波長変換装置及びその波長変換方法及び単一光子発生装置
【課題】量子ドットと共振器の結合系におけるパーセル効果とフォトニックバンドギャップ効果を用いることで、波長変換を実現する装置および波長変換方法および単一光子発生装置を提供する。
【解決手段】
本発明の波長変換装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【解決手段】
本発明の波長変換装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信分野等で用いられる波長変換装置及びその波長変換方法及び単一光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子情報化社会の浸透に伴い、情報通信技術に関する研究が盛んであり、その進展は著しい。電子化された情報は複製が容易で劣化もしないため、情報通信では盗聴や複製に対する安全性が常に問題となる。公開鍵暗号や秘密鍵暗号等の現在の暗号方式は、古典計算機では解読に膨大な時間がかかるために実効的に破られないとされているが、これは計算機の能力に立脚した条件付の安全性であり、原理的に破られないわけではない。
【０００３】
これに対して、より安全性の高い情報通信技術として量子暗号通信が注目を集めている。量子暗号は量子力学の物理法則に基づいて、原理的に安全性が保障されるシステムである。情報は量子力学的な２自由度（偏光状態や位相状態など）として、例えば単一の光子に付与される。単一光子は、その量子状態を破壊することなく読み出したり複製したりすることができないため、通信経路上で第三者が盗聴や改ざんしようとすれば直ちに検知できる。
【０００４】
単一光子発生源としては、ＩｎＡｓ自己形成量子ドット（非特許文献１）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献２）、ＣｄＳｅコロイド量子ドット（非特許文献３）などを用いることが考えられる。
【０００５】
量子暗号通信に用いられる光子の伝送経路としては、現行の情報ネットワークの根幹である光ファイバーを用いることが最も現実的である。従って単一光子の波長は、光ファイバーの伝送損失の少ない通信波長帯（１．３−１．５５μｍ）であることが望ましい。しかしながら、上記の単一光子源からの光の波長は通信波長帯とは異なるのが一般的であるので、長距離伝送を考慮すると通信波長帯に波長変換するのが望ましい。
【０００６】
単一光子の波長変換装置としては、非線形光学結晶による周波数上方（下方）変換が知られている。この方法では、図１６に示すように入力光（単一光子）とポンプ光を同一伝播方向に重ねて非線形光学媒体に入射する。結晶中で起こる和（差）周波変換の結果として、通信波長帯の出力光子が出射される。
【０００７】
また、単一光子レベルの微弱信号光の切り分けについては、プリズムと分光器を用いる方法やＬｉＮｂＯ３偏波変調器と偏光ビームスプリッターを用いる方法（特許文献１）などが知られている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００４／０９５１２４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐ．Ｍｉｃｈｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，‘Ａ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｕｒｎｓｔｉｌｅ’，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９０，２２８２（２０００）．
【非特許文献２】Ｃ．Ｋｕｒｔｓｉｅｆｅｒ ｅｔ ａｌ．，‘Ｓｔａｂｌｅ Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｓ’，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，２９０（２０００）．
【非特許文献３】Ｘ．Ｂｒｏｋｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，‘Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎｓ ｂｙ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ＣｄＳｅ／ＺｎＳ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ’， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，７１２（２００４）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１６に示したような技術で波長変換を行う際には、入力光と共に入力光より遥かに強いポンプ光を非線形光学結晶に入射する必要がある。このポンプ光は信号光と伝播方向が同一であるため、信号光を単一光子として使うためには信号光の波長のみを切り出す必要がある。しかし、これは一般に容易ではない。
【００１１】
また、単一光子レベルの微弱信号光の切り分けについては、プリズムと分光器を用いる方法やＬｉＮｂＯ３偏波変調器と偏光ビームスプリッターを用いる方法（特許文献１）では、ポンプ光が極僅かでも信号光に混入してしまうと単一光子としての性質が悪化してしまうため、厳密な光学系の設計と調整が必要となる。また、プリズムや光学フィルターを複数個重ねた場合、変換後の光子のロスにつながるため、単一光子の取り出し効率が低下する。
【００１２】
［発明の目的］
本発明の目的は、このような課題に鑑みて創案されたもので、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の波長変換装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【００１４】
本発明の単一光子発生装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【００１５】
本発明の波長変換方法は、量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一の実施形態の波長変換装置の断面図である。
【図２】第二の実施形態の波長変換装置の断面図である。
【図３】第三の実施形態の波長変換装置の上面図である。
【図４】量子ドット中の電子及び正孔エネルギー準位の概念図である。
【図５】ゼロ磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムである。
【図６】静磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムである。
【図７】量子ドット中の３準位と、対応する光学遷移を示す図である。
【図８】（ａ）はフォトニック結晶共振器と半導体基材に埋め込まれた量子ドットの概念図である。（ｂ）は図８（ａ）のフォトニック結晶共振器と量子ドットのａ−ａ’間の断面図である。
【図９】（ａ）はゼロ磁場下での、フォトニック結晶共振器のＶ偏光モードと、量子ドットの負荷電励起子再結合発光のスペクトルの模式図である。（ｂ）は静磁場下での、フォトニック結晶共振器のＶ偏光モードと、量子ドットの負荷電励起子再結合発光（Ｈ偏光、Ｖ偏光）のスペクトルの模式図である。
【図１０】高次準位のエネルギーダイアグラムと、対応するスペクトルの概念図である。
【図１１】本実施例における波長変換装置の上面図である。
【図１２】本実施例における共振器を示す電子顕微鏡写真である。
【図１３】本実施例における共振器と結合した荷電励起子再結合発光のスペクトルである。
【図１４】本実施例におけるＨａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ相関測定系の概念図である。
【図１５】本実施例における光子相関測定結果である。
【図１６】非線形光学結晶を用いた一般的な波長変換装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
［第一の実施形態］
第一の実施形態の波長変換装置の断面図を図１に示す。図１において、本実施形態の波長変換装置１は、フォトニック結晶微小共振器１１と、フォトニック結晶微小共振器１１を形成する半導体基材１２中に埋め込まれた量子ドット１３とを有する。
フォトニック結晶微小共振器１１は、少なくとも１つの直線偏光モードを有する。
【００２０】
量子ドット１３は、フォトニック結晶微小共振器１１の共振器モード電場振幅が最大値の略半分以上である領域に位置していればよい。好ましくは、単一の量子ドットが共振器モードの電場振幅最大値（つまり腹の部分）に存在している状況がよい。
【００２１】
波長変換装置の入力光１４の波長は、量子ドット１３の光学遷移のうちフォトニック結晶微小共振器１１の直線偏光モードと共鳴していない第１の光学遷移の波長とする。この第１の光学遷移は、好ましくは微小共振器１１の直線偏光モードと直交する直線偏光によって実現される状況がよい。波長変換装置の出力光１５の波長は、量子ドット１３の光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していて、かつ同一の直線偏光によって実現される第２の光学遷移の波長である。
【００２２】
この構成により、入力光子によって波長変換装置内の量子ドット中に形成された励起子状態は、微小共振器と略共鳴した第２の光学遷移で再結合発光することができる。第２の光学遷移は共振器と略共鳴しているために、パーセル効果によって促進される。一方で第１の光学遷移による再結合発光は、共鳴していないために抑制される。従って、入力光子によって第１の光学遷移を介して作られた励起子状態は、選択的に共振器と共鳴している第２の光学遷移の波長で発光することになる。即ち、入力波長から出力波長へ波長変換される。
【００２３】
第１の光学遷移と第２の光学遷移は好ましくは互いに直交する直線偏光の光学選択則に従うため、偏光子を用いることにより入力出力光子を容易に切り分けることができる。そのため、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することが出来る。
【００２４】
［第二の実施形態］
第二の実施形態では、フォトニック結晶共振器として２次元スラブ型フォトニック結晶共振器を利用した例について、また、量子ドットの光学遷移として荷電励起子の再結合発光過程を利用した例について詳しく説明する。
【００２５】
本実施形態で用いる波長変換装置の構造について図２、３を参照しながら説明する。図２は、本実施形態の波長変換装置の断面図である。図２において、波長変換装置２は、土台となる半導体基材２１と半導体緩衝層２２と半導体犠牲層２３及び半導体スラブ層２４とから構成される。半導体スラブ層２４は、その中心に半導体量子ドット層２５を内包している。この波長変換装置断面の方向をｚ軸方向２７とする。
【００２６】
スラブ層２４は、半導体犠牲層２３によって中空に保持されている構造が好ましい。
【００２７】
一般に、光子の伝播する物質中に周期的な屈折率分布がある場合、ちょうど半導体結晶中の伝導電子にとっての周期ポテンシャルと同様に、ブラッグ多重反射の条件を満たした時のみ光子の散乱が建設的に干渉する。その結果、伝導の許される波長帯域と禁制となる波長帯域が生じる。後者の、光子の伝播が禁じられたいわば光の絶縁体帯域は、特にフォトニックバンドギャップと呼ばれている。また、このような周期的な屈折率分布を持つ物質は、光子伝播に対するバンド構造を有することから伝導電子に対する「結晶」になぞらえて「フォトニック結晶」と呼ばれている。本実施形態では２次元スラブ層２４に対して周期的に空気円孔２６を設けることでフォトニック結晶を作製している。このようなフォトニック結晶を特に２次元スラブ型フォトニック結晶と呼んでいる。
【００２８】
半導体量子ドット層２５は、半導体スラブ層２４中に埋め込まれている。量子ドットの組成としては、ＩｎＳｂ（バルクのバンドギャップ＝０．１７ｅＶ）、ＩｎＡｓ（０．３６ｅＶ）、ＧａＳｂ（０．７３ｅＶ）、ＩｎＰ（１．３５ｅＶ）、ＧａＮ（３．４ｅＶ）、ＳｉＧｅ（〜０．８ｅＶ）、ＣｄＴｅ（１．４４ｅＶ）、ＣｄＳｅ（１．７４ｅＶ）、ＣｄＳ（２．４２ｅＶ）、ＺｎＯ（３．３ｅＶ）等の様々な大きさのバンドギャップを持つ半導体が知られている。量子ドットの発光波長は、そのバルク組成のバンドギャップと、量子ドットのサイズや量子閉じ込めの深さ等で決まる。例えば、ＩｎＡｓ量子ドットなら典型的には９００−１３００ｎｍの近赤外線領域で発光し、ＣｄＳｅ量子ドットなら４７０−６７０ｎｍの可視光領域で発光する。実施例ではＩｎＡｓ量子ドットを用いたが、それに限定されるものではなく目的に応じて好適な波長を持つ材料を選択することが出来る。この量子ドットを含む半導体スラブ層２４については、ドナーまたはアクセプターのドーピング、あるいは共振器面直方向への電界印加等の手法により量子ドット中に荷電励起子が生成されやすい状況を用意する。
【００２９】
次に、図３に本実施形態で用いる波長変換装置の上面図を示す。図３を用いて、本実施形態で用いるフォトニック結晶微小共振器について詳しく説明する。尚、本実施形態で用いるフォトニック結晶共振器のタイプは特に限定されないが、共振器モードの少なくとも１つは直線偏光モードであるとする。ここではＨ１型と呼ばれるフォトニック結晶共振器を例に説明を続ける。本実施形態のフォトニック結晶は、図３に示すような半導体スラブ層３１と周期的円孔３２から成る。このようなフォトニック結晶に対して、周期構造を乱した微小領域（例えば円孔が１つだけ欠けた部分３３）に光を局在させることができる。これがフォトニック結晶微小共振器である。微小共振器の共鳴波長は、周期的円孔３２の大きさと三角格子の格子定数３４を適切な設計にすることによって、フォトニックバンドギャップ内の好適な波長を選択することが出来る。この点欠陥共振器は、Ｈ軸３６方向の直線偏光（Ｈ偏光）とＶ軸３７方向の直線偏光（Ｖ偏光）の２つの偏光モードを持つ。２つの偏光モードの共鳴波長差は、点欠陥の最近接円孔３５位置の三角格子点からの微小シフト量を調節することによって、縮退させることも意図的に縮退を解くこともできる。
【００３０】
本実施形態の動作について、まず量子ドットのエネルギー準位について説明する。量子ドットは、電子や正孔をそのド・ブロイ波長程度の小さな領域に３次元的に閉じ込める箱である。したがって、電子や正孔のエネルギー準位は連続状態を取ることができず、ちょうど現実の原子のポテンシャル中の電子準位のように、量子化された離散的なエネルギー準位をとる。これを模式的に示したのが図４である。
【００３１】
図４は、量子ドット中の電子及び正孔エネルギー準位の概念図である。各電子準位４１及び各正孔準位４２には、同じスピンを持つ電子４３及び正孔４４が２個入ることはできない（一般的にパウリの排他率と呼ばれている）。したがって、各電子準位４１及び各正孔準位４２には、それぞれ最大で電子及び正孔が２個（スピンの異なる電子対または正孔対）まで入る。さらに、電子及び正孔を付け加える際にはより高次の準位に入る。これは電子または正孔の殻構造と呼ばれ、現実の原子との対応から最低準位から順にｓ殻、ｐ殻、…と名前がつけられている。
【００３２】
本実施形態では、基底準位として電子または正孔のどちらか１つのみが量子ドット中に存在す場合を考える。ここでは、電子の場合を例として説明を続けるが、正孔の場合でも一般性を失わない。ゼロ磁場下での関連する準位の模式図を、図５に示す。電子が１つ存在する状態（電子スピン状態）５１と、そこに電子正孔対を付け加えた電子２つと正孔１つから成る負荷電励起子状態５２を考える。ここで、図４の縦軸は“電子から見たエネルギー”であるのに対して、図５の縦軸は“複数個の電子や正孔からなる励起子（複合粒子）のエネルギー”である。図５中の｜→＞は、図３における面内Ｈ軸３６方向のスピンを持つ電子を表す（電子スピンＨ軸成分ｓｅＨがｓｅＨ＝＋１／２。上向き電子スピンとする）。｜←＞は、｜→＞と逆向きのスピンの電子である（電子スピンＨ軸成分ｓｅＨがｓｅＨ＝−１／２。下向き電子スピンとする）。また、｜←→＞は、Ｈ軸方向において逆向きのスピンを持つ電子対を表す。同様に、｜⇒＞はＨ軸方向のスピンを持つ重い正孔である（ホールスピンＨ軸成分ｓｈｈＨがｓｈｈＨ＝＋３／２）。電子スピン状態５１と負荷電励起子状態５２は、共に奇数個のキャリアからなるため、ゼロ磁場ではクラマースの定理によりそれぞれ２重縮退している。
【００３３】
ここで、基板面内Ｈ軸方向に静磁場Ｂを印加した状況を考える。静磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムを図６に示す。各電子スピン状態は、ゼーマン効果によってｇｅμＢＢｓｅＨだけエネルギーシフトする。ここではｇｅは電子の有効ｇ因子、μＢはボーア磁子、Ｂは外部磁場の大きさを表す。従って、図５における電子スピン状態５１は、図６に示すように下向き電子スピン状態｜←＞６１と、上向き電子スピン状態｜→＞６２に｜ｇｅ｜μＢＢだけゼーマン分裂して２重縮退が解ける。負荷電励起子状態５２も同様に、ｓｔｒｉｏｎＨ＝−３／２の負荷電励起子状態６３とｓｔｒｉｏｎＨ＝＋３／２の負荷電励起子状態６４に分裂する。ただしｓｔｒｉｏｎＨは負荷電励起子状態のスピンＨ軸成分、とした。
【００３４】
このとき、励起（入力）光の伝播方向と出力光の取り出し方向を、静磁場Ｂと垂直でかつｚ軸方向に選んだ状況（Ｖｏｉｇｔ配置）を考える。図７に３準位と対応する光学遷移図を示す。図７のように下向き電子スピン状態７１と負荷電励起子状態７２の間の光学遷移７３は、光学選択則によりＨ偏光となるのに対して、上向き電子スピン状態７４と負荷電励起子状態７２の間の光学遷移７５はＶ偏光となる。本実施形態では、このΛ形３準位系を波長変換に応用する。
【００３５】
次に、フォトニック結晶微小共振器と、半導体スラブ層中に埋め込まれた単一の量子ドット中の負荷電励起子状態の組み合わせを考える。図８（ａ）にフォトニック結晶共振器の上面図を、図８（ｂ）に図８（ａ）のａ−ａ‘断面図を示す。
【００３６】
共振器のモード体積と量子ドットの面密度を適切に調整すると、共振器８１の共振器モードの電場振幅が最大値の略半分以上である領域に、複数個でなく単一の量子ドット８２のみが存在する状況を実現できる。量子ドットの発光波長は主にドットの材料やサイズ等の成長（作製）条件で決まる。フォトニック結晶共振器８１の共鳴波長をドットの荷電励起子の再結合発光波長と一致するように設計すれば、共振器と量子ドット中の励起子再結合発光が共鳴していて、かつ共振器モードの電場との重なりの大きな系を提供できる。このような系では量子ドット周囲の光学状態密度が高いために、励起子再結合発光の発光レートが増強される（一般的にパーセル効果と呼ばれている）。
【００３７】
以上、本実施形態では、２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域において、共振器面内方向への光の伝播禁制となる。従って、フォトニック結晶微小共振器（および該共振器と結合した量子ドット）の光の励起と取り出し方向は共振器面内と垂直のｚ軸方向に限定されるため、基板面内に静磁場を印加した場合、Ｖｏｉｇｔ配置が自然に実現される。ここで、励起光を−ｚ方向に、出力光を＋ｚ方向に選べることに注目する。このことは、この系を波長変換装置として適用した際には、ポンプ光と信号光の伝播方向が逆転しているために背景技術におけるポンプ光と信号光の切り分けの問題が軽減されることを意味する。
【００３８】
また、フォトニック結晶共振器の共鳴波長とゼロ磁場中での量子ドット中の（負荷電）励起子の発光波長が一致している状況を仮定したが、本実施形態のより好ましい形態では、ゼロ磁場下では両者に僅かに差がある状況を利用する。共振器モードの共鳴波長とゼロ磁場での負荷電励起子の電子正孔再結合の発光波長はどちらが短波長側でも構わないが、ここでは共振器モードが短波長側にある状況を例に説明する。
【００３９】
このような状況下での発光スペクトルの概念図を図９（ａ）、図９（ｂ）に示す。図９（ａ）、図９（ｂ）において、Ｖ偏光の共振器モード９１は、例えばスラブ層の半導体基材のエネルギーギャップよりも短波長の励起光で強く励起した際に明瞭な輝線として観測される。しかし、以後で説明するような共鳴励起の手法においてはその限りでないため、Ｖ偏光の共振器モード９１を点線で示す。図９（ａ）において、負荷電励起子状態と電子スピン状態は前述の通りゼロ磁場ではそれぞれ縮退しているため、前者と後者の間の光学遷移による再結合発光の輝線は波長λの単一の輝線９２としてスペクトル上に現れる。
【００４０】
また、基板Ｈ軸方向に静磁場を印加すると、図６で説明したように各電子スピン状態は、下向き電子スピン状態と上向き電子スピン状態にゼーマン分裂する。そのため、図９（ａ）における負荷電励起子状態の再結合発光による輝線９２も、図９（ｂ）に示すように、Ｈ偏光の光学遷移（波長λ１）による発光再結合輝線９３と、Ｖ偏光の光学遷移（波長λ２）による発光再結合輝線９４に分裂する。一方で、共振器の共鳴波長は共振器の幾何学的形状と半導体スラブ層の屈折率によって決まっているので、静磁場の影響を受けない。よって、図９（ｂ）に示すように、Ｖ偏光の輝線９４（波長λ２）が共振器のＶ偏光モード９１と重なる、すなわち略共鳴するように静磁場を印加すると、Ｖ偏光での発光再結合はパーセル効果によって促進される。それに対して、Ｈ偏光での発光再結合（輝線９３）は共振器モードと波長が一致せず、フォトニックバンドギャップ効果によって抑制される。
【００４１】
以上の状況から、同一の励起状態（負荷電励起子状態）から２つ基底状態（電子スピン状態）への発光再結合のレートはもはや同等ではなく、波長λ２での発光再結合（輝線９４）が著しく顕著になる。
【００４２】
以上では、本実施形態で利用する量子準位とフォトニック結晶微小共振器との関係性を説明した。続いて、単一光子の波長変換を行う場合の波長変換装置を説明する。入力の単一光子の波長は、前記波長λ１より短波長のバンド間励起でもよいが、最も好ましくは、図７に示したような光学遷移７３に対応した波長λ１がよい。この場合、まずＨ偏光の光学遷移７３によって負荷電励起子状態７２が励起される。負荷電励起子状態７２からの発光再結合は前述のように、共振器と共鳴しているＶ偏光の波長λ２での発光再結合（図９（ｂ）における輝線９４）が優勢となる。これによって波長λ１から波長λ２への波長変換を実現するがことできる。
【００４３】
出力光子を波長フィルターで切り出すことで、さらに高効率に取り出すことが可能となる。本実施の形態では、入出力波長とその直線偏光が１対１に対応しているという特徴を利用して、Ｖ偏光の偏光子を適用することによって波長フィルターより高効率に切り出すことができる。例えばグラン・トムソンプリズムを用いた偏光子は偏光子と同一直線偏光の出力光に対しては９０％近い透過率を持ち、かつ雑音光（偏光子と垂直偏光）に対しては消光比１０＾−５以下でカットできることが知られている。これによって、より信号／雑音比の高い波長変換装置を提供できる。
【００４４】
［第三の実施形態］
第二の実施形態では、最も好ましい例として入力波長がλ１の共鳴励起の場合について波長変換装置の説明をしてきた。第三の実施形態では、波長変化量のより大きな波長変換を行う場合について言及する。
【００４５】
波長変化量を大きくする方法としては、出力光より短波長の入力光で、量子ドットの高次準位あるいは、さらに高エネルギーのバンド間を励起するケースを考えればよい。ここでは簡単のため、量子ドットの高次準位を励起する場合を例に説明する。ゼロ磁場でのエネルギーダイアグラムと、対応する発光スペクトルの概略図を図１０に示す。
【００４６】
入力光１０１（波長λ３）によって、基底状態である電子スピン状態１０２から励起状態（例えば、ｓ殻に電子１つ、ｐ殻に電子正孔対が存在するような状態）１０３が作られる。励起状態１０３は（典型的にはピコ秒オーダーの）極短い時間で、負荷電励起子状態１０４にエネルギー緩和する。その後、負荷電励起子状態１０４は電子スピン状態１０２へ波長λで発光再結合する（図９に（ａ）おける輝線９２）。この波長λと図９（ａ）における共振器モード９１が共鳴するように共振器を設計することで、光学遷移１０５による発光再結合がパーセル効果によって促進される。よって、励起状態１０３から基底状態１０２への緩和は、光学遷移１０５が優勢となる。
【００４７】
以上のようにして、波長λ３からλへの、波長変化量の大きい波長変換が実現される。なお、この形態での入力波長は前述の例のｐ殻に電子正孔対を励起した状態に限らず、たとえばより高い準位のｄ殻に電子正孔対を生成した場合や、半導体基材（例えば実施例では後述のＧａＡｓ）の格子振動を介したラマン散乱の場合等でも構わない。
【００４８】
格子振動を介した場合についてもう少し説明する。一般に、半導体基材に固有の格子振動のエネルギーをＥｐｈとしたとき、入力光のエネルギーＥｉｎに対してＥｉｎ−Ｅｐｈの光が散乱されて出てくる（ストークス・ラマン散乱と呼ばれている）。このとき、Ｅｉｎ−Ｅｐｈが励起子（複合粒子）状態の発光再結合エネルギーＥと一致していると、このラマン散乱はより顕著になる。このことは見方を変えれば、Ｅ＋Ｅｐｈのエネルギーの光子を入力すると、エネルギーＥ＋Ｅｐｈの仮想的な励起状態からラマン散乱を介してエネルギーＥで再結合して発光する出力光子に効率的に波長変換できることを意味している。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば出力波長λに対して入力波長は１つに限らず、より入力波長の自由度の高い波長変換装置を提供できる。また、上記の波長変化量の大きな波長変換は、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯の（単一）光子へ波長変換する用途にも好適である。すなわち、前記光学遷移１０５の波長が通信波長帯にあるような量子ドットを選択することで、より短波長の入力光子から通信波長帯の長波長への波長変換が可能となる。
【００５０】
［第四の実施形態］
第一乃至第三の実施形態では入力光子は単一光子である必要はないが、説明の簡略化のために単一光子を念頭において言及してきた。これに対して本実施形態では、あえて入力光子が単一光子でない場合に着目すると、波長変換を伴った単一光子の発生装置に適用できることを説明する。
【００５１】
量子ドット中の電子と正孔からなる励起子複合粒子状態はパウリの排他律によって、スピン自由度まで含めた全く同じ状態はとることができない。また、ある複合粒子状態から電子や正孔を加えたり除いたり、あるいは電子または正孔を高次準位に励起したりした別の複合粒子状態は、キャリア間のクーロン相互作用や交換相互作用によってエネルギーがそれぞれ異なる。従って、ドット内の複合粒子状態と発光スペクトルは１対１に対応する。よってある波長の輝線のみに着目すれば、例えバンドギャップエネルギー以上の励起光で励起したとしても、既に生成されている励起子状態が発光再結合しない限り同一波長の輝線では再び光ることができない。以上の理由により、入力光子が単一光子でなかったとしても、出力光子の単一光子性は保証される。
【００５２】
以上の量子ドットからの（波長変換を伴った）単一光子生成は量子ドット固有の性質であり、共振器とは直接関連するものではない。しかし、共振器が存在しない量子ドットのみの単一光子生成装置に比べて本実施形態で共振器が存在することには少なからぬ利点がある。例えば、パーセル効果によって発光レートが上がることで、単一光子の生成レートが上昇する。さらにフォトニックバンドギャップ効果によって出力光子の共振器面内方向への伝播が抑制されるために、相対的に共振器面内と垂直方向への出力光子の取り出し効率が上昇する。特に生成レートに関しては、本実施形態では量子ドットと共振器の結合度合い（パーセル因子）倍だけ向上するため、典型的な量子ドットの再結合発光寿命が１ｎｓであることを勘案すると原理的にはＧＨｚを超える生成レートにまで向上する可能性がある。
【実施例】
【００５３】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明に基づく単一光子波長変換装置をより具体的に説明する。
【００５４】
半導体基板を微細加工して作製したフォトニック結晶微小共振器の断面図を、図１１に示す。半導体基材１１１には、ＧａＡｓ基板を用いた。この基板の（１００）面上に分子線ビームエピタキシー法を用いて、以下の層を積層した。まず、半導体緩衝層１１２として、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓ層と、その後に犠牲層１１３として厚さ７００ｎｍのＡｌＧａＡｓ層を積層した。
【００５５】
続いてスラブ層１１４として、厚さ１６５ｎｍのＧａＡｓ層を積層した。このスラブ層について少し説明を加える。まず、下から８０ｎｍだけＧａＡｓ層を成長後に、量子ドット層１１５として、原子層レベルの薄いＩｎＡｓ層（濡れ層）を積層した。ＧａＡｓとＩｎＡｓは格子定数が異なるために、その界面に格子不整合歪みのエネルギーが溜まる。そのため、ある臨界膜厚を超えたところで歪みのエネルギーを解消するようにＩｎＡｓが３次元のピラミッド状構造をとる（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード）。この３次元微小構造が、ＩｎＡｓの自己形成量子ドットである。ドットの大きさや密度は成長温度や、原料の分子線の圧力や積層時間等、様々なパラメータに依存する。実施例の量子ドットの面密度は約３×１０８ｃｍ−２であった。
【００５６】
最後に、再びＧａＡｓを８０ｎｍ積層してキャップした。以上のようにしてスラブ層を作製した。
【００５７】
フォトニック結晶構造は、電子線描画およびドライエッチング、ウエットエッチングの手法により作製された。より具体的には、まず電子線描画により半径６２ｎｍの円孔および円孔欠陥を格子定数２３８ｎｍの三角格子状に配置したナノパターンをレジストに転写した。これを現像した後に、塩素系ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチングでナノパターン状の空気円孔１１６をＧａＡｓスラブ層に形成した。最後に、希釈フッ酸のウエットエッチングでナノパターン直下のＡｌＧａＡｓ犠牲層のみを選択的に除去することで、エアブリッジ型の２次元スラブ型フォトニック結晶構造を作製した。
【００５８】
実施例で作製した共振器を図１２に示す。図１２に示した共振器は、三角格子状に配置した円孔１２１のうち１つが欠けているＨ１型と呼ばれるフォトニック結晶微小共振器１２２である。前述の格子定数と円孔直径を選んだ結果、このフォトニック結晶のバンドギャップは波長にして７００ｎｍ〜９５０ｎｍ程度に、共振器モードは９２０−９３０ｎｍ程度に存在することが確かめられた。一方、作製した量子ドットは波長９００−９６０ｎｍ程度の近赤外線領域で励起子再結合発光した。
【００５９】
量子ドットはランダムな場所に形成されるためその場所にピンポイントに共振器を作製することは困難であるが、波長は前記のように設計によって共鳴させることができる。従って、ある確率で単一の量子ドットが共振器モードの電場の腹に存在し、かつ励起子再結合の波長が共鳴しているという状況を実現できた。７Ｋで測定された、フォトニック結晶共振器中の量子ドット励起子のフォトルミネッセンススペクトルを図１３に示す。励起光は８７７．５ｎｍのピコ秒パルス発振のチタンサファイアレーザーである。この励起波長はＩｎＡｓ濡れ層の端ではあるが量子ドットの高次準位（ｐ殻）に対応している。すなわち、（励起光が単一光子でないことを除けば）図１０の概略図に全く相当する状況である。９３１．２ｎｍに励起子再結合発光による輝線（図１０の１０５に相応）が立っていることが分かる。すなわち、第三の実施形態に沿った表現をすれば、８７７．５ｎｍから９３１．２ｎｍに波長変換されている。
【００６０】
この輝線について、単一光子性を確かめるためにＨａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ型相関計測器を用いて光子相関測定を行った。結果を示す前に、Ｈａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ型セットアップについて図１４を参照しながら簡単に説明する。本実施例の単一光子波長変換装置からの出力光１４１はビームスプリッター１４２で進路を２方向に分けられた後に、波長分解能０．２５ｎｍの回折格子分光器１４３で切り出されて、各々ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で光子検出される。ビームスプリッター後の光路長は、２方向で完全に一致させている。
【００６１】
検出された光子はＡＰＤで電気信号に変換され、相関測定器１４６で２つのＡＰＤで光子を検出した時刻の相関が計測される。もし出力光子が単一光子ならば、その光子はビームスプリッター１４２を透過してＡＰＤ１（１４４）で検出されるか、またはビームスプリッター１４２で反射されてＡＰＤ２（１４５）で検出されるかのどちらかしか有り得ない。従って、同時刻でＡＰＤ１とＡＰＤ２の両方で光子を検出する事象は存在しないことになる。逆に、もし出力光子が単一光子でないならば、１つのパルス中に複数個の光子を含むため、ビームスプリッターで分離した後でもＡＰＤ１４４とＡＰＤ１４５の両方で同時刻に光子を検出する事象が有限の確率で起こることになる。
【００６２】
実施例の波長変換装置の出力光子について、光子相関測定を行った結果を図１５に示す。図のグラフの横軸は、２つのＡＰＤのうち一方のＡＰＤで光子を検出した時間を基準にしたときの、もう一方のＡＰＤで光子を検出した時間（遅延時間ｔ）である。縦軸には、２つの光子を検出した事象の起きた回数をとった。ｔ＝０、すなわち２つのＡＰＤで同時刻に光子を検出した事象の頻度は、有限の遅延時間での２光子検出の事象に比べて１６％ほどに抑えられていることが分かった。これは、出力光子が単一光子性を持っていることを示している。すなわち、第四の実施形態に沿った表現をすれば、波長９３１．２ｎｍの単一光子の生成装置として動作している。以上の実施例では、励起をパルスレーザーで行ったが、励起が単一光子の場合も全く同様であり、単一光子の波長変換装置として動作する。
【００６３】
なお、本発明を前述の実施形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、光ファイバーで伝送損失の少ない通信波長帯に波長変換、あるいは当該波長帯の単一光子を生成できるため、量子暗号通信用の（単一）光子源として適用できる。
【００６５】
（付記１）
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴とする、波長変換装置。
【００６６】
（付記２）
前記入力光の波長の光学遷移が、光学選択則により直線偏光によって実現され、その偏光が共振器モードの直線偏光と垂直であることを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【００６７】
（付記３）
前記量子ドットは基底準位として電子スピン状態またはホールスピン状態を有し、励起準位として負荷電励起子状態または正荷電励起子状態を有することを特徴とする、付記１または付記２に記載の波長変換装置。
【００６８】
（付記４）
負荷電励起子状態、または正荷電励起子状態のゼロ磁場下での発光再結合波長が、前記共振器の共鳴波長と僅かに差があることを特徴とする、付記３に記載の波長変換装置。
【００６９】
（付記５）
前記入力光の波長あるいは前記出力光の波長の少なくとも一方の波長が、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯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項に記載の波長変換装置。
【００７０】
（付記６）
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の波長は、出力光子の再結合発光に対応する光学遷移よりエネルギーの高い光学遷移であることを特徴とする、付記１乃至付記５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【００７１】
（付記７）
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の伝播方向が出力光子の伝播方向と逆であることを特徴とする、付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【００７２】
（付記８）
前記フォトニック結晶微小共振器は、半導体スラブ層と半導体量子ドット層を有し、空気円孔が前記半導体スラブ層に周期格子状に配置され、前記周期格子を乱した微小領域を設け量子ドットとすることを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【００７３】
（付記９）
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、単一光子であることを特徴とする、単一光子発生装置。
【００７４】
（付記１０）
量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、
少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴とする、
波長変換方法。
【００７５】
（付記１１）入力光の波長の光学遷移が半導体基材の格子振動を利用したラマン散乱であることを特徴とする、付記１乃至付記８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【符号の説明】
【００７６】
１１、１２２ フォトニック結晶微小共振器
１２、２１、１１１ 半導体基材
１３、８２ 量子ドット
１４ 入力光
１５ 出力光
２２、１１２ 半導体緩衝層
２３、１１３ 半導体犠牲層
２４、３１、１１４ 半導体スラブ層
２５、１１５ 半導体量子ドット層
２６、１１６、１２１ 円孔（空気孔）
２７ スラブ層と垂直方向（ｚ軸）
３２ 周期的円孔
３３、８１ 周期構造を乱した微小領域
３４ 三角格子の格子定数
３５ 点欠陥最近接円孔
３６ Ｈ軸
３７ Ｖ軸
４１ 各電子準位
４２ 各正孔準位
４３ 電子
４４ 正孔
５１ 電子スピン状態（２重縮退）
５２ 負荷電励起子状態（２重縮退）
５３ 光学遷移
６１ 下向き電子スピン状態（ｓｅＨ＝−１／２）
６２ 上向き電子スピン状態（ｓｅＨ＝＋１／２）
６３ 負荷電励起子状態（ｓｔｒｉｏｎＨ＝−３／２）
６４ 負荷電励起子状態（ｓｔｒｉｏｎＨ＝＋３／２）
７１ 下向き電子スピン状態
７２ 負荷電励起子状態
７３ 負荷電励起子状態−電子スピン状態間のＨ偏光光学遷移
７４ 上向き電子スピン状態
７５ 負荷電励起子状態−電子スピン状態間のＶ偏光光学遷移
８３ 共振器モードの電場強度
９１ 共振器Ｖ偏光モード
９２ 負荷電励起子再結合発光輝線（ゼロ磁場）
９３ 負荷電励起子のＨ偏光再結合発光輝線
９４ 負荷電励起子のＶ偏光再結合発光輝線
１０１ 入力光
１０２ 基底状態である電子スピン状態
１０３ 励起状態
１０４ 負荷電励起子状態
１０５ 光学遷移
１４１ 波長変換装置の出力光子
１４２ ビームスプリッター
１４３ 回折格子単色光分光器
１４４、１４５ ＡＰＤ
１４６ 相関測定器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信分野等で用いられる波長変換装置及びその波長変換方法及び単一光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子情報化社会の浸透に伴い、情報通信技術に関する研究が盛んであり、その進展は著しい。電子化された情報は複製が容易で劣化もしないため、情報通信では盗聴や複製に対する安全性が常に問題となる。公開鍵暗号や秘密鍵暗号等の現在の暗号方式は、古典計算機では解読に膨大な時間がかかるために実効的に破られないとされているが、これは計算機の能力に立脚した条件付の安全性であり、原理的に破られないわけではない。
【０００３】
これに対して、より安全性の高い情報通信技術として量子暗号通信が注目を集めている。量子暗号は量子力学の物理法則に基づいて、原理的に安全性が保障されるシステムである。情報は量子力学的な２自由度（偏光状態や位相状態など）として、例えば単一の光子に付与される。単一光子は、その量子状態を破壊することなく読み出したり複製したりすることができないため、通信経路上で第三者が盗聴や改ざんしようとすれば直ちに検知できる。
【０００４】
単一光子発生源としては、ＩｎＡｓ自己形成量子ドット（非特許文献１）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献２）、ＣｄＳｅコロイド量子ドット（非特許文献３）などを用いることが考えられる。
【０００５】
量子暗号通信に用いられる光子の伝送経路としては、現行の情報ネットワークの根幹である光ファイバーを用いることが最も現実的である。従って単一光子の波長は、光ファイバーの伝送損失の少ない通信波長帯（１．３−１．５５μｍ）であることが望ましい。しかしながら、上記の単一光子源からの光の波長は通信波長帯とは異なるのが一般的であるので、長距離伝送を考慮すると通信波長帯に波長変換するのが望ましい。
【０００６】
単一光子の波長変換装置としては、非線形光学結晶による周波数上方（下方）変換が知られている。この方法では、図１６に示すように入力光（単一光子）とポンプ光を同一伝播方向に重ねて非線形光学媒体に入射する。結晶中で起こる和（差）周波変換の結果として、通信波長帯の出力光子が出射される。
【０００７】
また、単一光子レベルの微弱信号光の切り分けについては、プリズムと分光器を用いる方法やＬｉＮｂＯ３偏波変調器と偏光ビームスプリッターを用いる方法（特許文献１）などが知られている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００４／０９５１２４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐ．Ｍｉｃｈｌｅｒ ｅｔ ａｌ．，‘Ａ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｕｒｎｓｔｉｌｅ’，Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９０，２２８２（２０００）．
【非特許文献２】Ｃ．Ｋｕｒｔｓｉｅｆｅｒ ｅｔ ａｌ．，‘Ｓｔａｂｌｅ Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎｓ’，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，２９０（２０００）．
【非特許文献３】Ｘ．Ｂｒｏｋｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，‘Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎｓ ｂｙ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ＣｄＳｅ／ＺｎＳ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ’， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ８５，７１２（２００４）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１６に示したような技術で波長変換を行う際には、入力光と共に入力光より遥かに強いポンプ光を非線形光学結晶に入射する必要がある。このポンプ光は信号光と伝播方向が同一であるため、信号光を単一光子として使うためには信号光の波長のみを切り出す必要がある。しかし、これは一般に容易ではない。
【００１１】
また、単一光子レベルの微弱信号光の切り分けについては、プリズムと分光器を用いる方法やＬｉＮｂＯ３偏波変調器と偏光ビームスプリッターを用いる方法（特許文献１）では、ポンプ光が極僅かでも信号光に混入してしまうと単一光子としての性質が悪化してしまうため、厳密な光学系の設計と調整が必要となる。また、プリズムや光学フィルターを複数個重ねた場合、変換後の光子のロスにつながるため、単一光子の取り出し効率が低下する。
【００１２】
［発明の目的］
本発明の目的は、このような課題に鑑みて創案されたもので、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の波長変換装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【００１４】
本発明の単一光子発生装置は、フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つことを特徴としている。
【００１５】
本発明の波長変換方法は、量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一の実施形態の波長変換装置の断面図である。
【図２】第二の実施形態の波長変換装置の断面図である。
【図３】第三の実施形態の波長変換装置の上面図である。
【図４】量子ドット中の電子及び正孔エネルギー準位の概念図である。
【図５】ゼロ磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムである。
【図６】静磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムである。
【図７】量子ドット中の３準位と、対応する光学遷移を示す図である。
【図８】（ａ）はフォトニック結晶共振器と半導体基材に埋め込まれた量子ドットの概念図である。（ｂ）は図８（ａ）のフォトニック結晶共振器と量子ドットのａ−ａ’間の断面図である。
【図９】（ａ）はゼロ磁場下での、フォトニック結晶共振器のＶ偏光モードと、量子ドットの負荷電励起子再結合発光のスペクトルの模式図である。（ｂ）は静磁場下での、フォトニック結晶共振器のＶ偏光モードと、量子ドットの負荷電励起子再結合発光（Ｈ偏光、Ｖ偏光）のスペクトルの模式図である。
【図１０】高次準位のエネルギーダイアグラムと、対応するスペクトルの概念図である。
【図１１】本実施例における波長変換装置の上面図である。
【図１２】本実施例における共振器を示す電子顕微鏡写真である。
【図１３】本実施例における共振器と結合した荷電励起子再結合発光のスペクトルである。
【図１４】本実施例におけるＨａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ相関測定系の概念図である。
【図１５】本実施例における光子相関測定結果である。
【図１６】非線形光学結晶を用いた一般的な波長変換装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
［第一の実施形態］
第一の実施形態の波長変換装置の断面図を図１に示す。図１において、本実施形態の波長変換装置１は、フォトニック結晶微小共振器１１と、フォトニック結晶微小共振器１１を形成する半導体基材１２中に埋め込まれた量子ドット１３とを有する。
フォトニック結晶微小共振器１１は、少なくとも１つの直線偏光モードを有する。
【００２０】
量子ドット１３は、フォトニック結晶微小共振器１１の共振器モード電場振幅が最大値の略半分以上である領域に位置していればよい。好ましくは、単一の量子ドットが共振器モードの電場振幅最大値（つまり腹の部分）に存在している状況がよい。
【００２１】
波長変換装置の入力光１４の波長は、量子ドット１３の光学遷移のうちフォトニック結晶微小共振器１１の直線偏光モードと共鳴していない第１の光学遷移の波長とする。この第１の光学遷移は、好ましくは微小共振器１１の直線偏光モードと直交する直線偏光によって実現される状況がよい。波長変換装置の出力光１５の波長は、量子ドット１３の光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していて、かつ同一の直線偏光によって実現される第２の光学遷移の波長である。
【００２２】
この構成により、入力光子によって波長変換装置内の量子ドット中に形成された励起子状態は、微小共振器と略共鳴した第２の光学遷移で再結合発光することができる。第２の光学遷移は共振器と略共鳴しているために、パーセル効果によって促進される。一方で第１の光学遷移による再結合発光は、共鳴していないために抑制される。従って、入力光子によって第１の光学遷移を介して作られた励起子状態は、選択的に共振器と共鳴している第２の光学遷移の波長で発光することになる。即ち、入力波長から出力波長へ波長変換される。
【００２３】
第１の光学遷移と第２の光学遷移は好ましくは互いに直交する直線偏光の光学選択則に従うため、偏光子を用いることにより入力出力光子を容易に切り分けることができる。そのため、装置の複雑化や大型化を招くことなく容易に入力出力光子を切り分けられる波長変換装置および波長変換を伴う単一光子の生成装置を提供することが出来る。
【００２４】
［第二の実施形態］
第二の実施形態では、フォトニック結晶共振器として２次元スラブ型フォトニック結晶共振器を利用した例について、また、量子ドットの光学遷移として荷電励起子の再結合発光過程を利用した例について詳しく説明する。
【００２５】
本実施形態で用いる波長変換装置の構造について図２、３を参照しながら説明する。図２は、本実施形態の波長変換装置の断面図である。図２において、波長変換装置２は、土台となる半導体基材２１と半導体緩衝層２２と半導体犠牲層２３及び半導体スラブ層２４とから構成される。半導体スラブ層２４は、その中心に半導体量子ドット層２５を内包している。この波長変換装置断面の方向をｚ軸方向２７とする。
【００２６】
スラブ層２４は、半導体犠牲層２３によって中空に保持されている構造が好ましい。
【００２７】
一般に、光子の伝播する物質中に周期的な屈折率分布がある場合、ちょうど半導体結晶中の伝導電子にとっての周期ポテンシャルと同様に、ブラッグ多重反射の条件を満たした時のみ光子の散乱が建設的に干渉する。その結果、伝導の許される波長帯域と禁制となる波長帯域が生じる。後者の、光子の伝播が禁じられたいわば光の絶縁体帯域は、特にフォトニックバンドギャップと呼ばれている。また、このような周期的な屈折率分布を持つ物質は、光子伝播に対するバンド構造を有することから伝導電子に対する「結晶」になぞらえて「フォトニック結晶」と呼ばれている。本実施形態では２次元スラブ層２４に対して周期的に空気円孔２６を設けることでフォトニック結晶を作製している。このようなフォトニック結晶を特に２次元スラブ型フォトニック結晶と呼んでいる。
【００２８】
半導体量子ドット層２５は、半導体スラブ層２４中に埋め込まれている。量子ドットの組成としては、ＩｎＳｂ（バルクのバンドギャップ＝０．１７ｅＶ）、ＩｎＡｓ（０．３６ｅＶ）、ＧａＳｂ（０．７３ｅＶ）、ＩｎＰ（１．３５ｅＶ）、ＧａＮ（３．４ｅＶ）、ＳｉＧｅ（〜０．８ｅＶ）、ＣｄＴｅ（１．４４ｅＶ）、ＣｄＳｅ（１．７４ｅＶ）、ＣｄＳ（２．４２ｅＶ）、ＺｎＯ（３．３ｅＶ）等の様々な大きさのバンドギャップを持つ半導体が知られている。量子ドットの発光波長は、そのバルク組成のバンドギャップと、量子ドットのサイズや量子閉じ込めの深さ等で決まる。例えば、ＩｎＡｓ量子ドットなら典型的には９００−１３００ｎｍの近赤外線領域で発光し、ＣｄＳｅ量子ドットなら４７０−６７０ｎｍの可視光領域で発光する。実施例ではＩｎＡｓ量子ドットを用いたが、それに限定されるものではなく目的に応じて好適な波長を持つ材料を選択することが出来る。この量子ドットを含む半導体スラブ層２４については、ドナーまたはアクセプターのドーピング、あるいは共振器面直方向への電界印加等の手法により量子ドット中に荷電励起子が生成されやすい状況を用意する。
【００２９】
次に、図３に本実施形態で用いる波長変換装置の上面図を示す。図３を用いて、本実施形態で用いるフォトニック結晶微小共振器について詳しく説明する。尚、本実施形態で用いるフォトニック結晶共振器のタイプは特に限定されないが、共振器モードの少なくとも１つは直線偏光モードであるとする。ここではＨ１型と呼ばれるフォトニック結晶共振器を例に説明を続ける。本実施形態のフォトニック結晶は、図３に示すような半導体スラブ層３１と周期的円孔３２から成る。このようなフォトニック結晶に対して、周期構造を乱した微小領域（例えば円孔が１つだけ欠けた部分３３）に光を局在させることができる。これがフォトニック結晶微小共振器である。微小共振器の共鳴波長は、周期的円孔３２の大きさと三角格子の格子定数３４を適切な設計にすることによって、フォトニックバンドギャップ内の好適な波長を選択することが出来る。この点欠陥共振器は、Ｈ軸３６方向の直線偏光（Ｈ偏光）とＶ軸３７方向の直線偏光（Ｖ偏光）の２つの偏光モードを持つ。２つの偏光モードの共鳴波長差は、点欠陥の最近接円孔３５位置の三角格子点からの微小シフト量を調節することによって、縮退させることも意図的に縮退を解くこともできる。
【００３０】
本実施形態の動作について、まず量子ドットのエネルギー準位について説明する。量子ドットは、電子や正孔をそのド・ブロイ波長程度の小さな領域に３次元的に閉じ込める箱である。したがって、電子や正孔のエネルギー準位は連続状態を取ることができず、ちょうど現実の原子のポテンシャル中の電子準位のように、量子化された離散的なエネルギー準位をとる。これを模式的に示したのが図４である。
【００３１】
図４は、量子ドット中の電子及び正孔エネルギー準位の概念図である。各電子準位４１及び各正孔準位４２には、同じスピンを持つ電子４３及び正孔４４が２個入ることはできない（一般的にパウリの排他率と呼ばれている）。したがって、各電子準位４１及び各正孔準位４２には、それぞれ最大で電子及び正孔が２個（スピンの異なる電子対または正孔対）まで入る。さらに、電子及び正孔を付け加える際にはより高次の準位に入る。これは電子または正孔の殻構造と呼ばれ、現実の原子との対応から最低準位から順にｓ殻、ｐ殻、…と名前がつけられている。
【００３２】
本実施形態では、基底準位として電子または正孔のどちらか１つのみが量子ドット中に存在す場合を考える。ここでは、電子の場合を例として説明を続けるが、正孔の場合でも一般性を失わない。ゼロ磁場下での関連する準位の模式図を、図５に示す。電子が１つ存在する状態（電子スピン状態）５１と、そこに電子正孔対を付け加えた電子２つと正孔１つから成る負荷電励起子状態５２を考える。ここで、図４の縦軸は“電子から見たエネルギー”であるのに対して、図５の縦軸は“複数個の電子や正孔からなる励起子（複合粒子）のエネルギー”である。図５中の｜→＞は、図３における面内Ｈ軸３６方向のスピンを持つ電子を表す（電子スピンＨ軸成分ｓｅＨがｓｅＨ＝＋１／２。上向き電子スピンとする）。｜←＞は、｜→＞と逆向きのスピンの電子である（電子スピンＨ軸成分ｓｅＨがｓｅＨ＝−１／２。下向き電子スピンとする）。また、｜←→＞は、Ｈ軸方向において逆向きのスピンを持つ電子対を表す。同様に、｜⇒＞はＨ軸方向のスピンを持つ重い正孔である（ホールスピンＨ軸成分ｓｈｈＨがｓｈｈＨ＝＋３／２）。電子スピン状態５１と負荷電励起子状態５２は、共に奇数個のキャリアからなるため、ゼロ磁場ではクラマースの定理によりそれぞれ２重縮退している。
【００３３】
ここで、基板面内Ｈ軸方向に静磁場Ｂを印加した状況を考える。静磁場下での量子ドット中の負荷電励起子状態と電子スピン状態のエネルギーダイアグラムを図６に示す。各電子スピン状態は、ゼーマン効果によってｇｅμＢＢｓｅＨだけエネルギーシフトする。ここではｇｅは電子の有効ｇ因子、μＢはボーア磁子、Ｂは外部磁場の大きさを表す。従って、図５における電子スピン状態５１は、図６に示すように下向き電子スピン状態｜←＞６１と、上向き電子スピン状態｜→＞６２に｜ｇｅ｜μＢＢだけゼーマン分裂して２重縮退が解ける。負荷電励起子状態５２も同様に、ｓｔｒｉｏｎＨ＝−３／２の負荷電励起子状態６３とｓｔｒｉｏｎＨ＝＋３／２の負荷電励起子状態６４に分裂する。ただしｓｔｒｉｏｎＨは負荷電励起子状態のスピンＨ軸成分、とした。
【００３４】
このとき、励起（入力）光の伝播方向と出力光の取り出し方向を、静磁場Ｂと垂直でかつｚ軸方向に選んだ状況（Ｖｏｉｇｔ配置）を考える。図７に３準位と対応する光学遷移図を示す。図７のように下向き電子スピン状態７１と負荷電励起子状態７２の間の光学遷移７３は、光学選択則によりＨ偏光となるのに対して、上向き電子スピン状態７４と負荷電励起子状態７２の間の光学遷移７５はＶ偏光となる。本実施形態では、このΛ形３準位系を波長変換に応用する。
【００３５】
次に、フォトニック結晶微小共振器と、半導体スラブ層中に埋め込まれた単一の量子ドット中の負荷電励起子状態の組み合わせを考える。図８（ａ）にフォトニック結晶共振器の上面図を、図８（ｂ）に図８（ａ）のａ−ａ‘断面図を示す。
【００３６】
共振器のモード体積と量子ドットの面密度を適切に調整すると、共振器８１の共振器モードの電場振幅が最大値の略半分以上である領域に、複数個でなく単一の量子ドット８２のみが存在する状況を実現できる。量子ドットの発光波長は主にドットの材料やサイズ等の成長（作製）条件で決まる。フォトニック結晶共振器８１の共鳴波長をドットの荷電励起子の再結合発光波長と一致するように設計すれば、共振器と量子ドット中の励起子再結合発光が共鳴していて、かつ共振器モードの電場との重なりの大きな系を提供できる。このような系では量子ドット周囲の光学状態密度が高いために、励起子再結合発光の発光レートが増強される（一般的にパーセル効果と呼ばれている）。
【００３７】
以上、本実施形態では、２次元フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域において、共振器面内方向への光の伝播禁制となる。従って、フォトニック結晶微小共振器（および該共振器と結合した量子ドット）の光の励起と取り出し方向は共振器面内と垂直のｚ軸方向に限定されるため、基板面内に静磁場を印加した場合、Ｖｏｉｇｔ配置が自然に実現される。ここで、励起光を−ｚ方向に、出力光を＋ｚ方向に選べることに注目する。このことは、この系を波長変換装置として適用した際には、ポンプ光と信号光の伝播方向が逆転しているために背景技術におけるポンプ光と信号光の切り分けの問題が軽減されることを意味する。
【００３８】
また、フォトニック結晶共振器の共鳴波長とゼロ磁場中での量子ドット中の（負荷電）励起子の発光波長が一致している状況を仮定したが、本実施形態のより好ましい形態では、ゼロ磁場下では両者に僅かに差がある状況を利用する。共振器モードの共鳴波長とゼロ磁場での負荷電励起子の電子正孔再結合の発光波長はどちらが短波長側でも構わないが、ここでは共振器モードが短波長側にある状況を例に説明する。
【００３９】
このような状況下での発光スペクトルの概念図を図９（ａ）、図９（ｂ）に示す。図９（ａ）、図９（ｂ）において、Ｖ偏光の共振器モード９１は、例えばスラブ層の半導体基材のエネルギーギャップよりも短波長の励起光で強く励起した際に明瞭な輝線として観測される。しかし、以後で説明するような共鳴励起の手法においてはその限りでないため、Ｖ偏光の共振器モード９１を点線で示す。図９（ａ）において、負荷電励起子状態と電子スピン状態は前述の通りゼロ磁場ではそれぞれ縮退しているため、前者と後者の間の光学遷移による再結合発光の輝線は波長λの単一の輝線９２としてスペクトル上に現れる。
【００４０】
また、基板Ｈ軸方向に静磁場を印加すると、図６で説明したように各電子スピン状態は、下向き電子スピン状態と上向き電子スピン状態にゼーマン分裂する。そのため、図９（ａ）における負荷電励起子状態の再結合発光による輝線９２も、図９（ｂ）に示すように、Ｈ偏光の光学遷移（波長λ１）による発光再結合輝線９３と、Ｖ偏光の光学遷移（波長λ２）による発光再結合輝線９４に分裂する。一方で、共振器の共鳴波長は共振器の幾何学的形状と半導体スラブ層の屈折率によって決まっているので、静磁場の影響を受けない。よって、図９（ｂ）に示すように、Ｖ偏光の輝線９４（波長λ２）が共振器のＶ偏光モード９１と重なる、すなわち略共鳴するように静磁場を印加すると、Ｖ偏光での発光再結合はパーセル効果によって促進される。それに対して、Ｈ偏光での発光再結合（輝線９３）は共振器モードと波長が一致せず、フォトニックバンドギャップ効果によって抑制される。
【００４１】
以上の状況から、同一の励起状態（負荷電励起子状態）から２つ基底状態（電子スピン状態）への発光再結合のレートはもはや同等ではなく、波長λ２での発光再結合（輝線９４）が著しく顕著になる。
【００４２】
以上では、本実施形態で利用する量子準位とフォトニック結晶微小共振器との関係性を説明した。続いて、単一光子の波長変換を行う場合の波長変換装置を説明する。入力の単一光子の波長は、前記波長λ１より短波長のバンド間励起でもよいが、最も好ましくは、図７に示したような光学遷移７３に対応した波長λ１がよい。この場合、まずＨ偏光の光学遷移７３によって負荷電励起子状態７２が励起される。負荷電励起子状態７２からの発光再結合は前述のように、共振器と共鳴しているＶ偏光の波長λ２での発光再結合（図９（ｂ）における輝線９４）が優勢となる。これによって波長λ１から波長λ２への波長変換を実現するがことできる。
【００４３】
出力光子を波長フィルターで切り出すことで、さらに高効率に取り出すことが可能となる。本実施の形態では、入出力波長とその直線偏光が１対１に対応しているという特徴を利用して、Ｖ偏光の偏光子を適用することによって波長フィルターより高効率に切り出すことができる。例えばグラン・トムソンプリズムを用いた偏光子は偏光子と同一直線偏光の出力光に対しては９０％近い透過率を持ち、かつ雑音光（偏光子と垂直偏光）に対しては消光比１０＾−５以下でカットできることが知られている。これによって、より信号／雑音比の高い波長変換装置を提供できる。
【００４４】
［第三の実施形態］
第二の実施形態では、最も好ましい例として入力波長がλ１の共鳴励起の場合について波長変換装置の説明をしてきた。第三の実施形態では、波長変化量のより大きな波長変換を行う場合について言及する。
【００４５】
波長変化量を大きくする方法としては、出力光より短波長の入力光で、量子ドットの高次準位あるいは、さらに高エネルギーのバンド間を励起するケースを考えればよい。ここでは簡単のため、量子ドットの高次準位を励起する場合を例に説明する。ゼロ磁場でのエネルギーダイアグラムと、対応する発光スペクトルの概略図を図１０に示す。
【００４６】
入力光１０１（波長λ３）によって、基底状態である電子スピン状態１０２から励起状態（例えば、ｓ殻に電子１つ、ｐ殻に電子正孔対が存在するような状態）１０３が作られる。励起状態１０３は（典型的にはピコ秒オーダーの）極短い時間で、負荷電励起子状態１０４にエネルギー緩和する。その後、負荷電励起子状態１０４は電子スピン状態１０２へ波長λで発光再結合する（図９に（ａ）おける輝線９２）。この波長λと図９（ａ）における共振器モード９１が共鳴するように共振器を設計することで、光学遷移１０５による発光再結合がパーセル効果によって促進される。よって、励起状態１０３から基底状態１０２への緩和は、光学遷移１０５が優勢となる。
【００４７】
以上のようにして、波長λ３からλへの、波長変化量の大きい波長変換が実現される。なお、この形態での入力波長は前述の例のｐ殻に電子正孔対を励起した状態に限らず、たとえばより高い準位のｄ殻に電子正孔対を生成した場合や、半導体基材（例えば実施例では後述のＧａＡｓ）の格子振動を介したラマン散乱の場合等でも構わない。
【００４８】
格子振動を介した場合についてもう少し説明する。一般に、半導体基材に固有の格子振動のエネルギーをＥｐｈとしたとき、入力光のエネルギーＥｉｎに対してＥｉｎ−Ｅｐｈの光が散乱されて出てくる（ストークス・ラマン散乱と呼ばれている）。このとき、Ｅｉｎ−Ｅｐｈが励起子（複合粒子）状態の発光再結合エネルギーＥと一致していると、このラマン散乱はより顕著になる。このことは見方を変えれば、Ｅ＋Ｅｐｈのエネルギーの光子を入力すると、エネルギーＥ＋Ｅｐｈの仮想的な励起状態からラマン散乱を介してエネルギーＥで再結合して発光する出力光子に効率的に波長変換できることを意味している。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば出力波長λに対して入力波長は１つに限らず、より入力波長の自由度の高い波長変換装置を提供できる。また、上記の波長変化量の大きな波長変換は、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯の（単一）光子へ波長変換する用途にも好適である。すなわち、前記光学遷移１０５の波長が通信波長帯にあるような量子ドットを選択することで、より短波長の入力光子から通信波長帯の長波長への波長変換が可能となる。
【００５０】
［第四の実施形態］
第一乃至第三の実施形態では入力光子は単一光子である必要はないが、説明の簡略化のために単一光子を念頭において言及してきた。これに対して本実施形態では、あえて入力光子が単一光子でない場合に着目すると、波長変換を伴った単一光子の発生装置に適用できることを説明する。
【００５１】
量子ドット中の電子と正孔からなる励起子複合粒子状態はパウリの排他律によって、スピン自由度まで含めた全く同じ状態はとることができない。また、ある複合粒子状態から電子や正孔を加えたり除いたり、あるいは電子または正孔を高次準位に励起したりした別の複合粒子状態は、キャリア間のクーロン相互作用や交換相互作用によってエネルギーがそれぞれ異なる。従って、ドット内の複合粒子状態と発光スペクトルは１対１に対応する。よってある波長の輝線のみに着目すれば、例えバンドギャップエネルギー以上の励起光で励起したとしても、既に生成されている励起子状態が発光再結合しない限り同一波長の輝線では再び光ることができない。以上の理由により、入力光子が単一光子でなかったとしても、出力光子の単一光子性は保証される。
【００５２】
以上の量子ドットからの（波長変換を伴った）単一光子生成は量子ドット固有の性質であり、共振器とは直接関連するものではない。しかし、共振器が存在しない量子ドットのみの単一光子生成装置に比べて本実施形態で共振器が存在することには少なからぬ利点がある。例えば、パーセル効果によって発光レートが上がることで、単一光子の生成レートが上昇する。さらにフォトニックバンドギャップ効果によって出力光子の共振器面内方向への伝播が抑制されるために、相対的に共振器面内と垂直方向への出力光子の取り出し効率が上昇する。特に生成レートに関しては、本実施形態では量子ドットと共振器の結合度合い（パーセル因子）倍だけ向上するため、典型的な量子ドットの再結合発光寿命が１ｎｓであることを勘案すると原理的にはＧＨｚを超える生成レートにまで向上する可能性がある。
【実施例】
【００５３】
以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明に基づく単一光子波長変換装置をより具体的に説明する。
【００５４】
半導体基板を微細加工して作製したフォトニック結晶微小共振器の断面図を、図１１に示す。半導体基材１１１には、ＧａＡｓ基板を用いた。この基板の（１００）面上に分子線ビームエピタキシー法を用いて、以下の層を積層した。まず、半導体緩衝層１１２として、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓ層と、その後に犠牲層１１３として厚さ７００ｎｍのＡｌＧａＡｓ層を積層した。
【００５５】
続いてスラブ層１１４として、厚さ１６５ｎｍのＧａＡｓ層を積層した。このスラブ層について少し説明を加える。まず、下から８０ｎｍだけＧａＡｓ層を成長後に、量子ドット層１１５として、原子層レベルの薄いＩｎＡｓ層（濡れ層）を積層した。ＧａＡｓとＩｎＡｓは格子定数が異なるために、その界面に格子不整合歪みのエネルギーが溜まる。そのため、ある臨界膜厚を超えたところで歪みのエネルギーを解消するようにＩｎＡｓが３次元のピラミッド状構造をとる（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード）。この３次元微小構造が、ＩｎＡｓの自己形成量子ドットである。ドットの大きさや密度は成長温度や、原料の分子線の圧力や積層時間等、様々なパラメータに依存する。実施例の量子ドットの面密度は約３×１０８ｃｍ−２であった。
【００５６】
最後に、再びＧａＡｓを８０ｎｍ積層してキャップした。以上のようにしてスラブ層を作製した。
【００５７】
フォトニック結晶構造は、電子線描画およびドライエッチング、ウエットエッチングの手法により作製された。より具体的には、まず電子線描画により半径６２ｎｍの円孔および円孔欠陥を格子定数２３８ｎｍの三角格子状に配置したナノパターンをレジストに転写した。これを現像した後に、塩素系ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチングでナノパターン状の空気円孔１１６をＧａＡｓスラブ層に形成した。最後に、希釈フッ酸のウエットエッチングでナノパターン直下のＡｌＧａＡｓ犠牲層のみを選択的に除去することで、エアブリッジ型の２次元スラブ型フォトニック結晶構造を作製した。
【００５８】
実施例で作製した共振器を図１２に示す。図１２に示した共振器は、三角格子状に配置した円孔１２１のうち１つが欠けているＨ１型と呼ばれるフォトニック結晶微小共振器１２２である。前述の格子定数と円孔直径を選んだ結果、このフォトニック結晶のバンドギャップは波長にして７００ｎｍ〜９５０ｎｍ程度に、共振器モードは９２０−９３０ｎｍ程度に存在することが確かめられた。一方、作製した量子ドットは波長９００−９６０ｎｍ程度の近赤外線領域で励起子再結合発光した。
【００５９】
量子ドットはランダムな場所に形成されるためその場所にピンポイントに共振器を作製することは困難であるが、波長は前記のように設計によって共鳴させることができる。従って、ある確率で単一の量子ドットが共振器モードの電場の腹に存在し、かつ励起子再結合の波長が共鳴しているという状況を実現できた。７Ｋで測定された、フォトニック結晶共振器中の量子ドット励起子のフォトルミネッセンススペクトルを図１３に示す。励起光は８７７．５ｎｍのピコ秒パルス発振のチタンサファイアレーザーである。この励起波長はＩｎＡｓ濡れ層の端ではあるが量子ドットの高次準位（ｐ殻）に対応している。すなわち、（励起光が単一光子でないことを除けば）図１０の概略図に全く相当する状況である。９３１．２ｎｍに励起子再結合発光による輝線（図１０の１０５に相応）が立っていることが分かる。すなわち、第三の実施形態に沿った表現をすれば、８７７．５ｎｍから９３１．２ｎｍに波長変換されている。
【００６０】
この輝線について、単一光子性を確かめるためにＨａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ型相関計測器を用いて光子相関測定を行った。結果を示す前に、Ｈａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ Ｔｗｉｓｓ型セットアップについて図１４を参照しながら簡単に説明する。本実施例の単一光子波長変換装置からの出力光１４１はビームスプリッター１４２で進路を２方向に分けられた後に、波長分解能０．２５ｎｍの回折格子分光器１４３で切り出されて、各々ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）で光子検出される。ビームスプリッター後の光路長は、２方向で完全に一致させている。
【００６１】
検出された光子はＡＰＤで電気信号に変換され、相関測定器１４６で２つのＡＰＤで光子を検出した時刻の相関が計測される。もし出力光子が単一光子ならば、その光子はビームスプリッター１４２を透過してＡＰＤ１（１４４）で検出されるか、またはビームスプリッター１４２で反射されてＡＰＤ２（１４５）で検出されるかのどちらかしか有り得ない。従って、同時刻でＡＰＤ１とＡＰＤ２の両方で光子を検出する事象は存在しないことになる。逆に、もし出力光子が単一光子でないならば、１つのパルス中に複数個の光子を含むため、ビームスプリッターで分離した後でもＡＰＤ１４４とＡＰＤ１４５の両方で同時刻に光子を検出する事象が有限の確率で起こることになる。
【００６２】
実施例の波長変換装置の出力光子について、光子相関測定を行った結果を図１５に示す。図のグラフの横軸は、２つのＡＰＤのうち一方のＡＰＤで光子を検出した時間を基準にしたときの、もう一方のＡＰＤで光子を検出した時間（遅延時間ｔ）である。縦軸には、２つの光子を検出した事象の起きた回数をとった。ｔ＝０、すなわち２つのＡＰＤで同時刻に光子を検出した事象の頻度は、有限の遅延時間での２光子検出の事象に比べて１６％ほどに抑えられていることが分かった。これは、出力光子が単一光子性を持っていることを示している。すなわち、第四の実施形態に沿った表現をすれば、波長９３１．２ｎｍの単一光子の生成装置として動作している。以上の実施例では、励起をパルスレーザーで行ったが、励起が単一光子の場合も全く同様であり、単一光子の波長変換装置として動作する。
【００６３】
なお、本発明を前述の実施形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、光ファイバーで伝送損失の少ない通信波長帯に波長変換、あるいは当該波長帯の単一光子を生成できるため、量子暗号通信用の（単一）光子源として適用できる。
【００６５】
（付記１）
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴とする、波長変換装置。
【００６６】
（付記２）
前記入力光の波長の光学遷移が、光学選択則により直線偏光によって実現され、その偏光が共振器モードの直線偏光と垂直であることを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【００６７】
（付記３）
前記量子ドットは基底準位として電子スピン状態またはホールスピン状態を有し、励起準位として負荷電励起子状態または正荷電励起子状態を有することを特徴とする、付記１または付記２に記載の波長変換装置。
【００６８】
（付記４）
負荷電励起子状態、または正荷電励起子状態のゼロ磁場下での発光再結合波長が、前記共振器の共鳴波長と僅かに差があることを特徴とする、付記３に記載の波長変換装置。
【００６９】
（付記５）
前記入力光の波長あるいは前記出力光の波長の少なくとも一方の波長が、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯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項に記載の波長変換装置。
【００７０】
（付記６）
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の波長は、出力光子の再結合発光に対応する光学遷移よりエネルギーの高い光学遷移であることを特徴とする、付記１乃至付記５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【００７１】
（付記７）
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の伝播方向が出力光子の伝播方向と逆であることを特徴とする、付記１乃至付記６のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【００７２】
（付記８）
前記フォトニック結晶微小共振器は、半導体スラブ層と半導体量子ドット層を有し、空気円孔が前記半導体スラブ層に周期格子状に配置され、前記周期格子を乱した微小領域を設け量子ドットとすることを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【００７３】
（付記９）
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、単一光子であることを特徴とする、単一光子発生装置。
【００７４】
（付記１０）
量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、
少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴とする、
波長変換方法。
【００７５】
（付記１１）入力光の波長の光学遷移が半導体基材の格子振動を利用したラマン散乱であることを特徴とする、付記１乃至付記８のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【符号の説明】
【００７６】
１１、１２２ フォトニック結晶微小共振器
１２、２１、１１１ 半導体基材
１３、８２ 量子ドット
１４ 入力光
１５ 出力光
２２、１１２ 半導体緩衝層
２３、１１３ 半導体犠牲層
２４、３１、１１４ 半導体スラブ層
２５、１１５ 半導体量子ドット層
２６、１１６、１２１ 円孔（空気孔）
２７ スラブ層と垂直方向（ｚ軸）
３２ 周期的円孔
３３、８１ 周期構造を乱した微小領域
３４ 三角格子の格子定数
３５ 点欠陥最近接円孔
３６ Ｈ軸
３７ Ｖ軸
４１ 各電子準位
４２ 各正孔準位
４３ 電子
４４ 正孔
５１ 電子スピン状態（２重縮退）
５２ 負荷電励起子状態（２重縮退）
５３ 光学遷移
６１ 下向き電子スピン状態（ｓｅＨ＝−１／２）
６２ 上向き電子スピン状態（ｓｅＨ＝＋１／２）
６３ 負荷電励起子状態（ｓｔｒｉｏｎＨ＝−３／２）
６４ 負荷電励起子状態（ｓｔｒｉｏｎＨ＝＋３／２）
７１ 下向き電子スピン状態
７２ 負荷電励起子状態
７３ 負荷電励起子状態−電子スピン状態間のＨ偏光光学遷移
７４ 上向き電子スピン状態
７５ 負荷電励起子状態−電子スピン状態間のＶ偏光光学遷移
８３ 共振器モードの電場強度
９１ 共振器Ｖ偏光モード
９２ 負荷電励起子再結合発光輝線（ゼロ磁場）
９３ 負荷電励起子のＨ偏光再結合発光輝線
９４ 負荷電励起子のＶ偏光再結合発光輝線
１０１ 入力光
１０２ 基底状態である電子スピン状態
１０３ 励起状態
１０４ 負荷電励起子状態
１０５ 光学遷移
１４１ 波長変換装置の出力光子
１４２ ビームスプリッター
１４３ 回折格子単色光分光器
１４４、１４５ ＡＰＤ
１４６ 相関測定器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴とする、波長変換装置。
【請求項２】
前記入力光の波長の光学遷移が、光学選択則により直線偏光によって実現され、その偏光が共振器モードの直線偏光と垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記量子ドットは基底準位として電子スピン状態またはホールスピン状態を有し、励起準位として負荷電励起子状態または正荷電励起子状態を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
負荷電励起子状態、または正荷電励起子状態のゼロ磁場下での発光再結合波長が、前記共振器の共鳴波長と僅かに差があることを特徴とする、請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記入力光の波長あるいは前記出力光の波長の少なくとも一方の波長が、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の波長は、出力光子の再結合発光に対応する光学遷移よりエネルギーの高い光学遷移であることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の伝播方向が出力光子の伝播方向と逆であることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれかに１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記フォトニック結晶微小共振器は、半導体スラブ層と半導体量子ドット層を有し、空気円孔が前記半導体スラブ層に周期格子状に配置され、前記周期格子を乱した微小領域を設け量子ドットとすることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項９】
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つことを特徴とする、単一光子発生装置。
【請求項１０】
量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、
少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴とする、
波長変換方法。
【請求項１】
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する波長変換装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持ち、
出力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴し、かつ同一の直線偏光によって実現される光学遷移の波長を持つことを特徴とする、波長変換装置。
【請求項２】
前記入力光の波長の光学遷移が、光学選択則により直線偏光によって実現され、その偏光が共振器モードの直線偏光と垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記量子ドットは基底準位として電子スピン状態またはホールスピン状態を有し、励起準位として負荷電励起子状態または正荷電励起子状態を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の波長変換装置。
【請求項４】
負荷電励起子状態、または正荷電励起子状態のゼロ磁場下での発光再結合波長が、前記共振器の共鳴波長と僅かに差があることを特徴とする、請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記入力光の波長あるいは前記出力光の波長の少なくとも一方の波長が、１．５５ｍｍ帯あるいは１．３ｍｍ帯の通信波長帯であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに１項に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の波長は、出力光子の再結合発光に対応する光学遷移よりエネルギーの高い光学遷移であることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記入力光が入力光子であり、前記入力光子の伝播方向が出力光子の伝播方向と逆であることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれかに１項に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記フォトニック結晶微小共振器は、半導体スラブ層と半導体量子ドット層を有し、空気円孔が前記半導体スラブ層に周期格子状に配置され、前記周期格子を乱した微小領域を設け量子ドットとすることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項９】
フォトニック結晶微小共振器と、量子ドットとを有する単一光子発生装置であって、
前記フォトニック結晶微小共振器の共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置し、
前記フォトニック結晶共振器は、少なくとも１つの直線偏光モードを有し、
入力光は、前記量子ドットの光学遷移のうち、前記フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つことを特徴とする、単一光子発生装置。
【請求項１０】
量子ドットの光学遷移のうち、フォトニック結晶微小共振器と共鳴していない光学遷移の波長を持つ入力光を、
少なくとも１つの直線偏光モードを有し共振器モード電場振幅は、最大値の略半分以上である領域に前記量子ドットが位置するフォトニック結晶微小共振器に入射することを特徴とする、
波長変換方法。
【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】
【公開番号】特開２０１１−１６４１２７（Ｐ２０１１−１６４１２７Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３１８２（Ｐ２０１０−２３１８２）
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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