に金属イオン１３は基底状態に戻りつつ単一光子からなる出力光パルスＳＰを生成する。すなわち、図３（Ｂ）に示すように発光確率は励起状態となった直後に高い。そして、発光確率は、時間の経過に対して指数関数的に減少する。金属イオン１３は発光寿命Ｔｂの間に図３（Ｃ）に示すように、単一光子からなる出力光パルスＳＰを生成する。
【００４０】
仮に励起光パルス１５Ａのパルス幅Ｔａが金属イオン１３の発光寿命Ｔｂよりも長い場合は、励起してから発光寿命Ｔｂが経過した時点で基底状態に戻りつつ光子パルスを生成し、さらに再び励起し、励起光パルス１５Ａがオフになった時点で２個目の光子を生成する可能性が確率事象としてある。したがって、単一光子を生成するためには、励起光パルス１５Ａのパルス幅Ｔａが金属イオン１３の発光寿命Ｔｂよりも短く設定する必要がある。
【００４１】
例えば、Ｅｕ²⁺の発光寿命は１μ秒程度であるので、レーザ照射装置１５には、発光寿命よりも短い時間幅のパルスを射出可能なパルスレーザ、例えば、数ピコ秒から数十フェムト（ｆ）秒（１ｆ秒＝１０^-15秒）程度のパルス幅を出射可能なパルスレーザを用いればよい。レーザ照射装置１５には、例えば、ＹＡＧレーザ光の３倍高調波（波長３５５ｎｍ）でパルス幅が数ピコ秒のパルス光を出射可能なパルスレーザ（例えば、東京インスツルメンツ社製、商品名：ＵＶＰｏｗｅｒ３５５（パルス幅１０ｐ秒以下））を用いることができる。このように、Ｅｕ²⁺の発光寿命よりも百万分の１程度あるいはそれよりも短いパルス幅のパルスレーザを使用することで確実に単一光子を生成できる。
【００４２】
また、本発明では数ピコ秒程度の比較的パルス幅の長いパルスレーザを使用可能であるので、上述した従来技術、例えば特許文献２の単一光子発光装置よりも装置コストを低減できる。また、励起光パルス１５Ａの強度は十分に金属イオン１３を励起できる強度であれば特に限定されない。
【００４３】
また、金属イオン１３の他の例としてＣｅ³⁺の場合についてその発光機構を説明する。Ｃｅ³⁺の基底状態および励起状態の電子配置は以下通りである。
【００４４】
基底状態Ｃｅ³⁺：［Ｋｒ］（４ｄ）¹⁰（４ｆ）¹（５ｓ）²（５ｐ）⁶
励起状態Ｃｅ³⁺：［Ｋｒ］（４ｄ）¹⁰ （５ｓ）²（５ｐ）⁶（５ｄ）¹
Ｃｅ³⁺の励起は、光子吸収等により１個の電子が４ｆ準位から５ｄ準位に遷移することにより生じ、その発光は５ｄ準位から４ｆ準位に遷移する際に生じる。この発光は、１個の光子を生成する。本実施の形態では量子ドット１２中にＣｅ³⁺が１個だけ存在するので、Ｃｅ³⁺の１回の励起−発光過程により１個の光子が生成される。
【００４５】
Ｃｅ³⁺の発光寿命は１００ｎ秒であり、上述したように、数ピコ秒〜数十フェムト秒のパルス幅のパルスレーザを用いることで、確実に単一の光子を生成できる。
【００４６】
このような内殻遷移としては、上述したＥｕ²⁺等の希土類元素の（４ｆ）ⁿ→（４ｆ）^n-1（５ｄ）¹遷移の他、後ほど説明するＭｎ²⁺の（３ｄ）⁵→（３ｄ）⁵遷移や、Ｃｕ²⁺の（３ｄ）⁹（４ｓ）¹→（３ｄ）¹⁰遷移が挙げられる。本発明ではこれらの内殻遷移を生じる金属イオン１３のいずれをも用いることができる。
【００４７】
図１に戻り、励起光パルス１５Ａは、量子ドット１２全体あるいは量子ドット１２中の金属イオン１３が存在する範囲内に照射する。図１では、集光レンズの図示を省略しているが、励起光パルス１５Ａを集光レンズにより集光して照射することが好ましい。また、１個の金属イオン１３を含む量子ドット１２を多数、結晶基板１１上に配置して、複数の量子ドット１２に同時に励起光パルス１５Ａ照射してもよい。複数の単一光子を別々に取り出すことで時間的に並列に単一光子ＳＰを取り出すことができる。
【００４８】
なお、励起光パルス１５Ａを量子ドット１２に照射する角度には特に制限はないが、照射が容易な点で、量子ドットの上方あるいは斜めから照射することが好ましい。
【００４９】
また、単一光子発生部１４である結晶基板１１および量子ドット１２は真空容器（不図示）内に載置されることが好ましい。これにより量子ドット１２表面の清浄性を維持でき単一光子生成の信頼性が高まる。また、単一光子発生部１４の温度は、数ｍＫの極低温から室温までの広い温度範囲に設定することが可能である。このため特別な冷却装置がなくても動作することから装置の構成が単純となるためこの点でも実用性が高い。また、励起光パルス１５Ａは、真空容器に設けられた光学窓を介して真空容器の外部から量子ドット１２に照射されればよい。また、単一光子の取り出しは、励起光を除去する光学フィルターを介すればよい。
【００５０】
次に、図４（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ単一光子発生部１４の形成方法を説明する。図４（Ａ）および（Ｂ）は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。ここでは、図１に示す結晶基板１１としてＧａＡｓ、量子ドット１２の蛍光体母体材料１２ａとしてＳｒＧａ₂Ｓ₄、金属イオン１３としてＥｕ²⁺を用いた例を説明する。
【００５１】
最初に、図４（Ａ）の工程では、ＧａＡｓ基板１１上に量子ドットのベース層１２ａ−１をエピタキシャル成長させる。具体的には、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置にＧａＡｓ基板１１を載置し、真空雰囲気（例えば、真空度１０^-7Ｐａ）で基板温度を５３０℃〜６０５℃の範囲に設定する。さらに、分子線源としてＳｒセル（例えば加熱温度５１０℃）およびＧａ₂Ｓ₃セル（例えば加熱温度９９０℃）を用いる。分子線をシャッターの開閉制御によってＧａＡｓ基板１１に照射し、ＧａＡｓ基板１１上にＳｒＧａ₂Ｓ₄をエピタキシャル成長させ、２分子層〜５分子層程度のＳｒＧａ₂Ｓ₄からなる量子ドット（ベース層１２ａ−１）を形成する。この際、ＧａＡｓ基板１１の表面に到達したＳｒＧａ₂Ｓ₄はその厚さが薄いので凝集し、直径が２０ｎｍから３０ｎｍ程度の量子ドットのベース層１２ａ−１が形成される。
【００５２】
図４（Ａ）の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて真空雰囲気でベース層１２ａ−１上に１個のＥｕ²⁺を吸着させる。具体的には、ＳＴＭの探針の先端部にＥｕ²⁺源からＥｕ²⁺の金属イオン１３を１個吸着させる。さらに、ベース層１２ａ−１の表面に探針を位置決めし、ベース層１２ａ−１の表面にＥｕ²⁺を吸着させる。
【００５３】
次いで、図４（Ｂ）の工程では、図４（Ａ）の構造体が形成されたＧａＡｓ基板１１を外気に曝すことなく再びＭＢＥ装置に戻し、上述したベース層１２ａ−１の形成条件と同様の条件で、ベース層１２ａ−１上にＳｒＧａ₂Ｓ₄からなる１分子層〜５分子層程度のキャップ層１２ａ−２を形成する。これにより１個のＥｕ²⁺はキャップ層１２ａ−２に覆われる。以上により、ＧａＡｓ基板１１上に１個のＥｕ²⁺の金属イオン１３を含む量子ドット１２からなる単一光子発生部１４が形成される。
【００５４】
なお、上述したＧａＡｓ基板、ＳｒＧａ₂Ｓ₄、およびＥｕ²⁺以外の材料を用いる場合も上記の形成方法と同様にして形成できる。ただし、温度条件等はそれらの材料に応じて適宜選択される。
【００５５】
また、上述した単一光子発生部１４の形成は、ＭＢＥ装置とＳＴＭ装置とを真空雰囲気を保持可能なトランスファーチャンバーにより接続した真空一貫作製装置を用いる。なお、ＭＢＥ装置の代わりに他の薄膜作製装置、例えば、有機金属（ＭＯ）ＭＢＥ装置や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いることができる。
【００５６】
第１の実施の形態によれば、蛍光体母体材料１２ａからなる１個の量子ドット１２中に内殻遷移を生じる金属イオン１３が１個だけ含まれる単一光子発生部１４を備えており、量子ドット１２に金属イオン１３の発光寿命よりも短いパルス幅の励起光パルス１５Ａを照射することで、単一光子を確実に生成できる。さらに、金属イオン１３の内殻遷移は数ｍＫの極低温から室温程度の広い温度範囲で光子生成が可能であるので実用的である。また、単一光子発生装置１０の構成および発光作用は単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用的である。
【００５７】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５８】
図５を参照するに、単一光子発生装置２０は、結晶基板１１と、結晶基板上１１に形成された蛍光体母体材料２２ａおよび金属イオン１３からなる蛍光体層２２とからなる単一光子発生部２４と、蛍光体層２２の１個の金属イオン１３が存在する領域に励起光パルス１５Ａを照射するレーザ照射装置１５と、その照射タイミングおよびパルス幅等を制御する制御部１６等から構成される。単一光子発生装置２０は、量子ドットの代わりに蛍光体層２２を形成した以外は図１に示す第１の実施の形態に係る単一光子発生装置１０と同様の構成を有する。
【００５９】
蛍光体層２２は、結晶基板１１上にエピタキシャル成長し、例えば、厚さが１００ｎｍ〜５００ｎｍの薄膜状に形成されてなる。蛍光体母体材料２２ａは、第１の実施の形態において説明した蛍光体母体材料から選択される。
【００６０】
金属イオン１３は、所定の範囲の蛍光体層２２中に１個だけ存在する。ここで、所定の範囲は、１個の励起光パルス１５Ａが照射される範囲である。金属イオン１３は、第１の実施の形態において説明した金属イオンから選択される。
【００６１】
励起光パルス１５Ａは、蛍光体層２２の表面に対していかなる角度で入射させてもよいが、蛍光体層２２の上方側あるいは側面側から照射させることが好ましい。また、蛍光体層２２内に照射された励起光パルス１５Ａが結晶基板１１の界面で全反射を起こす角度で入射させることが好ましい。これにより、金属イオン１３が励起光パルス１５Ａにより励起する確率が高くなる。励起光パルス１５Ａの全反射は、結晶基板１１の材料をその屈折率が蛍光体層２２の屈折率よりも小さい材料を選択する。一方、蛍光体層２２の表面では、蛍光体層２２の屈折率が、真空あるいは不活性ガス等の屈折率よりも高いので、全反射が生じる。
【００６２】
次に、図６（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ単一光子発生部２４の形成方法を説明する。図６（Ａ）および（Ｂ）は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。ここでは、結晶基板１１としてＧａＡｓ基板、蛍光体母体材料２２ａとしてＳｒＧａ₂Ｓ₄、金属イオン１３としてＥｕ²⁺を用いた例を説明する。かかる形成方法は図４において説明した形成方法と略同様であり、その形成方法を用いることができることはいうまでもない。
【００６３】
最初に、図６（Ａ）の工程では、ＧａＡｓ基板１１上にＭＢＥ装置によりＳｒＧａ₂Ｓ₄からなるベース層２２ａ−１をエピタキシャル成長させる。具体的には、第１の実施の形態の図４（Ａ）の説明と同様の方法により行う。ただし、ベース層２２ａ−１の厚さが５０ｎｍ〜２００ｎｍに設定される。
【００６４】
図６（Ａ）の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて真空雰囲気でベース層２２ａ−１上に１個のＥｕ²⁺を吸着させる。
【００６５】
次いで、図６（Ｂ）の工程では、ベース層２２ａ−１上に、ＭＢＥ装置によりＥｕ²⁺を覆うＳｒＧａ₂Ｓ₄からなる５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さのキャップ層２２ａ−２を形成する。以上により、ＧａＡｓ基板１１上に１個のＥｕ²⁺の金属イオン１３を含む蛍光体層２２からなる単一光子発生部２４が形成される。
【００６６】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に係る単一光子発生装置と同様の効果を有する。すなわち、蛍光体層２２中に内殻遷移を生じる金属イオン１３が１個だけ含まれる単一光子発生部２４を備えており、金属イオン１３が１個だけ含まれる蛍光体層２２に、金属イオン１３の発光寿命よりも短いパルス幅の励起光パルス１５Ａを照射することで、単一光子の出力光パルスＳＰを確実に生成できる。さらに、第２の実施の形態では、蛍光体層２２が層状であるので、励起光パルス１５Ａを蛍光体層２２中で全反射するように入射することで、金属イオン１３が励起する確率をより高くできる。
【００６７】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６８】
図７を参照するに、単一光子発生装置３０は、基板３１、および基板３１上に下部電極３２、第１絶縁層３３、蛍光体母体材料３４ａおよびその中に含まれる１個の金属イオン１３からなる蛍光体層３４、第２絶縁層３５、および上部電極３６がこの順に堆積されてなる単一光子発生部３８と、下部電極３２と上部電極３６との間に電気的に接続され、パルス状の電界を印加するパルス電源部３９から構成される。単一光子発生装置３０は、蛍光体層３４中の１個の金属イオン１３に電子を衝突させることにより金属イオン１３に内殻遷移を起こさせて単一光子を生成させる。
【００６９】
基板３１は、その材料は特に限定されないが、基板３１側から単一光子を取り出す場合を含めて透明基板を用いることが好ましい。透明基板としては、ガラス、石英等の透明性絶縁基板、ＰＥＴやＰＥＮなどのフィルム、ＰＶＡなどの樹脂基板等を用いることができる。なお、図７の紙面の上方（上部電極３６側）から単一光子を取り出す場合には、基板３１にはＳｉ等の半導体基板を用いることができる。
【００７０】
下部電極３２および上部電極３６は、例えば厚さが０．５μｍの金属や合金、さらに導電性酸化物等を用いることができる。下部電極３２および上部電極３６は、単一光子を取り出す場合はＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明電極を用いることが好ましい。
【００７１】
第１絶縁層３３および第２絶縁層３５は、例えば厚さが０．５μｍの窒化物絶縁材料や酸化物絶縁材料からなる。窒化物絶縁材料としては、Ｓｉ₃Ｎ₄およびＡｌＮが挙げられる。また、酸化物絶縁材料としては、ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、およびＴｉＯ₂が挙げられる。なお、第１絶縁層３３および第２絶縁層３５は複数の層からなる積層薄膜でもよい。
【００７２】
蛍光体層３４は、例えば厚さが１μｍの蛍光体母体材料３４ａからなり、第１の実施の形態において説明した蛍光体母体材料と同様の材料から選択される。
【００７３】
金属イオン１３は、第１の実施の形態において説明した金属イオンと同様の金属イオンから選択される。金属イオン１３は、所定の範囲内の蛍光体層３４中に１個だけ存在する。所定の範囲は、下部電極３２と上部電極３６とに第１絶縁層３３および第２絶縁層３５を介して挟まれた蛍光体層３４の範囲である。
【００７４】
蛍光体層３４は、種々の蛍光体母体材料３４ａと、金属イオン１３とで任意に組み合わせることが可能であるが、特に、ＸＧａ₂Ｓ₄で表されるチオガレート系材料（Ｘ＝Ｓｒ，Ｃａ，およびＢａから選択される１種。）、ＸＡｌ₂Ｓ₄で表されるチオアルミネート系材料（Ｘは同上）、およびＺｎ₂ＳｉＯ₄のうちから選択される１種の蛍光体母体材料３４ａと、Ｅｕ²⁺，Ｃｅ³⁺，およびＭｎ²⁺のうちから選択される１種の金属イオン１３とを組み合わせることが好ましい。
【００７５】
また、ＺｎＳ，ＣａＳ，ＳｒＳ，ＣｄＳ，ＧａＮ，ＺｎＯ，ＺｎＳｅ，ＢａＳ，およびＡｌＮのうちから選択される１種の蛍光体母体材料３４ａと、Ｅｕ²⁺，Ｃｅ³⁺，およびＭｎ²⁺のうちから選択される１種の金属イオン１３とを組み合わせてもよい。
【００７６】
ここで、金属イオン１３の一例として内殻遷移を生じるＭｎ²⁺の場合についてその発光機構を説明する。Ｍｎ²⁺の基底状態および励起状態の電子配置は以下のように同じ状態である。
【００７７】
Ｍｎ²⁺：（１ｓ）²（２ｓ）²（２ｐ）⁶（３ｓ）²（３ｐ）⁶（３ｄ）⁵
Ｍｎ²⁺の励起と発光は（３ｄ）⁵の不完全殻内の多電子準位における電子遷移により生じる。すなわち励起は基底状態⁶Ａ₁から励起状態⁴Ｔ₁に１個の電子が遷移することにより生じる。一方、発光は励起状態⁴Ｔ₁から基底状態⁶Ａ₁に１個の電子が遷移することにより生じる。
【００７８】
図８は、Ｍｎ²⁺の発光スペクトルを示す図である。図８は、後ほど説明する形成方法によりＺｎＳ膜（厚さ１μｍ）中にそのＺｎ²⁺に置換する形で１個のＭｎ²⁺が含まれる単一光子発生部３８に、周波数１ｋＨｚ、波高値が１２０Ｖ（電界強度１．２×１０⁸Ｖ／ｍ））のパルス状の入力電圧信号を印加して得られた発光スペクトルである。
【００７９】
図８を参照するに、Ｍｎ²⁺は励起状態⁴Ｔ₁から基底状態⁶Ａ₁の遷移により、約５８０ｎｍをピーク波長とするブロードな発光スペクトルを示す。このように、Ｍｎ²⁺は１個の電子の励起状態から基底状態への遷移により単一光子が生成される。この基底状態⁶Ａ₁と励起状態⁴Ｔ₁との間の遷移は、電子のスピン禁制の遷移であり、基底状態⁶Ａ₁と励起状態⁴Ｔ₁とを遷移する１個の電子のスピンが反転する。したがって、発光寿命が他の金属イオン１３と比較して格段に長く、１ミリ秒〜１０ミリ秒程度である。したがって、次に説明するように、金属イオンにＭｎ²⁺を用いた場合、単一光子発生装置３０は単一光子をいっそう確実に生成できる。また、Ｍｎ²⁺の温度消光も小さいので、室温で発光可能である。
【００８０】
次に、単一光子発生装置３０の動作を説明する。
【００８１】
図９は、第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための図である。なお、図９の横軸は時間を線形表示しており、図９（Ｃ）の縦軸は発光確率を対数表示している。
【００８２】
図９を図７と共に参照するに、単一光子発生装置３０は、パルス電源部３９から下部電極３２と上部電極３６との間にパルス状の例えば１０⁸Ｖ／ｍ程度の電界強度となる入力電圧信号（図９（Ａ））を印加する。この入力電圧信号により、例えば下部電極３２に対して上部電極３６に正電圧が印加された場合、第１絶縁層３３と蛍光体層３４との界面から多数の電子が放出され、蛍光体層３４中を電子が伝導する。この電子は１０⁸Ｖ／ｍ程度の高電界で加速され、高速の電子（以下、「ホットエレクトロン」と称する。）は上部電極３６方向に移動する。図９（Ｂ）に示すように、ホットエレクトロンはパルス幅Ｔｃの間、蛍光体層３４中を伝導する。なお、ここで、Ｔｃはホットエレクトロンのパルス幅を表している。Ｔｃは、先の図３（Ａ）のＴａで示した励起光のパルス幅と同様に、単一の金属イオンを励起するために用いるパルス幅を示している。このようにホットエレクトロンと図３（Ａ）の励起光とはその働きは原理的に同様であるが、時間の定義が異なるので、ここでは、ホットエレクトロンのパルス幅をＴｃとして、Ｔａとは区別して表記する。
【００８３】
ホットエレクトロンの伝導開始からわずかな時間ΔＴ₂の後に１個のホットエレクトロンが金属イオン１３に衝突する。すると、金属イオン１３の１個の電子がただちに励起状態になり、緩和を開始するが、図９（Ｃ）に示す発光寿命Ｔｂがパルス幅Ｔｃよりも長いために、パルス幅Ｔｃの間には確率事象として一度も基底状態に遷移することはない。
【００８４】
ホットエレクトロンの伝導がオフになった以降に金属イオン１３は基底状態に戻り単一光子からなる出力光パルスＳＰを生成する。その際、入力電圧信号が印加されている時間Ｔcの間に複数のホットエレクトロンが金属イオン１３に衝突しても金属イオン１３は既に励起状態から緩和を開始しているので、時間Ｔcの間には再び励起されることはない。総てのホットエレクトロンが金属イオン１３の位置を通過した後に、図９（Ｃ）に示す発光確率で金属イオン１３は基底状態に遷移すると共に１個の光子のみの出力光パルスを生成する（図９（Ｄ））。
【００８５】
ここで、ホットエレクトロンの移動時間が金属イオン１３の発光寿命Ｔｂよりも短い条件に設定される。ホットエレクトロンの移動時間は、入力電圧信号がオンとなってから総てのホットエレクトロンが金属イオン１３の位置を通過するまでの時間であり、数マイクロ秒以下である。一方、金属イオン１３の発光寿命Ｔｂは例えばＭｎ²⁺の場合、１ミリ秒から１０ミリ秒程度である。したがって、金属イオン１３の発光寿命Ｔｂの時間内に総てのホットエレクトロンを金属イオン１３の位置を通過させることができ単一光子ＳＰを生成できる。すなわち、Ｍｎ²⁺の場合は、発光寿命の時間内に十分に総てのホットエレクトロンが金属イオン１３の位置を通過でき、単一光子ＳＰを確実に生成できる。
【００８６】
なお、入力電圧信号のパルス幅は特に制限がない。これは、入力電圧信号のパルス幅を長く設定しても、電界の単一極性下では、総てのホットエレクトロンが金属イオン１３の位置を通過してしまえば、それ以降は金属イオン１３に何ら影響がないからである。
【００８７】
また、引き続き、パルス電源部３９から先の入力電圧信号とは逆の極性の入力電圧信号を下部電極３２と上部電極３６との間に印加することで、先の入力電圧信号の場合とは逆方向にホットエレクトロンの移動が起こる。例えば下部電極３２に対して上部電極３６に負電圧が印加された場合、第２絶縁層３５と蛍光体層３４との界面に蓄積された多数の電子が下部電極３２方向に移動する（図９（Ｂ））。これにより、先ほどと同様の作用により単一光子が生成される。このように、単一光子発生装置３０では、電圧極性が交番する入力電圧信号を所望のタイミングで供給することで、単一光子を所望のタイミングで連続して生成させることができ、さらに、１個の入力電圧信号のパルスで確実に単一光子ＳＰを生成させることができる。
【００８８】
次に、図１０を参照しつつ単一光子発生部３８の形成方法を説明する。図１０（Ａ）および（Ｂ）は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。
【００８９】
最初に、図１０（Ａ）の工程では、スパッタ法や蒸着法によりガラス基板３１（例えばコーニング社製、製品名１７３７ガラス）上に、ＩＴＯ膜（例えば厚さ０．５μｍ）を下部電極３２として形成し、さらに、Ｔａ₂Ｏ₅膜（例えば厚さ０．５μｍ）を第１絶縁層３３として形成する。
【００９０】
図１０（Ａ）の工程ではさらに、Ｔａ₂Ｏ₅膜まで形成されたガラス基板３１をＭＢＥ装置に載置し、真空雰囲気（例えば真空度１０^-7Ｐａ）で基板温度を１２０℃〜１６０℃の範囲に設定する。さらに、分子線源としてＺｎＳセル（例えば加熱温度９００℃）を用いて、分子線をシャッターの開閉制御によってＴａ₂Ｏ₅膜に照射し、Ｔａ₂Ｏ₅膜上に厚さ０．５μｍのＺｎＳ膜からなる蛍光体層のベース層３４ａ−１を成長させる。
【００９１】
図１０（Ａ）の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく、ＳＴＭを用いて真空雰囲気でベース層３４ａ−１上に１個の金属イオン１３、例えばＭｎ²⁺を吸着させる。
【００９２】
次いで、図１０（Ｂ）の工程では、図１０（Ａ）の構造体が形成されたガラス基板３１を外気に曝すことなく再びＭＢＥ装置に戻し、上述したベース層３４ａ−１の形成と同様の条件で、ベース層３４ａ−１上に厚さ０．５μｍのＺｎＳ膜からなる蛍光体層のキャップ層３４ａ−２を成長させる。
【００９３】
図１０（Ｂ）の工程ではさらに、ＺｎＳ膜および金属イオン１３の活性化のために積層体の熱処理を行う。熱処理の条件は、例えば４００℃の温度で１時間に設定される。
【００９４】
図１０（Ｂ）の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなくスパッタ法や蒸着法により、蛍光体層３４上にＴａ₂Ｏ₅膜（例えば厚さ０．５μｍ）を第２絶縁層３５として形成し、さらにＡｌ膜（例えば厚さ０．５μｍ）を上部電極３６として形成する。以上により、下部電極３２と上部電極３６とに挟まれた位置に１個の金属イオン１３を含む蛍光体層３４からなる単一光子発生部３８が形成される。
【００９５】
なお、単一光子発生部３８の形成において、蛍光体層３４のベース層３４ａ−１の形成、金属イオン１３の吸着処理、および蛍光体層のキャップ層３４ａ−２の形成の各工程は、第１の実施の形態の単一光子発生部の形成方法と同様の作製装置を用いる。
【００９６】
第３の実施の形態によれば、下部電極３２と上部電極３６とに第１絶縁層３３および第２絶縁層３５を介して挟まれた蛍光体層３４の範囲に１個の金属イオン１３を配置し、下部電極３２と上部電極３６との間に電圧パルスを印加することで、電子が金属イオン１３に衝突し、内殻遷移が生じ、単一光子を確実に生成できる。さらに、金属イオン１３の内殻遷移は数ｍＫの極低温のみならず室温程度で発光が可能であるので実用的である。また、単一光子発生装置の構成および発光作用は単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用的である。
【００９７】
なお、第３の実施の形態は、蛍光体層３４中の金属イオン１３の内殻遷移による発光機構を採用することにより単一光子を取り出すことが可能である。他の発光機構、例えば蛍光体層３４に起因する発光（例えば励起子による発光）では単一光子を取り出すことができない。
【００９８】
また、第３の実施の形態の単一光子発生部３８は、第１絶縁層３３および第２絶縁層３５のいずれかを省略してもよい。この場合でも上述した動作と同様の動作で単一光子を生成可能である。
【００９９】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る単一光子発生装置は、単一光子を生成する単一光子発生部が２次元的に配置されたものであり、第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の応用例である。
【０１００】
図１１は本発明の第４の実施の形態に係る単一光子発生装置の概略平面図、図１２は第４の実施の形態に係る単一光子発生部の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１０１】
図１１および図１２を参照するに、単一光子発生装置４０は、基板３１、および基板３１上に一方向に延在し、互いに平行に配置された複数の下部電極３２、第１絶縁層３３、所定の位置に金属イオン１３が配置された蛍光体層３４、第２絶縁層３５、および下部電極３２とは直交する方向に延在し、互いに平行に配置された複数の上部電極３６がこの順に堆積されてなる単一光子発生部４１と、下部電極駆動回路４２と、上部電極駆動回路４３とから構成される。単一光子発生部４１の層構成は、複数の下部電極３２および上部電極３６が設けられている以外は、図７に示す第３の実施の形態の単一光子発生部３８と同様である。
【０１０２】
金属イオン１３は、平面視した場合に下部電極３２と上部電極３６が交叉する位置の蛍光体層３４中に１個だけ配置されている。したがって、入力電圧信号が印加された下部電極３２および上部電極３６が交叉する位置の金属イオン１３が励起され、その金属イオン１３が基底状態に遷移する際に単一光子を生成する。したがって、所望のシリアルの信号（例えば情報を載せた信号）を下部電極駆動回路４２および上部電極駆動回路４３に入力することで、単一光子発生部４１よりパラレルに単一光子を生成できる。したがって、例えば、単一光子発生装置に多数の光導波路を組み合わせることで、単一光子を多数の光導波路のそれぞれに同時に送出することできるので、大容量の光伝送装置として用いることができる。
【０１０３】
また、単一光子発生部４１の金属イオン１３の種類を互いに異ならせることで波長多重単一光子発生装置としても用いることができる。
【０１０４】
第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様の効果を奏し、さらに、下部電極３２と上部電極３６とが交叉する位置のそれぞれに内殻遷移を生じる１個の金属イオン１３を配置することで、パラレルに単一光子を生成可能な単一光子発生装置を実現できる。
【０１０５】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
【図２】ＳｒＧａ₂Ｓ₄結晶中のＥｕ²⁺の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。
【図３】第１の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための概略図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は第１の実施の形態の単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は第２の実施の形態の単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
【図８】ＺｎＳ膜中のＭｎ²⁺の発光スペクトルを示す図である。
【図９】第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための図である。
【図１０】（Ａ）および（Ｂ）は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る単一光子発生装置の概略平面図である。
【図１２】第４の実施の形態に係る単一光子発生部の構成図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０，２０，３０，４０単一光子発生装置
１１結晶基板（ＧａＡｓ基板）
１２量子ドット
１２ａ，２２ａ，３４ａ蛍光体母体材料
１２ａ−１，２２ａ−１，３４ａ−１ベース層
１２ａ−２，２２ａ−２，３４ａ−２キャップ層
１３金属イオン
１４，２４，３８，４１単一光子発生部
１５レーザ照射装置
１５Ａ励起光パルス
１６制御部
２２，３４蛍光体層
３１基板（ガラス基板）
３２下部電極
３３第１絶縁層
３５第２絶縁層
３６上部電極
３９パルス電源部
４２下部電極駆動回路
４３上部電極駆動回路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光体母体材料と、該蛍光体母体材料中に内殻遷移により発光する金属イオン１個とからなる蛍光体を有する単一光子発生部と、
前記金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子を金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与える励起部とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
前記励起光パルスは、金属イオンの発光波長よりも短い波長を有する請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項３】
前記蛍光体は量子ドットからなり、１個の該量子ドット中に前記金属イオンが含まれることを特徴とする請求項１または２記載の単一光子発生装置。
【請求項４】
前記蛍光体は層状の蛍光体層であり、該蛍光体層中に前記金属イオンが含まれることを特徴とする請求項１または２記載の単一光子発生装置。
【請求項５】
前記単一光子発生部は、下部電極と、該下部電極上に形成された層状の前記蛍光体と、該蛍光体上に形成された上部電極と、前記下部電極と蛍光体との間および蛍光体と上部電極との間の少なくともいずれか一方の間に形成された絶縁層とを有し、
前記励起部は、下部電極と上部電極との間に印加されたパルス電圧により前記蛍光体中を伝導する電子を金属イオンに衝突させて励起させることを特徴とする請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項６】
前記単一光子発生部は、基板と、該基板上に一方向に延在し、互いに平行に配置された複数の下部電極と、該下部電極上に形成されると共に所定の位置に金属イオンが配置された層状の前記蛍光体と、該蛍光体上に形成されると共に該下部電極とは直交する方向に延在し互いに平行に配置された複数の上部電極と、下部電極と蛍光体との間および蛍光体と上部電極との間の少なくともいずれか一方に間に形成された絶縁層とを有し、
前記金属イオンは、単一光子発生部を平面視した場合に、前記下部電極と上部電極とが交叉したそれぞれの位置の蛍光体中に１個のみ配置され、
前記励起部は、下部電極に接続された下部電極駆動回路と、上部電極に接続された上部電極駆動回路とを有し、該下部電極駆動回路および上部電極駆動回路により所定の前記位置の蛍光体に電圧パルスを印加して蛍光体中を伝導する電子を金属イオンに衝突させて励起させることを特徴とする請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項７】
前記金属イオンは、Ａｇ，Ａｕ，Ａｓ，Ｂｉ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｇｄ，Ｇｅ，Ｈｏ，Ｈｇ，Ｉｎ，Ｍｎ，Ｎｄ，Ｐｂ，Ｐｒ，Ｓｂ，Ｓｍ，Ｓｎ，Ｔｂ，Ｔｍ，Ｔｉ，Ｔｌ，Ｖ，Ｗ，Ｙｂ，Ｚｎからなる群のうち、いずれか１種の元素のイオンが選択されることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項８】
前記蛍光体母体材料が、ＸＧａ₂Ｓ₄の一般式で表されるチオガレート系材料、ＸＡｌ₂Ｓ₄の一般式で表されるチオアルミネート系材料、Ｚｎ₂ＳｉＯ₄，ＢａＭｇ₂Ａｌ₁₆Ｏ₂₇、ＺｎＳ、ＣａＳ、ＳｒＳ、ＣｄＳ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＢａＳ、およびＡｌＮからなる群のうちいずれか１種であることを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置（ただし、Ｘは、Ｓｒ，Ｃａ，およびＢａから選択される１種である。）。

【図１】