量子ドットによる光ゲート素子
【課題】 ナノスケールサイズの光ゲート素子を提供する。
【解決手段】 入射される信号光を第１の量子ドット６１２により励起子に変換してこれを第２の量子ドット６１３へ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドット６１３における基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドット６１４へ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドット６１４から放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【解決手段】 入射される信号光を第１の量子ドット６１２により励起子に変換してこれを第２の量子ドット６１３へ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドット６１３における基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドット６１４へ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドット６１４から放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットによる光ゲート素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor）や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用した近接場相互作用により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
【０００４】
【非特許文献１】M.Ohtsu, K.Kobayashi, T.Kawazoe, S.Sangu, T.Yatsui, IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron., to be published
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、超微細化させた光ゲートを作製することによりナノスケール大の光通信システムの実現化を促進する必要がある。
【０００６】
そこで本発明は上述した問題点に鑑みて提案されたものであり、ナノスケールサイズの光ゲート素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を適用した光ゲート素子は、上述した問題点を解決するため、導電性の結晶により構成される基板と、基板上に形成され入射される信号光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１の量子ドットより大体積で形成され、第１のエネルギー準位との共鳴に応じて第１の量子ドットから基板を介して励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位より低準位であり励起子が遷移される第３のエネルギー準位を有する第２の量子ドットと、基板上に形成され、上記第２のエネルギー準位との共鳴に応じて第２の量子ドットから基板を介して励起子が注入される第４のエネルギー準位を有し、第４のエネルギー準位から放出される光を信号光として出射する第３の量子ドットと、第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入するスイッチ制御手段を備え、第２の量子ドットは、基底準位に対して注入された励起子に応じて、第３のエネルギー準位と基底準位との間で反転分布を形成して、第３の量子準位から光を放出する。
【０００８】
この光ゲート素子は、入射される信号光を第１の量子ドットにより励起子に変換してこれを第２の量子ドットへ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドットへ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドットから放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を適用した光ゲート素子は、入射される信号光を第１の量子ドットにより励起子に変換してこれを第２の量子ドットへ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドットへ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドットから放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【００１０】
これにより、本発明を適用した光ゲート素子は、ナノスケールで入力される信号光に対していわゆる光ゲートとして機能することができ、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
先ず、本発明を適用した量子ドットによる伝送路１について説明をする。伝送路１は、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍において形成されている第２の量子ドット１３からなる量子ドットグループ１０を備えている。
【００１３】
量子ドットグループ１０を構成する各量子ドット１２、１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット１２、１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【００１４】
この各量子ドット１２，１３において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット１２の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、第２の量子ドット１３は、第１の量子ドット１２よりも大体積で構成され、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第１の量子ドット１２は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第２の量子ドット１３を中心として半径３０ｎｍ以内の領域に形成されている。また第１の量子ドット１２には、図示しない光照射系より光が照射される。
【００１５】
ちなみに構成される材料系がＧａＮやＺｎＯの場合に、各量子ドット１２、１３における半径（ｒ）と、基板１１から突出する量子ドット１２、１３の厚み（ｈ）との比は、以下の式により表される。
ｒ：ｈ＝２〜５：１
図２は、各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。各量子ドット１２、１３における量子閉じ込め準位Ｅ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は、以下の式（１）により定義される。
【００１６】
【数１】
【００１７】
この式（１）に基づき、各量子ドット１２、１３のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）に対応する波長をもつ光を、図示しない照射系を介して第１の量子ドット１２へ照射する。
【００１８】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、当該第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００１９】
すなわちこの光伝送路１は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で励起子を伝送することができる。従って図３の如く互いに大きさの異なる３つ以上の量子ドットを基板１１上に形成してゆくことにより、伝送路の長さを変えて構成することも可能である。
【００２０】
次に各量子ドット１２，１３の作製方法について説明をする。各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＣｕＣｌを採用する場合において、以下に説明するブリッジマン法を用いることにより作製することができる。このブリッジマン法において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ／ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２、１３を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２、１３のサイズを自在に制御することもできる。具体的には、熱処理の温度を４００℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズを大きく制御することができ、一方熱処理の温度を１２０℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズをより小さく制御することができる。
【００２１】
一方、各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＧａＮやＺｎＯを用いる場合において、例えば図４に示すように分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法により作製することができる。このＭＢＥ成長法は、図４に示す酸化物ドット形成工程において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針を基板１１にに接近させて電圧を印加させる。これにより大気中に含まれている水分が、探針の居所電場に基づきＨ＋と、ＯＨ−に分解し、さらにこのＯＨ−が探針直下の基板１１上において酸化物ドット３１が形成される。ちなみに、この酸化物ドット３１は、ＡＦＭによる電圧印加時間と、酸化時間により自在に制御することができる。次にエッチング工程において、上記作成した酸化物ドット３１をエッチング液又は超音波洗浄により除去し、基板に凹部３２を形成させる。最後にＭＢＥ形成工程において、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）モードを用いて、上述した凹部３２へ量子ドットを成長させる。ちなみに、ＭＢＥ形成工程において、このＳ−Ｋモードによる成長時間を制御することにより、凹部３２のみに対して精度よく量子ドットを成長させることが可能となる。
【００２２】
次に、本発明を適用した光増幅器２について説明をする。
【００２３】
光増幅器２は、図５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット２２からなる量子ドットグループ２０と、光を入出射するための突出部１４２を有し、当該突出部１４２が第２の量子ドット２３の近傍に位置するように配設されている光プローブ２４と、第２の量子ドット近傍と基板２１の側面とを連結するように基板２１内に埋設されている出力側導波路２５とを備えている。
【００２４】
光プローブ２４は、図５に示すように光導波部１４１と、突出部１４２と備える。光導波部１４１は、コア１６０の周囲にクラッド１６１が設けられた光ファイバより構成される。コア１６０及びクラッド１６１は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア１６０よりもクラッド１６１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部１４２は、光導波部１４１の一端においてクラッド１６１から突出させたコア１６０を先鋭化させることにより構成される。
【００２５】
このような構成からなる光プローブ２４は、図示しない外部光源から光導波部１４１を介して光が供給される。この光プローブ２４は、突出部１４２を介して第２の量子ドット２３へ、最小で約１０ナノメータのスケールで光を入力することができる。
【００２６】
出力側導波路２５は、第２の量子ドット２３から供給される光を伝播して、出力側光ファイバ２６へ供給するための導波路である。この出力側導波路２５は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。かかる金属導波路として構成した出力側導波路２５は、例えば近接場光ＣＶＤ等により基板２１上に作製される。
【００２７】
ちなみに、この出力側導波路２５は、図示しない光結合用量子ドットに代替してもよい。この光結合用量子ドットは、第２の量子ドット２３から出力側光ファイバ２６へ長手方向に配列させた量子ドットであり、出力側光ファイバ２６へ近づくにつれて、量子ドットのサイズを序々に拡大することにより、後述する共鳴効果に基づき光を伝播させてゆく。また、上述した光プローブ２４の代替として、この出力側導波路２５と同一の構成からなる図示しない入力側導波路を第２の量子ドット２３近傍に設けてもよい。これにより、外部光源から光ファイバを介して当該入力側導波路へ光を供給することが可能となり、光プローブ２４を用いることなく、第２の量子ドット２３へ容易に光入力することができる。
【００２８】
量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット２２、２３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット２２、２３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。なお、この各量子ドット２２、２３の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００２９】
このような構成からなる光増幅器２において、上述した共鳴が生じると、図６に示すように第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。すなわちこの光増幅器２は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、図６に示すように第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット２３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することができる。
【００３０】
ちなみに上述した量子ドット２２、２３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット２３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００３１】
この光増幅器２における各量子ドット２２，２３の作製方法は、量子ドット１２，１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【００３２】
次に、本発明を適用した光増幅器２の動作について説明をする。
【００３３】
先ず光プローブ２４を構成する突出部１４２から、第２の量子ドット２３へ、光が供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に分布している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの量子準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が光プローブ２４から供給されると、これら光は反転分布に応じて放出される光により増幅されることになる。第２の量子ドット２３により増幅された光は、出力側導波路２５へ供給され、さらには出力側光ファイバ２６を介して外部へ伝搬される。
【００３４】
以上説明したように、本発明を適用した光増幅器２は、大きさの異なる各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができ、これらが第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移するため、第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と基底準位との間で反転分布を形成させることができる。これにより第２の量子ドット２３に注入されるナノスケールの光により、量子準位（１，１，１）から基底準位へ誘導放出遷移させて光を増幅させることができる。
【００３５】
特に２つの量子準位間で生成される反転分布は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができ、高効率に光増幅を行うことが可能となり、ひいては単一電子レベルで且つナノスケールで光通信可能な光通信システムの実現化を促進することができる。
【００３６】
本発明を適用した光増幅器２は、形成される第１の量子ドット２２の数を調節することにより、増幅される光強度を自在に制御することができる。第１の量子ドット２２の数を増やすことにより、第２の量子ドット２３へ注入される励起子数を増加させ、誘導放出される光を増加させることができるからである。
【００３７】
なお、本発明に係る光増幅器２は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット２２は、環状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット２３近傍においてライン状或いは曲線状に形成されてもよいことは勿論である。
【００３８】
また本発明は、例えば複数の量子ドットグループにより、伝播される光を増幅する光増幅器３に適用してもよい。
【００３９】
図７は、光増幅器３の構成を示している。光増幅器３は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット２２からなる複数の量子ドットグループ４０とを備えている。なお、この光増幅器３において、光増幅器１と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００４０】
量子ドットグループ４０は、基板２１上においてランダムに複数形成されている。各量子ドットグループ４０は、それぞれ第２の量子ドット２３を介して伝播する光を増幅し、これを出力する。
【００４１】
ちなみにこの量子ドットグループ４０における光増幅方法は、光増幅器１における量子ドットグループ２０と同様である。すなわちこの量子ドットグループ４０は、形成された第２の量子ドット２３の各量子準位（２，１，１）へ、第１の量子ドット２２を介して励起子を注入させる。次に量子ドットグループ４０は、第２の量子ドット２３において量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。そして第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の基底準位への誘導放出遷移に基づき、第２の量子ドット２３毎に入力された光を増幅させることができる。
【００４２】
この量子ドットグループ４０が形成された基板上には、図示しない入力側光ファイバより光が供給される。またこの量子ドットグループ４０により増幅された光は、図示しない出力側光ファイバへ供給されて外部へ伝搬される。
【００４３】
次に、本発明を適用した光増幅器３の動作について説明をする。
【００４４】
先ず、入力側光ファイバから基板２１の表面へ光が供給される。この供給された光は、基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し、各量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に点在している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が基板２１表面より供給されると、これらは反転分布に応じて増幅されることになる。
【００４５】
増幅された光は第２の量子ドットを出射して、再び基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し他の量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給され、再度増幅される。このように複数回に渡って増幅された基板２１上の光は、出力側光ファイバに集光されて外部へ供給される。
【００４６】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光増幅器３は、複数の量子ドットグループ４０により、伝播される光を複数回にわたり増幅させることができるため、光強度を格段に向上させることができる。また基板２１上に形成する量子ドットグループ４０の数や配置を変えることにより、増幅する光強度を自在に設定することも可能となる。
【００４７】
また本発明を適用した光増幅器３では、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。
【００４８】
次に、本発明を適用した光発振器９について説明をする。
【００４９】
図８（ａ）は、光発振器９の構成を示している。光発振器９は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において第１の量子ドット２２を長手方向に２列に配列させた第１の量子ドットライン９１と、基板２１の表面において上記２列に配列された第１の量子ドットライン９１の間に第２の量子ドット２３を長手方向に配列させた第２の量子ドットライン９２と、第２の量子ドットライン９２の両端に位置する反射膜９３とを備えている。なお、この光発振器９において、光増幅器２と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００５０】
第１の量子ドットライン９１は、配列させた第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）を、第２の量子ドットライン９２中の第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）と共鳴させる。そして第１の量子ドットライン９１は、各第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）の励起子を、当該第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ注入する。ちなみにこの第１の量子ドットライン９１には、第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に対応する波長の光が図示しない照射系より照射される。
【００５１】
第２の量子ドットライン９２は、励起子が注入された第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）から、それぞれ第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ励起子を遷移させる。そして、当該第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。更にこの第２の量子ドットライン９２は、量子準位（１，１，１）にある励起子を基底準位へ自然放出遷移させる。この第２の量子ドット２３毎に放出された光は、第２の量子ドットライン９２上を長手方向に伝搬する。
【００５２】
反射膜９３は、基板２１の端面にそれぞれ形成されたいわゆる反射ミラーであり、第２の量子ドットライン９２を伝搬する光を往復反射させることにより共振させる。この反射膜９３間の距離は、伝搬する光の共振条件を満たすべく、上記伝搬する光の波長の整数倍になるように設定される。ちなみにこの反射膜９３は、例えば１００％に近い反射率を有する誘電体多層膜であり、屈折率が大小異なる薄膜を交互に重ねて蒸着することにより得られる。
【００５３】
このような構成からなる光発振器９は、第２の量子ドット２３内において形成された２つの量子準位間の反転分布に応じて光が放出され、この放出された光は、反転分布が形成された第２の量子ドットライン９２中を往復することができる。これにより光強度は次第に増加してレーザ発振させることができる。
【００５４】
すなわち、本発明を適用した光発振器９は、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、高効率に光発振を行うことができる。
【００５５】
この光発振器９における量子ドットライン９１，９２は、上述した形態に限定されるものではなく、例えば図８（ｂ）に示すように第２の量子ドット２３の周辺に離散的に第１の量子ドット２２を形成してもよいことは勿論である。これにより、共鳴により第２の量子ドット２３へ移動する励起子を増やすことができ、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光発振させることができる。
【００５６】
次に本発明を適用した波長多重装置４３並びに波長分離装置４５について説明をする。
【００５７】
図９は、本発明に係る波長多重装置４３並びに波長分離装置４５が適用される光通信システム４の構成を示している。この光通信システム４は、第１のナノ光デバイス４２と、波長多重装置４３と、光ファイバ４４と、波長分離装置４５と、第２のナノ光デバイス４６とを備えている。
【００５８】
第１のナノ光デバイス４２は、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing、ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）通信方式の下、互いに波長の異なる光を多数生成し、当該生成した光を搬送波として位相変調をかけることにより光変調信号を作り出し、これらを波長多重装置４３へ供給する。第１のナノ光デバイス４２は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる搬送波を生成してもよい。この第１のナノ光デバイス４２は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子であり、上述した光変調信号をナノスケールオーダーの領域を介して出射することができる。ちなみに量子ドットは、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御できる素子である。
【００５９】
波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から供給される各光変調信号を多重化し、光ファイバ４４へ送信する。光ファイバ４４は、波長多重装置４３及び波長分離装置４５に接続され、波長多重装置４３において多重化された各光変調信号を波長分離装置４５へ伝送する。波長分離装置４５は、光ファイバ４４を介して伝送された光変調信号を波長毎にナノスケールで分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。なお、波長多重装置４３並びに波長分離装置４５の詳細については後述する。
【００６０】
第２のナノ光デバイス４６は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子である。この第２のナノ光デバイス４６は、波長分離装置４５よりナノスケールで波長分離されて供給される光変調信号を、光電変換して読み出す。ちなみに第２のナノ光デバイス４６は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる光変調信号を読み出してもよい。
【００６１】
すなわちこの光通信システム４では、ｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得ることできる。
【００６２】
次に本発明を適用した波長多重装置４３の具体的な構成について図１０を用いて説明をする。波長多重装置４３は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４３２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４３２において、第２の量子ドット４３４は、光ファイバ４４側に形成され、第１の量子ドット４３３は、第１のナノ光デバイス４２側に形成される。
【００６３】
また量子ドットグループ４３２は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて複数並設される。量子ドットグループ４３２ａには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λａの搬送波が供給される。また量子ドットグループ４３２ｂには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｂの搬送波が供給される。さらに量子ドットグループ４３２ｃには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｃの搬送波が供給される。この量子ドットグループ４３２は、それぞれ供給された搬送波を、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、多重光生成領域４３５にて多重化し、光ファイバ４４へ出射する。
【００６４】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。量子ドットグループ４３２は、通信帯域に対応させるべく、量子ドット４３３、４３４をＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【００６５】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。なおこの各量子ドット４３３、４３４の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００６６】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、各量子ドット４３３、４３４をナノスケールで構成することにより、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【００６７】
図１１は、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。各量子ドット４３３、４３４におけるＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は、上述した式（１）により定義される。
【００６８】
この式（１）に基づき、各量子ドット４３、４３４のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算するとき、第１の量子ドット４３３と第２の量子ドット４３４の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット４３３における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット４３４における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【００６９】
かかる共鳴が生じる場合には、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。そして、この第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００７０】
また、第１の量子ドット４３３において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波を含む光変調信号を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【００７１】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４３３は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【００７２】
例えば量子ドットグループ４３２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４３２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４３２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドットグループ４３４へ移動させることができる。
【００７３】
すなわち、本発明を適用した波長多重装置４３では、かかる量子ドットグループ４３２における波長選択性を利用することにより、第１のナノ光デバイス４２から入射される互いに波長の異なる搬送波からなる光変調信号を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、多重化させることができる。
【００７４】
ちなみにこれら量子ドットグループ４３２は、各量子準位を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより上述したエネルギーギャップＥｇ１を設定してもよい。
【００７５】
すなわち、量子ドットグループ４３２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、量子ドットグループ間でエネルギーギャップＥｇ１を変化させることができる。これにより各量子ドットグループ４３２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。ちなみに、材質を変更する場合において、例えば材料系としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、各量子ドットグループ４３２間で、Ｉｎの含有量を微量に変えて構成してもよい。
【００７６】
また、本発明を適用した波長多重装置４３では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板３２上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成させることができる。
【００７７】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００７８】
上述のような構成からなる波長多重装置４３は、例えば以下の如く動作することができる。
【００７９】
先ず、第１のナノ光デバイス４２から、各量子ドットグループ４３２を構成する第１の量子ドット４３３へ、互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４３２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて設定されているため、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、多重光生成領域４３５へ出射される。多重光生成領域４３５において、複数の量子ドットグループ４３２から供給され、互いに異なる波長を持つ搬送波が多重合成され、光ファイバ４４へ出射される。
【００８０】
以上説明したように、本発明を適用した波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波をナノスケールの領域を介して受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３、４３４を介して移動させて多重合成することができる。これによりナノスケールで入力される各搬送波を高効率に合成して多重化することができ、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【００８１】
なお、本発明を適用した波長多重装置４３は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１２に示すように、各量子ドットグループ４３２において、量子ドット４３７を追加してもよい。量子ドット４３７は、第１の量子ドット４３３と対になるように第１のナノ光デバイス４２側において離散的に複数形成されている。量子ドット４３７は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波が供給され、基底準位から励起された励起子を上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４３７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【００８２】
また量子ドットグループ４３２は、図１０，１２に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得るために、ｎグループ並設するようにしてもよい。
【００８３】
次に本発明を適用した波長分離装置４５の具体的な構成について図１３を用いて説明をする。なお、上述した波長多重装置４３と同一の構成、部材には同一の番号を付して説明を引用する。
【００８４】
波長分離装置４５は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４５２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４５２において、第１の量子ドット４３３は、光ファイバ４４側に形成され、第２の量子ドット４３４は、第２のナノ光デバイス４６側に形成される。
【００８５】
また量子ドットグループ４５２は、第２のナノ光デバイス４６へ供給する搬送波の波長に応じて複数形成される。この量子ドットグループ４５２は、光ファイバ４４から供給された多重光を、これら複数の量子ドットグループ４５２により、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、互いに波長の異なる各搬送波へ分離し、第２のナノ光デバイス４６へ供給する。例えば量子ドットグループ４５２ａは、多重光入射領域４５５から波長λａの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｂは、多重光入射領域４５５から波長λｂの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｃは、多重光入射領域４５５から波長λｃの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。
【００８６】
量子ドットグループ４５２を構成する量子ドット４３３、４３４は、上述の如くそれぞれナノスケールで構成されているため、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【００８７】
第１の量子ドット４３３において、図１１に示すように、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次移動させることができる。
【００８８】
すなわち、第１の量子ドット４３３は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４５２は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【００８９】
例えば、量子ドットグループ４５２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、光ファイバ４４から供給される多重光のうち一の搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４５２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４５２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を、供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。
【００９０】
すなわち、本発明を適用した波長分離装置４５では、かかる量子ドットグループ４３３における波長選択性を利用することにより、互いに波長の異なる搬送波を含む多重光を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、それぞれ分離させることができる。
【００９１】
ちなみにこれら量子ドットグループ４５２は、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより自在に設定してもよい。
【００９２】
すなわち、量子ドットグループ５２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、エネルギーギャップＥｇ１を設定することができる。これにより各量子ドットグループ４５２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。
【００９３】
また、本発明を適用した波長分離装置４５では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板４３１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。
【００９４】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。
【００９５】
上述のような構成からなる波長分離装置４５は、例えば以下の如く動作することができる。
【００９６】
先ず、光ファイバ４４から各量子ドットグループ４５２を構成する第１の量子ドット４３３へ、多重光入射領域４５５を介して互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４５２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２へ供給する搬送波の波長に応じて設定されているため、当該波長の搬送波の成分のみ第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、第２のナノ光デバイス４６へ送信される。
【００９７】
以上説明したように、本発明を適用した波長分離装置４５は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光を受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３，４３４を介して移動させて、第２のナノ光デバイス４６へ提供することができる。これにより、各搬送波を含む多重光をナノスケールで高効率に分離することができるため、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【００９８】
なお、本発明を適用した波長分離装置４５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１４に示すように、各量子ドットグループ４５２において、量子ドット４５７を追加してもよい。量子ドット４５７は、第１の量子ドット４３３と対になるように光ファイバ４４側において離散的に複数形成されている。量子ドット４５７は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光が供給され、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４５７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【００９９】
また量子ドットグループ４３２は、図１３、１４に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量が得るために、ｎグループ設けるようにしてもよい。
【０１００】
次に本発明を適用した近接場集光器５について説明をする。なお、上述した光増幅器２と同一の構成、部材については同一の番号を付して説明を省略する。
【０１０１】
近接場集光器５は、図１５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板５１１と、基板５１１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット１３並びに当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ５２０とを備えている。各量子ドット１２，１３が形成された基板５１１の上方には、照射光学系５１８が配設され、当該照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射される。
【０１０２】
すなわちこの近接場集光器５は、例えば図６に示すように辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板５１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に応じて励起子が自然放出遷移することにより光が放出されることになる。
【０１０３】
ナノスケールの第２の量子ドット１３から放出される光は、ナノメートルサイズの極めて狭い領域において分布することになる。これにより、励起子を介して第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へエネルギーを供給することができ、当該エネルギーに基づき放出される光をナノスケールの領域に分布させることにより見かけ上集光させることができる。ちなみに本発明では、用途に応じて各量子ドットのサイズを変えることにより、集光させるサイズを自在に調整することもできる。
【０１０４】
また、第２の量子ドット１３の周囲において、多くの第１の量子ドット１２が形成されているほど、第２の量子ドット１３へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間に生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上げることができ、さらには用途に応じて基板１１上に形成する第１の量子ドット１２の数量を調整することにより、放出される光強度を変化させることもできる。
【０１０５】
ちなみに上述した量子ドット１２、１３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、量子準位を介した励起子の移動を利用することにより、上述のエネルギー移動を実現することができるため、光損失を軽減させて非常に高効率な近接場集光を実現させることができる。例えば従来の近接場光プローブでは、ナノスケールの領域において約１０−６程度の効率でしか近接場集光させることができないのに対し、本発明を適用した近接場集光器５では、同じナノスケールの領域において１００％近い効率で近接場集光させることができる。
【０１０６】
これにより、本発明を適用した近接場集光器５を用いることにより、量子ドットから構成される近接場ナノ光デバイスの空間分解能を向上させることも可能となる。
【０１０７】
なお、本発明に係る近接場集光器５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット１２は、図１５に示すように第２の量子ドット１３を中心として曲線状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット１３を中心とした円弧上に形成されていてもよい。
【０１０８】
また本発明を適用した近接場集光器５は、図１６に示すように第１の量子ドット１２の外郭において、さらに外郭量子ドット５３１を形成してもよい。この外郭量子ドット５３１は、第１の量子ドット１２と対になるように離散的に複数形成されている。外郭量子ドット５３１と第１の量子ドット１２の辺長比は、およそ１：√２であり互いに励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。外郭量子ドット５３１には、照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射することにより励起された励起子を、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）へ順次注入することができる。この第１の量子ドット１３における量子準位（１，１，１）へ順次注入された励起子は、上述の如く第２の量子ドット１３へ注入されることになる。
【０１０９】
すなわち、第１の量子ドット１２の周囲に多くの外郭量子ドット５３１が形成されているほど、第１の量子ドット１２へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上昇させることができる。さらに用途に応じて基板５１１上に形成する外郭量子ドット５３１の数量を調整することにより、放出される光強度をさらに細かいステップで変化させることも可能となる。
【０１１０】
なお、外郭量子ドット５３１のさらに外郭においても同様に量子ドットが形成されていてもよいことは勿論である。
【０１１１】
次に本発明を適用した光ゲート素子６について説明をする。
【０１１２】
光ゲート素子６は、図１７に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板６１１と、基板６１１の表面上において形成されている第２の量子ドット６１３並びに当該第２の量子ドット６１３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット６１２、第３の量子ドット６１４からなる量子ドットグループ６２０と、信号光を出射するための突出部２１２が第１の量子ドット６１２の近傍に位置するように配設されている入射側光プローブ６２１と、信号光を入射させるための突出部３１２が第３の量子ドット１４の近傍に位置するように配設されている出射側光プローブ６４１と、基板６１１上に積層され電圧制御部６１６を介して制御電圧Ｖが印加されるＰＮ接合層６１５とを備えている。
【０１１３】
入射側光プローブ６２１は、図１７に示すように突出部２１２に加えて光導波部２１１をさらに備え、光導波部２１１は、コア２３０の周囲にクラッド２３１が設けられた光ファイバより構成される。コア２３０及びクラッド２３１は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア２３０よりもクラッド２３１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部２１２は、光導波部２１１の一端においてクラッド２３１から突出させたコア２３０を先鋭化させることにより構成される。
【０１１４】
このような構成からなる入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光導波部２１１を介して信号光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、突出部２１２を介して第１の量子ドット６１２へ、ナノスケールで信号光を入力することができる。
【０１１５】
出射側光プローブ６４１は、図１７に示すように突出部３１２に加えて光導波部３１１をさらに備え、光導波部３１１は、コア３３０の周囲にクラッド３３１が設けられた光ファイバより構成される。このような構成からなる出射側光プローブ６４１は、ナノスケールサイズの第３の量子ドット６１４から放出される信号光を取り出して外部へ搬送することができる。
【０１１６】
なお、この入射側光プローブ６２１及び出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット６１２へ供給し、或いは第３の量子ドット６１４から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１１７】
量子ドットグループ６２０を構成する各量子ドット６１２，６１３，６１４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット６１２は、入射側光プローブ６２１から入力される信号光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット６１３へ注入する。第２の量子ドット６１３は、ＰＮ接合層６１５上に形成され、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖに応じて、第１の量子ドット６１３から注入される励起子を第３の量子ドット６１４へさらに注入し、或いは励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させる。第３の量子ドット６１４は、第２の量子ドット６１３から注入される励起子を自然放出遷移させて光に変換し、これを信号光として出力側光プローブ６４１へ供給する。
【０１１８】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４は、ＣｕＣｌ、ＩｎＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＩｎＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【０１１９】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＩｎＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、第２の量子ドット６１３は、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４よりも大体積で構成され、第１，第３の量子ドット６１２，６１４と第２の量子ドット６１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第１の量子ドット６１２並びに第３の量子ドット６１４は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第２の量子ドット６１３を中心として半径２５ｎｍ以内の領域において、離散的に形成されている。
【０１２０】
図１８は、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。第１の量子ドット６１２と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット６１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１２１】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット６１２から第２の量子ドット６１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【０１２２】
ちなみに第１の量子ドット６１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップに応じた波長の信号光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット６１２は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【０１２３】
また式（１）に基づいて第３の量子ドット６１４のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算するとき、第３の量子ドット６１４と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第３の量子ドット６１４における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ３（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１２４】
すなわちこの光ゲート素子６は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット６１２，６１３，６１４を基板６１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、通常、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット６１３の基底準位ｂ２よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、さらには、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を、基底準位ｂ２へ自然放出遷移させることができる。
【０１２５】
ＰＮ接合層６１５は、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖの極性に応じて、整流作用を有する。このＰＮ接合層６１５は、例えば図１９に示すようにｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られる。
【０１２６】
このような構成のＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを正とし、ｐ−ＧａＮを負とする、いわゆる逆方向バイアス電圧を印加することにより、空乏層を広げることができる。一方、ＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを負とし、ｐ−ＧａＮを正とする、いわゆる正方向バイアス電圧を印加することにより電流を流すことができ、励起子を伝搬させることができる。
【０１２７】
このため第２の量子ドット６１３について、例えば図１９に示すようにＰＮ接合面近傍に形成し、さらにＩｎＧａＮ等のように、ＧａＮよりも低エネルギー状態の材質で構成することにより、正方向バイアス印加時において励起子を注入することができる。一方、逆方向バイアス印加時には、第２の量子ドット６１３が形成されるＰＮ接合面近傍は空乏化されているため、励起子が移動することがなくなり、さらには、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を抑えることができる。
【０１２８】
すなわち、このＰＮ接合体６１５は、電圧制御部６１６により印加する電圧の極性を変化させることにより、第２の量子ドット６１３が形成されている領域において電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することができるため、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を制御することができる。
【０１２９】
なお、第２の量子ドット６１３へ励起子が注入されると、当該励起子は、基底準位ｂ２から徐々に配列するため、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２との励起子の密度の間に格差がなくなり、これら２つの量子準位間において反転分布が生じなくなる。その結果、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）から基底準位ｂ２へ励起子の自然放出遷移が生じなくなる。
【０１３０】
ここで第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）から、第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ励起子が順次注入されてくる場合に、上記反転分布を形成することができないと、励起子が自然放出遷移できずに蓄積され、過飽和状態になってしまう。かかる場合には、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）と共鳴関係にある第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）へ励起子がさらに移動することになる。かかる励起子が注入される第３の量子ドット６１４では、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３との間で反転分布を形成することができ、ひいては自然放出遷移により信号光を放出して、これを出射側光プローブ６４１へ供給することができる。
【０１３１】
このように、本発明を適用した光ゲート素子６は、入射される信号光を第１の量子ドット６１２により励起子に変換してこれを第２の量子ドット６１３へ注入する。また第２の量子ドット６１３を整流作用を持つＰＮ接合層６１５上に形成することにより、電圧制御部１６から印加される制御電圧Ｖに応じて２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させることができる。これにより、第３の量子ドット６１４へ移動する励起子数を減らすことができるため、当該第３の量子ドット６１４から放出される信号光の強度を抑えることができ、いわゆる光ゲートとして機能させることが可能となる。またこれらの量子ドット６１２，６１３，６１４は、それぞれナノスケールで構成され、ナノスケールで入力される信号光に対して光ゲートとして機能させることができるため、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることも可能となる。
【０１３２】
ちなみに上述した量子ドット６１２，６１３，６１４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット６１３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、光損失を軽減させつつ、上述した光ゲート機能を実現させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【０１３３】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４の作製方法については、上述した各量子ドット１２、１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【０１３４】
なお、本発明を適用した光ゲート素子６は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図２０に示すように、複数の量子ドットからなる他のナノ光デバイスと直接接続されていてもよい。すなわち回折限界以下の寸法でも動作する微小なナノ光デバイスが形成されている基板上に、本発明を適用した光ゲート素子を自在に形成することにより、ナノスケール大の光通信システムの実現化を促進することも可能となる。
【０１３５】
次に本発明を適用した波長変換素子７について説明をする。
【０１３６】
この波長変換素子７は、図２１に示すように、ＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板７１１と、基板７１１の表面上において形成されている第１の量子ドット７１２と、第１の量子ドット７１２の周囲において離散的に形成されている二つの第２の量子ドット７１３とからなる量子ドットグループ７２０とを備えている。
【０１３７】
量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット７１２は、入力される波長λ１の光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット７１３へ注入する。第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１３から注入される励起子を基底準位へ自然放出遷移させてこれを光として放出し、或いは当該励起子を互いに授受する。
【０１３８】
この各量子ドット７１２，７１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。ちなみに、この量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、通信帯域に対応させるべくＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【０１３９】
この各量子ドット７１２，７１３において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット７１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット７１２の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、すなわち第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１２よりも大体積で構成され、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第２の量子ドット７１３は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第１の量子ドット７１２を中心として半径３０ｎｍ以内の領域において、望ましくは半径１０ｎｍ以内の領域において、離散的に２つ形成されている。この２つ形成された第２の量子ドット７１３のうち、一方を第２の量子ドット７１３ａとし、他方を第２の量子ドット７１３ｂとする。
【０１４０】
このように量子ドットグループ７２０は、各量子ドット７１２、７１３をナノスケールで構成することにより、ナノスケールで入力される光の波長を変換することができ、或いは変換した光の波長をナノスケールで放出することができる。
【０１４１】
なお、これらの各量子ドット７１２、７１３の作製方法は、上述した各量子ドット１２、１３の記載を引用して説明を省略する。
【０１４２】
ちなみに、この量子ドットグループを構成する各量子ドット７１２，７１３に対しては、図１７に示すような入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１により光を入出力させる。
【０１４３】
入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、図２１に示すように、突出部２１２を介して第１の量子ドット７１２へ、光をナノスケールで入力することができる。同様に出射側光プローブ６２１は、第２の量子ドット７１３から放出されるナノスケールの光を取り出してこれを外部へ搬送することができる。
【０１４４】
なお、この入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット７１２へ供給し、或いは第２の量子ドット７１２から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１４５】
次に、各量子ドット７１２，７１３のエネルギー準位について説明をする。図２２は、各量子ドット７１２、７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。
【０１４６】
式（１）に基づき、各量子ドット７１２、７１３のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット７１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット７１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１４７】
かかる共鳴が生じる場合おいて、見かけ上第１の量子ドット７１２から第２の量子ドット７１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。すなわち、この第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とは、相互に結合することになる。
【０１４８】
また、第１の量子ドット７１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長λ１の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。そして、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）へ励起された励起子は、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）へと結合してゆく。
【０１４９】
すなわち、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット７１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を基底準位へ自然放出遷移させることができる。かかる励起子の自然放出遷移が生じると、量子準位（１，１，１）と基底準位のエネルギー差に相当する波長の光が放出されることになる。なお第２の量子ドット７１３ａから放出される光の波長をλ２とし、第２の量子ドット７１３ｂから放出される光の波長をλ３とする。
【０１５０】
ここでエネルギー保存の法則の観点から、光が供給される第１の量子ドット７１２におけるＥｇ１は、光を放出する第２の量子ドット７１３ａの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、及び第２の量子ドット７１３ｂの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３とのエネルギーギャップＥｇ３の和に等しいことが必要となる。ここでエネルギーＥは、Ｅ＝ｈｃ／λで表されるため、エネルギー的に平衡を保つためには、Ｅｇ１に相当する波長λ１と、Ｅｇ２に相当する波長λ２及びＥｇ３に相当する波長λ３との間で、以下の（２）式に示す関係が成り立つことが必要となる。
１／λ１＝１／λ２＋１／λ３ ・・・・・・（２）
ちなみに、第１の量子ドット７１２は、第２の量子ドット７１３よりも体積が小さいため、同一の量子準位（１，１，１）であっても、λ１＜λ２となる。従って、１個のフォトンにより励起された１つの励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ２の光が放出されても、この第２の量子ドット７１３ａは、放出すべきエネルギーが余剰している状態にある。このため、第２の量子ドット７１３ａにある励起子は、さらに第２の量子ドット７１３ｂへと移動し、上述の如く２つの量子準位間で反転分布を形成して波長λ３の光を放出する。
【０１５１】
すなわち、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）は、複数の第２の量子ドット７１３ａ、７１３ｂにおける量子準位（１，１，１）と相互に結合し、第１の量子ドット７１２において励起された励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ２の光が放出し、さらにエネルギー余剰分に相当する励起子が第２の量子ドット７１３ｂへ移動して波長λ３の光を放出することにより、エネルギー的に平衡を保つことができる。これにより、ナノスケールで入力される波長λ１の光を、互いに異なる波長λ２、λ３の光に変換して放出することが可能となる。
【０１５２】
このように本発明を適用した波長変換素子１では、体積が異なる各量子ドット７１２、７１３を基板７１１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第１の量子ドット７１２の量子準位と、複数の第２の量子ドット７１３の量子準位とを結合させることができる。これにより、１個のフォトンにより励起された１つの励起子を、エネルギー保存の法則を満たすように複数の第２の量子ドット７１３へ移動させ、それぞれにおいて形成された反転分布に応じた異なる波長の光を放出することができるため、入力された光の損失を抑えて高効率に波長変換することができる。またこの波長変換素子１を構成する各量子ドット７１２、７１３は、ナノメータサイズで構成されているため、ナノスケールで入力される光であっても効率よく波長変換することができる。
【０１５３】
なお、本発明を適用した波長変換素子７は、上述した実施の形態に限定されるものではない。上述の如く第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とを結合させて、励起子を移動させる場合のみならず、他の量子準位或いはサブレベルを介して励起子を移動させてもよい。
【０１５４】
また、第２の量子ドット７１３は、基板上７１１において２つ形成されている場合のみならず、３つ以上形成されていてもよい。これにより、ある一定の確率で量子準位間の結合を作り出すことができ、これらで波長変換させることで、多帯域にわたる光を作り出すことも可能となる。
【０１５５】
また第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比も上述の如く１：√２に限定されるものではなく、第１の量子ドット７１２の体積が、第２の量子ドット７１３の体積よりも小さくなれば、いかなる辺長比であってもよい。また、各量子ドット７１２、７１３間で体積を変えて構成する場合のみならず、材質を変えることにより、量子準位のレベルを設定してもよい。このとき、例えば量子ドットの材質としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、Ｉｎの含有量を変化させることにより、構成してもよい。
【０１５６】
また第２の量子ドット７１３は、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、Ｅｇ３を、それぞれ体積や材質を変化させることにより、放出する光の波長λ２、λ３を設定し直すことも可能である。これにより、放出する光の波長λ２、λ３を同等にしてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の構成を示す図である。
【図２】量子ドットによる伝送路におけるエネルギバンド図である。
【図３】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の他の構成を示す図である。
【図４】量子ドットの作製例について説明するための図である。
【図５】本発明を適用した光増幅器の構成を説明するための図である。
【図６】光増幅器におけるエネルギバンド図である。
【図７】本発明を適用した光増幅器の他の構成を説明するための図である。
【図８】本発明を適用した光発振器の構成を説明するための図である。
【図９】本発明に係る波長多重装置並びに波長分離装置が適用される光通信システムの構成を示した図である。
【図１０】本発明を適用した波長多重装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１１】波長多重装置における量子準位を説明するための図である。
【図１２】本発明を適用した波長多重装置の他の構成について説明するための図である。
【図１３】本発明を適用した波長分離装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１４】本発明を適用した波長分離装置の他の構成について説明するための図である。
【図１５】本発明を適用した近接場集光器の構成を説明するための図である。
【図１６】本発明を適用した近接場集光器の他の構成を説明するための図である。
【図１７】本発明を適用した光ゲート素子の構成を説明するための図である。
【図１８】光ゲート素子におけるエネルギバンド図である。
【図１９】ｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られるＰＮ接合層の詳細について説明するための図である。
【図２０】本発明を適用した光ゲート素子の他の構成について説明するための図である。
【図２１】本発明を適用した波長変換素子の構成を説明するための図である。
【図２２】波長変換素子におけるエネルギバンド図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 伝送路、２，３ 光増幅器、４ 光通信システム、５ 近接場集光器、６ 光ゲート素子、７ 波長変換素子、９ 光発振器、４３ 波長多重装置、４５ 波長分離装置、１２，２２，４３３，６１２，７１２ 第１の量子ドット、１３，２３，４３４，６１３，７１３ 第２の量子ドット、６１４ 第３の量子ドット、１１，２１，４３１，５１１，６１１，７１１ 基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットによる光ゲート素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor）や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用した近接場相互作用により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
【０００４】
【非特許文献１】M.Ohtsu, K.Kobayashi, T.Kawazoe, S.Sangu, T.Yatsui, IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron., to be published
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、超微細化させた光ゲートを作製することによりナノスケール大の光通信システムの実現化を促進する必要がある。
【０００６】
そこで本発明は上述した問題点に鑑みて提案されたものであり、ナノスケールサイズの光ゲート素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明を適用した光ゲート素子は、上述した問題点を解決するため、導電性の結晶により構成される基板と、基板上に形成され入射される信号光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１の量子ドットより大体積で形成され、第１のエネルギー準位との共鳴に応じて第１の量子ドットから基板を介して励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位より低準位であり励起子が遷移される第３のエネルギー準位を有する第２の量子ドットと、基板上に形成され、上記第２のエネルギー準位との共鳴に応じて第２の量子ドットから基板を介して励起子が注入される第４のエネルギー準位を有し、第４のエネルギー準位から放出される光を信号光として出射する第３の量子ドットと、第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入するスイッチ制御手段を備え、第２の量子ドットは、基底準位に対して注入された励起子に応じて、第３のエネルギー準位と基底準位との間で反転分布を形成して、第３の量子準位から光を放出する。
【０００８】
この光ゲート素子は、入射される信号光を第１の量子ドットにより励起子に変換してこれを第２の量子ドットへ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドットへ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドットから放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明を適用した光ゲート素子は、入射される信号光を第１の量子ドットにより励起子に変換してこれを第２の量子ドットへ注入する。またスイッチ制御手段より第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入することにより、２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させ、第３の量子ドットへ移動する励起子数を減らし、当該第３の量子ドットから放出される信号光の強度を抑える光ゲートとして作用させる。
【００１０】
これにより、本発明を適用した光ゲート素子は、ナノスケールで入力される信号光に対していわゆる光ゲートとして機能することができ、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
先ず、本発明を適用した量子ドットによる伝送路１について説明をする。伝送路１は、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍において形成されている第２の量子ドット１３からなる量子ドットグループ１０を備えている。
【００１３】
量子ドットグループ１０を構成する各量子ドット１２、１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット１２、１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【００１４】
この各量子ドット１２，１３において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット１２の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、第２の量子ドット１３は、第１の量子ドット１２よりも大体積で構成され、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第１の量子ドット１２は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第２の量子ドット１３を中心として半径３０ｎｍ以内の領域に形成されている。また第１の量子ドット１２には、図示しない光照射系より光が照射される。
【００１５】
ちなみに構成される材料系がＧａＮやＺｎＯの場合に、各量子ドット１２、１３における半径（ｒ）と、基板１１から突出する量子ドット１２、１３の厚み（ｈ）との比は、以下の式により表される。
ｒ：ｈ＝２〜５：１
図２は、各量子ドット１２、１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。各量子ドット１２、１３における量子閉じ込め準位Ｅ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は、以下の式（１）により定義される。
【００１６】
【数１】
【００１７】
この式（１）に基づき、各量子ドット１２、１３のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）に対応する波長をもつ光を、図示しない照射系を介して第１の量子ドット１２へ照射する。
【００１８】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、当該第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００１９】
すなわちこの光伝送路１は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で励起子を伝送することができる。従って図３の如く互いに大きさの異なる３つ以上の量子ドットを基板１１上に形成してゆくことにより、伝送路の長さを変えて構成することも可能である。
【００２０】
次に各量子ドット１２，１３の作製方法について説明をする。各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＣｕＣｌを採用する場合において、以下に説明するブリッジマン法を用いることにより作製することができる。このブリッジマン法において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ／ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２、１３を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２、１３のサイズを自在に制御することもできる。具体的には、熱処理の温度を４００℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズを大きく制御することができ、一方熱処理の温度を１２０℃に設定することにより、量子ドット１２、１３のサイズをより小さく制御することができる。
【００２１】
一方、各量子ドット１２、１３は、例えば材料系としてＧａＮやＺｎＯを用いる場合において、例えば図４に示すように分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法により作製することができる。このＭＢＥ成長法は、図４に示す酸化物ドット形成工程において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針を基板１１にに接近させて電圧を印加させる。これにより大気中に含まれている水分が、探針の居所電場に基づきＨ＋と、ＯＨ−に分解し、さらにこのＯＨ−が探針直下の基板１１上において酸化物ドット３１が形成される。ちなみに、この酸化物ドット３１は、ＡＦＭによる電圧印加時間と、酸化時間により自在に制御することができる。次にエッチング工程において、上記作成した酸化物ドット３１をエッチング液又は超音波洗浄により除去し、基板に凹部３２を形成させる。最後にＭＢＥ形成工程において、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）モードを用いて、上述した凹部３２へ量子ドットを成長させる。ちなみに、ＭＢＥ形成工程において、このＳ−Ｋモードによる成長時間を制御することにより、凹部３２のみに対して精度よく量子ドットを成長させることが可能となる。
【００２２】
次に、本発明を適用した光増幅器２について説明をする。
【００２３】
光増幅器２は、図５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット２２からなる量子ドットグループ２０と、光を入出射するための突出部１４２を有し、当該突出部１４２が第２の量子ドット２３の近傍に位置するように配設されている光プローブ２４と、第２の量子ドット近傍と基板２１の側面とを連結するように基板２１内に埋設されている出力側導波路２５とを備えている。
【００２４】
光プローブ２４は、図５に示すように光導波部１４１と、突出部１４２と備える。光導波部１４１は、コア１６０の周囲にクラッド１６１が設けられた光ファイバより構成される。コア１６０及びクラッド１６１は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア１６０よりもクラッド１６１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部１４２は、光導波部１４１の一端においてクラッド１６１から突出させたコア１６０を先鋭化させることにより構成される。
【００２５】
このような構成からなる光プローブ２４は、図示しない外部光源から光導波部１４１を介して光が供給される。この光プローブ２４は、突出部１４２を介して第２の量子ドット２３へ、最小で約１０ナノメータのスケールで光を入力することができる。
【００２６】
出力側導波路２５は、第２の量子ドット２３から供給される光を伝播して、出力側光ファイバ２６へ供給するための導波路である。この出力側導波路２５は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。かかる金属導波路として構成した出力側導波路２５は、例えば近接場光ＣＶＤ等により基板２１上に作製される。
【００２７】
ちなみに、この出力側導波路２５は、図示しない光結合用量子ドットに代替してもよい。この光結合用量子ドットは、第２の量子ドット２３から出力側光ファイバ２６へ長手方向に配列させた量子ドットであり、出力側光ファイバ２６へ近づくにつれて、量子ドットのサイズを序々に拡大することにより、後述する共鳴効果に基づき光を伝播させてゆく。また、上述した光プローブ２４の代替として、この出力側導波路２５と同一の構成からなる図示しない入力側導波路を第２の量子ドット２３近傍に設けてもよい。これにより、外部光源から光ファイバを介して当該入力側導波路へ光を供給することが可能となり、光プローブ２４を用いることなく、第２の量子ドット２３へ容易に光入力することができる。
【００２８】
量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット２２、２３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット２２、２３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット２２、２３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。なお、この各量子ドット２２、２３の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００２９】
このような構成からなる光増幅器２において、上述した共鳴が生じると、図６に示すように第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。すなわちこの光増幅器２は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、図６に示すように第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット２３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することができる。
【００３０】
ちなみに上述した量子ドット２２、２３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット２３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００３１】
この光増幅器２における各量子ドット２２，２３の作製方法は、量子ドット１２，１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【００３２】
次に、本発明を適用した光増幅器２の動作について説明をする。
【００３３】
先ず光プローブ２４を構成する突出部１４２から、第２の量子ドット２３へ、光が供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に分布している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの量子準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が光プローブ２４から供給されると、これら光は反転分布に応じて放出される光により増幅されることになる。第２の量子ドット２３により増幅された光は、出力側導波路２５へ供給され、さらには出力側光ファイバ２６を介して外部へ伝搬される。
【００３４】
以上説明したように、本発明を適用した光増幅器２は、大きさの異なる各量子ドット２２、２３を基板２１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができ、これらが第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ遷移するため、第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と基底準位との間で反転分布を形成させることができる。これにより第２の量子ドット２３に注入されるナノスケールの光により、量子準位（１，１，１）から基底準位へ誘導放出遷移させて光を増幅させることができる。
【００３５】
特に２つの量子準位間で生成される反転分布は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができ、高効率に光増幅を行うことが可能となり、ひいては単一電子レベルで且つナノスケールで光通信可能な光通信システムの実現化を促進することができる。
【００３６】
本発明を適用した光増幅器２は、形成される第１の量子ドット２２の数を調節することにより、増幅される光強度を自在に制御することができる。第１の量子ドット２２の数を増やすことにより、第２の量子ドット２３へ注入される励起子数を増加させ、誘導放出される光を増加させることができるからである。
【００３７】
なお、本発明に係る光増幅器２は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット２２は、環状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット２３近傍においてライン状或いは曲線状に形成されてもよいことは勿論である。
【００３８】
また本発明は、例えば複数の量子ドットグループにより、伝播される光を増幅する光増幅器３に適用してもよい。
【００３９】
図７は、光増幅器３の構成を示している。光増幅器３は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット２３並びに当該第２の量子ドット２３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット２２からなる複数の量子ドットグループ４０とを備えている。なお、この光増幅器３において、光増幅器１と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００４０】
量子ドットグループ４０は、基板２１上においてランダムに複数形成されている。各量子ドットグループ４０は、それぞれ第２の量子ドット２３を介して伝播する光を増幅し、これを出力する。
【００４１】
ちなみにこの量子ドットグループ４０における光増幅方法は、光増幅器１における量子ドットグループ２０と同様である。すなわちこの量子ドットグループ４０は、形成された第２の量子ドット２３の各量子準位（２，１，１）へ、第１の量子ドット２２を介して励起子を注入させる。次に量子ドットグループ４０は、第２の量子ドット２３において量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。そして第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）における励起子の基底準位への誘導放出遷移に基づき、第２の量子ドット２３毎に入力された光を増幅させることができる。
【００４２】
この量子ドットグループ４０が形成された基板上には、図示しない入力側光ファイバより光が供給される。またこの量子ドットグループ４０により増幅された光は、図示しない出力側光ファイバへ供給されて外部へ伝搬される。
【００４３】
次に、本発明を適用した光増幅器３の動作について説明をする。
【００４４】
先ず、入力側光ファイバから基板２１の表面へ光が供給される。この供給された光は、基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し、各量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給される。この光が供給される第２の量子ドット２３には、周囲に点在している第１の量子ドット２２から既に励起子が注入されているため、上述した２つの準位間において既に反転分布が形成されている。このため第２の量子ドット２３において、量子準位（１，１，１）に存在している励起子（電子）が基底準位へ誘導放出遷移する。すなわち第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）に共鳴する光が基板２１表面より供給されると、これらは反転分布に応じて増幅されることになる。
【００４５】
増幅された光は第２の量子ドットを出射して、再び基板２１上を図７に示す伝搬方向へ伝搬し他の量子ドットグループ４０における第２の量子ドット２３へ供給され、再度増幅される。このように複数回に渡って増幅された基板２１上の光は、出力側光ファイバに集光されて外部へ供給される。
【００４６】
以上詳細に説明したように、本発明を適用した光増幅器３は、複数の量子ドットグループ４０により、伝播される光を複数回にわたり増幅させることができるため、光強度を格段に向上させることができる。また基板２１上に形成する量子ドットグループ４０の数や配置を変えることにより、増幅する光強度を自在に設定することも可能となる。
【００４７】
また本発明を適用した光増幅器３では、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光増幅を行うことができる。
【００４８】
次に、本発明を適用した光発振器９について説明をする。
【００４９】
図８（ａ）は、光発振器９の構成を示している。光発振器９は、導電性の結晶からなる基板２１と、基板２１の表面上において第１の量子ドット２２を長手方向に２列に配列させた第１の量子ドットライン９１と、基板２１の表面において上記２列に配列された第１の量子ドットライン９１の間に第２の量子ドット２３を長手方向に配列させた第２の量子ドットライン９２と、第２の量子ドットライン９２の両端に位置する反射膜９３とを備えている。なお、この光発振器９において、光増幅器２と同一の構成には、同一の番号を付して説明を省略する。
【００５０】
第１の量子ドットライン９１は、配列させた第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）を、第２の量子ドットライン９２中の第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）と共鳴させる。そして第１の量子ドットライン９１は、各第１の量子ドット２２における量子準位（１，１，１）の励起子を、当該第２の量子ドット２３の量子準位（２，１，１）へ注入する。ちなみにこの第１の量子ドットライン９１には、第１の量子ドット２２の量子準位（１，１，１）に対応する波長の光が図示しない照射系より照射される。
【００５１】
第２の量子ドットライン９２は、励起子が注入された第２の量子ドット２３における量子準位（２，１，１）から、それぞれ第２の量子ドット２３の量子準位（１，１，１）へ励起子を遷移させる。そして、当該第２の量子ドット２３における量子準位（１，１，１）と、基底準位との間で反転分布を生じさせる。更にこの第２の量子ドットライン９２は、量子準位（１，１，１）にある励起子を基底準位へ自然放出遷移させる。この第２の量子ドット２３毎に放出された光は、第２の量子ドットライン９２上を長手方向に伝搬する。
【００５２】
反射膜９３は、基板２１の端面にそれぞれ形成されたいわゆる反射ミラーであり、第２の量子ドットライン９２を伝搬する光を往復反射させることにより共振させる。この反射膜９３間の距離は、伝搬する光の共振条件を満たすべく、上記伝搬する光の波長の整数倍になるように設定される。ちなみにこの反射膜９３は、例えば１００％に近い反射率を有する誘電体多層膜であり、屈折率が大小異なる薄膜を交互に重ねて蒸着することにより得られる。
【００５３】
このような構成からなる光発振器９は、第２の量子ドット２３内において形成された２つの量子準位間の反転分布に応じて光が放出され、この放出された光は、反転分布が形成された第２の量子ドットライン９２中を往復することができる。これにより光強度は次第に増加してレーザ発振させることができる。
【００５４】
すなわち、本発明を適用した光発振器９は、量子ドット２２、２３を活用し、離散的なエネルギー準位から生じる近接場相互作用に基づいて、２つの量子準位間において反転分布を形成することができる。これにより、励起子の振動子強度をより高めることができるため、高効率に光発振を行うことができる。
【００５５】
この光発振器９における量子ドットライン９１，９２は、上述した形態に限定されるものではなく、例えば図８（ｂ）に示すように第２の量子ドット２３の周辺に離散的に第１の量子ドット２２を形成してもよいことは勿論である。これにより、共鳴により第２の量子ドット２３へ移動する励起子を増やすことができ、励起子の振動子強度をより高めることができるため、さらに高効率に光発振させることができる。
【００５６】
次に本発明を適用した波長多重装置４３並びに波長分離装置４５について説明をする。
【００５７】
図９は、本発明に係る波長多重装置４３並びに波長分離装置４５が適用される光通信システム４の構成を示している。この光通信システム４は、第１のナノ光デバイス４２と、波長多重装置４３と、光ファイバ４４と、波長分離装置４５と、第２のナノ光デバイス４６とを備えている。
【００５８】
第１のナノ光デバイス４２は、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing、ＤＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）通信方式の下、互いに波長の異なる光を多数生成し、当該生成した光を搬送波として位相変調をかけることにより光変調信号を作り出し、これらを波長多重装置４３へ供給する。第１のナノ光デバイス４２は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる搬送波を生成してもよい。この第１のナノ光デバイス４２は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子であり、上述した光変調信号をナノスケールオーダーの領域を介して出射することができる。ちなみに量子ドットは、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御できる素子である。
【００５９】
波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から供給される各光変調信号を多重化し、光ファイバ４４へ送信する。光ファイバ４４は、波長多重装置４３及び波長分離装置４５に接続され、波長多重装置４３において多重化された各光変調信号を波長分離装置４５へ伝送する。波長分離装置４５は、光ファイバ４４を介して伝送された光変調信号を波長毎にナノスケールで分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。なお、波長多重装置４３並びに波長分離装置４５の詳細については後述する。
【００６０】
第２のナノ光デバイス４６は、量子ドットを用いることにより回折限界以下の寸法でも動作する素子である。この第２のナノ光デバイス４６は、波長分離装置４５よりナノスケールで波長分離されて供給される光変調信号を、光電変換して読み出す。ちなみに第２のナノ光デバイス４６は、複数のデバイスユニットから構成され、各デバイスユニット毎に波長の異なる光変調信号を読み出してもよい。
【００６１】
すなわちこの光通信システム４では、ｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得ることできる。
【００６２】
次に本発明を適用した波長多重装置４３の具体的な構成について図１０を用いて説明をする。波長多重装置４３は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４３２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４３２において、第２の量子ドット４３４は、光ファイバ４４側に形成され、第１の量子ドット４３３は、第１のナノ光デバイス４２側に形成される。
【００６３】
また量子ドットグループ４３２は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて複数並設される。量子ドットグループ４３２ａには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λａの搬送波が供給される。また量子ドットグループ４３２ｂには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｂの搬送波が供給される。さらに量子ドットグループ４３２ｃには、第１のナノ光デバイス４２から供給される波長λｃの搬送波が供給される。この量子ドットグループ４３２は、それぞれ供給された搬送波を、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、多重光生成領域４３５にて多重化し、光ファイバ４４へ出射する。
【００６４】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。量子ドットグループ４３２は、通信帯域に対応させるべく、量子ドット４３３、４３４をＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【００６５】
量子ドットグループ４３２を構成する各量子ドット４３３、４３４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。またこの各量子ドット４３３、４３４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。なおこの各量子ドット４３３、４３４の形状の詳細については、それぞれ量子ドット１２、１３の記載を引用し、説明を省略する。
【００６６】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、各量子ドット４３３、４３４をナノスケールで構成することにより、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【００６７】
図１１は、各量子ドット４３３、４３４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。各量子ドット４３３、４３４におけるＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は、上述した式（１）により定義される。
【００６８】
この式（１）に基づき、各量子ドット４３、４３４のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算するとき、第１の量子ドット４３３と第２の量子ドット４３４の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット４３３における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット４３４における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【００６９】
かかる共鳴が生じる場合には、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ見かけ上移動する。そして、この第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【００７０】
また、第１の量子ドット４３３において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波を含む光変調信号を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【００７１】
すなわち、量子ドットグループ４３２は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４３３は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【００７２】
例えば量子ドットグループ４３２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４３２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４３２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドットグループ４３４へ移動させることができる。
【００７３】
すなわち、本発明を適用した波長多重装置４３では、かかる量子ドットグループ４３２における波長選択性を利用することにより、第１のナノ光デバイス４２から入射される互いに波長の異なる搬送波からなる光変調信号を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、多重化させることができる。
【００７４】
ちなみにこれら量子ドットグループ４３２は、各量子準位を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより上述したエネルギーギャップＥｇ１を設定してもよい。
【００７５】
すなわち、量子ドットグループ４３２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、量子ドットグループ間でエネルギーギャップＥｇ１を変化させることができる。これにより各量子ドットグループ４３２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。ちなみに、材質を変更する場合において、例えば材料系としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、各量子ドットグループ４３２間で、Ｉｎの含有量を微量に変えて構成してもよい。
【００７６】
また、本発明を適用した波長多重装置４３では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板３２上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成させることができる。
【００７７】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【００７８】
上述のような構成からなる波長多重装置４３は、例えば以下の如く動作することができる。
【００７９】
先ず、第１のナノ光デバイス４２から、各量子ドットグループ４３２を構成する第１の量子ドット４３３へ、互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４３２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２から供給される搬送波の波長に応じて設定されているため、第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、多重光生成領域４３５へ出射される。多重光生成領域４３５において、複数の量子ドットグループ４３２から供給され、互いに異なる波長を持つ搬送波が多重合成され、光ファイバ４４へ出射される。
【００８０】
以上説明したように、本発明を適用した波長多重装置４３は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波をナノスケールの領域を介して受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３、４３４を介して移動させて多重合成することができる。これによりナノスケールで入力される各搬送波を高効率に合成して多重化することができ、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【００８１】
なお、本発明を適用した波長多重装置４３は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１２に示すように、各量子ドットグループ４３２において、量子ドット４３７を追加してもよい。量子ドット４３７は、第１の量子ドット４３３と対になるように第１のナノ光デバイス４２側において離散的に複数形成されている。量子ドット４３７は、第１のナノ光デバイス４２から互いに異なる波長の搬送波が供給され、基底準位から励起された励起子を上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４３７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【００８２】
また量子ドットグループ４３２は、図１０，１２に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量を得るために、ｎグループ並設するようにしてもよい。
【００８３】
次に本発明を適用した波長分離装置４５の具体的な構成について図１３を用いて説明をする。なお、上述した波長多重装置４３と同一の構成、部材には同一の番号を付して説明を引用する。
【００８４】
波長分離装置４５は、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板４３１と、基板４３１上において形成されている１つの第２の量子ドット４３４並びに当該第２の量子ドット４３４と対になるように離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット４３３からなる量子ドットグループ４５２とを備えている。ちなみにこの量子ドットグループ４５２において、第１の量子ドット４３３は、光ファイバ４４側に形成され、第２の量子ドット４３４は、第２のナノ光デバイス４６側に形成される。
【００８５】
また量子ドットグループ４５２は、第２のナノ光デバイス４６へ供給する搬送波の波長に応じて複数形成される。この量子ドットグループ４５２は、光ファイバ４４から供給された多重光を、これら複数の量子ドットグループ４５２により、励起子を介して第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４へ伝搬させ、互いに波長の異なる各搬送波へ分離し、第２のナノ光デバイス４６へ供給する。例えば量子ドットグループ４５２ａは、多重光入射領域４５５から波長λａの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｂは、多重光入射領域４５５から波長λｂの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。量子ドットグループ４５２ｃは、多重光入射領域４５５から波長λｃの搬送波を分離して第２のナノ光デバイス４６へ供給する。
【００８６】
量子ドットグループ４５２を構成する量子ドット４３３、４３４は、上述の如くそれぞれナノスケールで構成されているため、第１のナノ光デバイス４２から光変調信号をナノスケールの領域を介して受け取ることが可能となる。
【００８７】
第１の量子ドット４３３において、図１１に示すように、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット４３３は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット４３４における量子準位（２，１，１）へ順次移動させることができる。
【００８８】
すなわち、第１の量子ドット４３３は、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波が入射された場合のみ、励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させてこれを第２の量子ドット４３４へ移動させることができるが、他の波長の搬送波が入射されたときには励起子を量子準位（１，１，１）へ励起させることができない。このため、第１の量子ドット４３３における量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップ差を自在に設定することにより、第１の量子ドット４３３から第２の量子ドット４３４への励起子の移動について波長選択性をもたせることができる。これにより量子ドットグループ４５２は、単一の波長からなる搬送波を選択的に伝搬させることができる。
【００８９】
例えば、量子ドットグループ４５２ａは、エネルギーギャップＥｇ１を、光ファイバ４４から供給される多重光のうち一の搬送波の波長λａに応じて設定する。これにより、波長λａの搬送波が供給された場合のみ上述の如く第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させることができ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。同様に、量子ドットグループ４５２ｂにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｂに応じて設定し、さらに量子ドットグループ４５２ｃにおいて、エネルギーギャップＥｇ１を、供給される多重光のうち一の搬送波の波長λｃに応じて設定することにより、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１に相当する波長の搬送波のみ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。
【００９０】
すなわち、本発明を適用した波長分離装置４５では、かかる量子ドットグループ４３３における波長選択性を利用することにより、互いに波長の異なる搬送波を含む多重光を、ナノスケールで高効率に伝搬させて、それぞれ分離させることができる。
【００９１】
ちなみにこれら量子ドットグループ４５２は、それぞれのエネルギーギャップＥｇ１を、量子ドット４３３、４３４の体積を変更したり、或いは材質を変更することにより自在に設定してもよい。
【００９２】
すなわち、量子ドットグループ５２間で、それぞれ形成される量子ドット４３３、４３４の体積や材質を変化させることにより、エネルギーギャップＥｇ１を設定することができる。これにより各量子ドットグループ４５２は、この設定されたエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させることができる。
【００９３】
また、本発明を適用した波長分離装置４５では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４３３、４３４を基板４３１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット４３４の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット４３４の基底準位ｂ１よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。
【００９４】
ちなみに上述した量子ドット４３３、４３４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット４３３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、さらに高効率に各搬送波を伝搬させることができる。
【００９５】
上述のような構成からなる波長分離装置４５は、例えば以下の如く動作することができる。
【００９６】
先ず、光ファイバ４４から各量子ドットグループ４５２を構成する第１の量子ドット４３３へ、多重光入射領域４５５を介して互いに異なる波長の搬送波が入射される。各量子ドットグループ４５２におけるエネルギーギャップＥｇ１は、第１のナノ光デバイス４２へ供給する搬送波の波長に応じて設定されているため、当該波長の搬送波の成分のみ第１の量子ドット４３３の量子準位（１，１，１）へ励起子を励起させ、これを第２の量子ドット４３４へ移動させることができる。第２の量子ドット４３４において量子準位（２，１，１）へ移動された励起子は、そのまま第２の量子ドット４３４における量子準位（１，１，１）へ遷移し上述の如く反転分布が形成される。そしてこの形成された反転分布に応じて、励起子（電子）が基底準位へ自然放出遷移し、第２のナノ光デバイス４６へ送信される。
【００９７】
以上説明したように、本発明を適用した波長分離装置４５は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光を受け取り、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、これを量子ドット４３３，４３４を介して移動させて、第２のナノ光デバイス４６へ提供することができる。これにより、各搬送波を含む多重光をナノスケールで高効率に分離することができるため、回折限界以下の寸法でも動作可能なナノ光デバイス間で波長多重通信することができ、超微細化された波長多重通信システムを提案することができる。
【００９８】
なお、本発明を適用した波長分離装置４５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図１４に示すように、各量子ドットグループ４５２において、量子ドット４５７を追加してもよい。量子ドット４５７は、第１の量子ドット４３３と対になるように光ファイバ４４側において離散的に複数形成されている。量子ドット４５７は、光ファイバ４４から互いに異なる波長の搬送波を含む多重光が供給され、エネルギーギャップＥｇ１に応じた波長の搬送波が入射された場合のみ励起子を励起させ、上述した共鳴により第１の量子ドット４３３へ移動させる。量子ドット４５７は、複数列に亘って形成してもよいことは勿論である。
【００９９】
また量子ドットグループ４３２は、図１３、１４に示すように３グループに限定されることはない。例えばｎ波の異なる波長の光を多重することにより、各波長の伝送容量のｎ倍の伝送容量が得るために、ｎグループ設けるようにしてもよい。
【０１００】
次に本発明を適用した近接場集光器５について説明をする。なお、上述した光増幅器２と同一の構成、部材については同一の番号を付して説明を省略する。
【０１０１】
近接場集光器５は、図１５に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板５１１と、基板５１１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット１３並びに当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ５２０とを備えている。各量子ドット１２，１３が形成された基板５１１の上方には、照射光学系５１８が配設され、当該照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射される。
【０１０２】
すなわちこの近接場集光器５は、例えば図６に示すように辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板５１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に応じて励起子が自然放出遷移することにより光が放出されることになる。
【０１０３】
ナノスケールの第２の量子ドット１３から放出される光は、ナノメートルサイズの極めて狭い領域において分布することになる。これにより、励起子を介して第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へエネルギーを供給することができ、当該エネルギーに基づき放出される光をナノスケールの領域に分布させることにより見かけ上集光させることができる。ちなみに本発明では、用途に応じて各量子ドットのサイズを変えることにより、集光させるサイズを自在に調整することもできる。
【０１０４】
また、第２の量子ドット１３の周囲において、多くの第１の量子ドット１２が形成されているほど、第２の量子ドット１３へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間に生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上げることができ、さらには用途に応じて基板１１上に形成する第１の量子ドット１２の数量を調整することにより、放出される光強度を変化させることもできる。
【０１０５】
ちなみに上述した量子ドット１２、１３間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、量子準位を介した励起子の移動を利用することにより、上述のエネルギー移動を実現することができるため、光損失を軽減させて非常に高効率な近接場集光を実現させることができる。例えば従来の近接場光プローブでは、ナノスケールの領域において約１０−６程度の効率でしか近接場集光させることができないのに対し、本発明を適用した近接場集光器５では、同じナノスケールの領域において１００％近い効率で近接場集光させることができる。
【０１０６】
これにより、本発明を適用した近接場集光器５を用いることにより、量子ドットから構成される近接場ナノ光デバイスの空間分解能を向上させることも可能となる。
【０１０７】
なお、本発明に係る近接場集光器５は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば第１の量子ドット１２は、図１５に示すように第２の量子ドット１３を中心として曲線状に形成されている場合に限定されるものではなく、第２の量子ドット１３を中心とした円弧上に形成されていてもよい。
【０１０８】
また本発明を適用した近接場集光器５は、図１６に示すように第１の量子ドット１２の外郭において、さらに外郭量子ドット５３１を形成してもよい。この外郭量子ドット５３１は、第１の量子ドット１２と対になるように離散的に複数形成されている。外郭量子ドット５３１と第１の量子ドット１２の辺長比は、およそ１：√２であり互いに励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。外郭量子ドット５３１には、照射光学系５１８から基板５１１へ光が照射することにより励起された励起子を、第１の量子ドット１２における量子準位（１，１，１）へ順次注入することができる。この第１の量子ドット１３における量子準位（１，１，１）へ順次注入された励起子は、上述の如く第２の量子ドット１３へ注入されることになる。
【０１０９】
すなわち、第１の量子ドット１２の周囲に多くの外郭量子ドット５３１が形成されているほど、第１の量子ドット１２へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上昇させることができる。さらに用途に応じて基板５１１上に形成する外郭量子ドット５３１の数量を調整することにより、放出される光強度をさらに細かいステップで変化させることも可能となる。
【０１１０】
なお、外郭量子ドット５３１のさらに外郭においても同様に量子ドットが形成されていてもよいことは勿論である。
【０１１１】
次に本発明を適用した光ゲート素子６について説明をする。
【０１１２】
光ゲート素子６は、図１７に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板６１１と、基板６１１の表面上において形成されている第２の量子ドット６１３並びに当該第２の量子ドット６１３の周囲において離散的に形成されている第１の量子ドット６１２、第３の量子ドット６１４からなる量子ドットグループ６２０と、信号光を出射するための突出部２１２が第１の量子ドット６１２の近傍に位置するように配設されている入射側光プローブ６２１と、信号光を入射させるための突出部３１２が第３の量子ドット１４の近傍に位置するように配設されている出射側光プローブ６４１と、基板６１１上に積層され電圧制御部６１６を介して制御電圧Ｖが印加されるＰＮ接合層６１５とを備えている。
【０１１３】
入射側光プローブ６２１は、図１７に示すように突出部２１２に加えて光導波部２１１をさらに備え、光導波部２１１は、コア２３０の周囲にクラッド２３１が設けられた光ファイバより構成される。コア２３０及びクラッド２３１は、それぞれＳｉＯ２系ガラスからなり、Ｆ、ＧｅＯ２、Ｂ２Ｏ３等を添加することにより、コア２３０よりもクラッド２３１の屈折率が低くなるように組織制御されている。突出部２１２は、光導波部２１１の一端においてクラッド２３１から突出させたコア２３０を先鋭化させることにより構成される。
【０１１４】
このような構成からなる入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光導波部２１１を介して信号光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、突出部２１２を介して第１の量子ドット６１２へ、ナノスケールで信号光を入力することができる。
【０１１５】
出射側光プローブ６４１は、図１７に示すように突出部３１２に加えて光導波部３１１をさらに備え、光導波部３１１は、コア３３０の周囲にクラッド３３１が設けられた光ファイバより構成される。このような構成からなる出射側光プローブ６４１は、ナノスケールサイズの第３の量子ドット６１４から放出される信号光を取り出して外部へ搬送することができる。
【０１１６】
なお、この入射側光プローブ６２１及び出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット６１２へ供給し、或いは第３の量子ドット６１４から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１１７】
量子ドットグループ６２０を構成する各量子ドット６１２，６１３，６１４は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット６１２は、入射側光プローブ６２１から入力される信号光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット６１３へ注入する。第２の量子ドット６１３は、ＰＮ接合層６１５上に形成され、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖに応じて、第１の量子ドット６１３から注入される励起子を第３の量子ドット６１４へさらに注入し、或いは励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させる。第３の量子ドット６１４は、第２の量子ドット６１３から注入される励起子を自然放出遷移させて光に変換し、これを信号光として出力側光プローブ６４１へ供給する。
【０１１８】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４は、ＣｕＣｌ、ＩｎＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＩｎＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【０１１９】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＩｎＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット６１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、第２の量子ドット６１３は、第１の量子ドット６１２及び第３の量子ドット６１４よりも大体積で構成され、第１，第３の量子ドット６１２，６１４と第２の量子ドット６１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第１の量子ドット６１２並びに第３の量子ドット６１４は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第２の量子ドット６１３を中心として半径２５ｎｍ以内の領域において、離散的に形成されている。
【０１２０】
図１８は、各量子ドット６１２，６１３，６１４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。第１の量子ドット６１２と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット６１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１２１】
かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）に存在する励起子が、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動し、また第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に存在する励起子が、第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット６１２から第２の量子ドット６１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。
【０１２２】
ちなみに第１の量子ドット６１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップに応じた波長の信号光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。この第１の量子ドット６１２は、量子準位（１，１，１）に励起された励起子を、上述の如く第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ順次注入させることができる。
【０１２３】
また式（１）に基づいて第３の量子ドット６１４のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算するとき、第３の量子ドット６１４と第２の量子ドット６１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第３の量子ドット６１４における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ３（１１１）と、第２の量子ドット６１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１２４】
すなわちこの光ゲート素子６は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット６１２，６１３，６１４を基板６１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、通常、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット６１３の基底準位ｂ２よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、さらには、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を、基底準位ｂ２へ自然放出遷移させることができる。
【０１２５】
ＰＮ接合層６１５は、電圧制御部６１６から印加される制御電圧Ｖの極性に応じて、整流作用を有する。このＰＮ接合層６１５は、例えば図１９に示すようにｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られる。
【０１２６】
このような構成のＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを正とし、ｐ−ＧａＮを負とする、いわゆる逆方向バイアス電圧を印加することにより、空乏層を広げることができる。一方、ＰＮ接合層６１５において、電圧制御部６１６より、ｎ−ＧａＮを負とし、ｐ−ＧａＮを正とする、いわゆる正方向バイアス電圧を印加することにより電流を流すことができ、励起子を伝搬させることができる。
【０１２７】
このため第２の量子ドット６１３について、例えば図１９に示すようにＰＮ接合面近傍に形成し、さらにＩｎＧａＮ等のように、ＧａＮよりも低エネルギー状態の材質で構成することにより、正方向バイアス印加時において励起子を注入することができる。一方、逆方向バイアス印加時には、第２の量子ドット６１３が形成されるＰＮ接合面近傍は空乏化されているため、励起子が移動することがなくなり、さらには、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を抑えることができる。
【０１２８】
すなわち、このＰＮ接合体６１５は、電圧制御部６１６により印加する電圧の極性を変化させることにより、第２の量子ドット６１３が形成されている領域において電流をＯＮ／ＯＦＦ制御することができるため、第２の量子ドット６１３への励起子の注入を制御することができる。
【０１２９】
なお、第２の量子ドット６１３へ励起子が注入されると、当該励起子は、基底準位ｂ２から徐々に配列するため、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２との励起子の密度の間に格差がなくなり、これら２つの量子準位間において反転分布が生じなくなる。その結果、第２の量子ドット６１３の量子準位（１，１，１）から基底準位ｂ２へ励起子の自然放出遷移が生じなくなる。
【０１３０】
ここで第１の量子ドット６１２の量子準位（１，１，１）から、第２の量子ドット６１３における量子準位（２，１，１）へ励起子が順次注入されてくる場合に、上記反転分布を形成することができないと、励起子が自然放出遷移できずに蓄積され、過飽和状態になってしまう。かかる場合には、第２の量子ドット６１３の量子準位（２，１，１）と共鳴関係にある第３の量子ドット６１４の量子準位（１，１，１）へ励起子がさらに移動することになる。かかる励起子が注入される第３の量子ドット６１４では、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３との間で反転分布を形成することができ、ひいては自然放出遷移により信号光を放出して、これを出射側光プローブ６４１へ供給することができる。
【０１３１】
このように、本発明を適用した光ゲート素子６は、入射される信号光を第１の量子ドット６１２により励起子に変換してこれを第２の量子ドット６１３へ注入する。また第２の量子ドット６１３を整流作用を持つＰＮ接合層６１５上に形成することにより、電圧制御部１６から印加される制御電圧Ｖに応じて２つの準位間で反転分布を形成して励起子を基底準位へ自然放出遷移させて光として放出させることができる。これにより、第３の量子ドット６１４へ移動する励起子数を減らすことができるため、当該第３の量子ドット６１４から放出される信号光の強度を抑えることができ、いわゆる光ゲートとして機能させることが可能となる。またこれらの量子ドット６１２，６１３，６１４は、それぞれナノスケールで構成され、ナノスケールで入力される信号光に対して光ゲートとして機能させることができるため、光ゲート素子全体をナノスケールサイズもの大きさまで微細化させることも可能となる。
【０１３２】
ちなみに上述した量子ドット６１２，６１３，６１４間の共鳴効果は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位による近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、第２の量子ドット６１３における２つの量子準位間で遷移確率を向上させることができるため、光損失を軽減させつつ、上述した光ゲート機能を実現させることができる。なおこの共鳴効果は、電子による共鳴トンネル効果も含まれる。
【０１３３】
この各量子ドット６１２，６１３，６１４の作製方法については、上述した各量子ドット１２、１３の作製方法の記載を引用し、説明を省略する。
【０１３４】
なお、本発明を適用した光ゲート素子６は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図２０に示すように、複数の量子ドットからなる他のナノ光デバイスと直接接続されていてもよい。すなわち回折限界以下の寸法でも動作する微小なナノ光デバイスが形成されている基板上に、本発明を適用した光ゲート素子を自在に形成することにより、ナノスケール大の光通信システムの実現化を促進することも可能となる。
【０１３５】
次に本発明を適用した波長変換素子７について説明をする。
【０１３６】
この波長変換素子７は、図２１に示すように、ＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板７１１と、基板７１１の表面上において形成されている第１の量子ドット７１２と、第１の量子ドット７１２の周囲において離散的に形成されている二つの第２の量子ドット７１３とからなる量子ドットグループ７２０とを備えている。
【０１３７】
量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。第１の量子ドット７１２は、入力される波長λ１の光を励起子に変換して、これを第２の量子ドット７１３へ注入する。第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１３から注入される励起子を基底準位へ自然放出遷移させてこれを光として放出し、或いは当該励起子を互いに授受する。
【０１３８】
この各量子ドット７１２，７１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット７１２，７１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。ちなみに、この量子ドットグループ７２０を構成する各量子ドット７１２，７１３は、通信帯域に対応させるべくＩｎＧａＡｓ等の材料系で構成してもよい。
【０１３９】
この各量子ドット７１２，７１３において、構成される材料系がＣｕＣｌの場合には、第１の量子ドット７１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の辺長が約６．３ｎｍである。また構成される材料系がＧａＮ又はＺｎＯの場合には、第１の量子ドット７１２の半径は約７．０ｎｍであり、また第２の量子ドット７１３の半径は約１０．０ｎｍである。すなわち、すなわち第２の量子ドット７１３は、第１の量子ドット７１２よりも大体積で構成され、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長（半径）の比は、およそ１：√２で表される。また、第２の量子ドット７１３は、後述する共鳴効果を効率よく発揮させるべく、通常、第１の量子ドット７１２を中心として半径３０ｎｍ以内の領域において、望ましくは半径１０ｎｍ以内の領域において、離散的に２つ形成されている。この２つ形成された第２の量子ドット７１３のうち、一方を第２の量子ドット７１３ａとし、他方を第２の量子ドット７１３ｂとする。
【０１４０】
このように量子ドットグループ７２０は、各量子ドット７１２、７１３をナノスケールで構成することにより、ナノスケールで入力される光の波長を変換することができ、或いは変換した光の波長をナノスケールで放出することができる。
【０１４１】
なお、これらの各量子ドット７１２、７１３の作製方法は、上述した各量子ドット１２、１３の記載を引用して説明を省略する。
【０１４２】
ちなみに、この量子ドットグループを構成する各量子ドット７１２，７１３に対しては、図１７に示すような入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１により光を入出力させる。
【０１４３】
入射側光プローブ６２１は、図示しない外部光源から光が供給される。この入射側光プローブ６２１は、図２１に示すように、突出部２１２を介して第１の量子ドット７１２へ、光をナノスケールで入力することができる。同様に出射側光プローブ６２１は、第２の量子ドット７１３から放出されるナノスケールの光を取り出してこれを外部へ搬送することができる。
【０１４４】
なお、この入射側光プローブ６２１、出射側光プローブ６４１は、図示しない光導波路に代替してもよい。この図示しない光導波路は、光源から供給される光を伝播して第１の量子ドット７１２へ供給し、或いは第２の量子ドット７１２から供給する光を外部へ伝搬する。この図示しない光導波路は、例えばＡｌやＡｕ等の細線を利用した金属導波路で構成し、伝播する光をプラズモンとして伝搬してもよい。
【０１４５】
次に、各量子ドット７１２，７１３のエネルギー準位について説明をする。図２２は、各量子ドット７１２、７１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。
【０１４６】
式（１）に基づき、各量子ドット７１２、７１３のＥ（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）を計算する。このとき、第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比は、およそ１：√２であるため、第１の量子ドット７１２における量子準位が（１，１，１）であるときのＥ１（１１１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位が（２，１，１）であるときのＥ２（２１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット７１２の量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）は、励起子のエネルギー準位が共鳴する関係にある。
【０１４７】
かかる共鳴が生じる場合おいて、見かけ上第１の量子ドット７１２から第２の量子ドット７１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット７１３の量子準位（２，１，１）へ移動した励起子は、さらに低準位である当該第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）へ遷移する。すなわち、この第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とは、相互に結合することになる。
【０１４８】
また、第１の量子ドット７１２において、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ１とのエネルギーギャップＥｇ１に応じた波長λ１の光を受光することにより、励起子を基底準位ｂ１から量子準位（１，１，１）へ励起させることができる。そして、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）へ励起された励起子は、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）へと結合してゆく。
【０１４９】
すなわち、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）における励起子の密度を、第２の量子ドット７１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生じさせることができ、第２の量子ドット７１３の量子準位（１，１，１）に遷移した励起子を基底準位へ自然放出遷移させることができる。かかる励起子の自然放出遷移が生じると、量子準位（１，１，１）と基底準位のエネルギー差に相当する波長の光が放出されることになる。なお第２の量子ドット７１３ａから放出される光の波長をλ２とし、第２の量子ドット７１３ｂから放出される光の波長をλ３とする。
【０１５０】
ここでエネルギー保存の法則の観点から、光が供給される第１の量子ドット７１２におけるＥｇ１は、光を放出する第２の量子ドット７１３ａの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、及び第２の量子ドット７１３ｂの量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ３とのエネルギーギャップＥｇ３の和に等しいことが必要となる。ここでエネルギーＥは、Ｅ＝ｈｃ／λで表されるため、エネルギー的に平衡を保つためには、Ｅｇ１に相当する波長λ１と、Ｅｇ２に相当する波長λ２及びＥｇ３に相当する波長λ３との間で、以下の（２）式に示す関係が成り立つことが必要となる。
１／λ１＝１／λ２＋１／λ３ ・・・・・・（２）
ちなみに、第１の量子ドット７１２は、第２の量子ドット７１３よりも体積が小さいため、同一の量子準位（１，１，１）であっても、λ１＜λ２となる。従って、１個のフォトンにより励起された１つの励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ２の光が放出されても、この第２の量子ドット７１３ａは、放出すべきエネルギーが余剰している状態にある。このため、第２の量子ドット７１３ａにある励起子は、さらに第２の量子ドット７１３ｂへと移動し、上述の如く２つの量子準位間で反転分布を形成して波長λ３の光を放出する。
【０１５１】
すなわち、第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）は、複数の第２の量子ドット７１３ａ、７１３ｂにおける量子準位（１，１，１）と相互に結合し、第１の量子ドット７１２において励起された励起子が第２の量子ドット７１３ａに移動して波長λ２の光が放出し、さらにエネルギー余剰分に相当する励起子が第２の量子ドット７１３ｂへ移動して波長λ３の光を放出することにより、エネルギー的に平衡を保つことができる。これにより、ナノスケールで入力される波長λ１の光を、互いに異なる波長λ２、λ３の光に変換して放出することが可能となる。
【０１５２】
このように本発明を適用した波長変換素子１では、体積が異なる各量子ドット７１２、７１３を基板７１１上に形成することにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第１の量子ドット７１２の量子準位と、複数の第２の量子ドット７１３の量子準位とを結合させることができる。これにより、１個のフォトンにより励起された１つの励起子を、エネルギー保存の法則を満たすように複数の第２の量子ドット７１３へ移動させ、それぞれにおいて形成された反転分布に応じた異なる波長の光を放出することができるため、入力された光の損失を抑えて高効率に波長変換することができる。またこの波長変換素子１を構成する各量子ドット７１２、７１３は、ナノメータサイズで構成されているため、ナノスケールで入力される光であっても効率よく波長変換することができる。
【０１５３】
なお、本発明を適用した波長変換素子７は、上述した実施の形態に限定されるものではない。上述の如く第１の量子ドット７１２における量子準位（１，１，１）と、第２の量子ドット７１３における量子準位（１，１，１）とを結合させて、励起子を移動させる場合のみならず、他の量子準位或いはサブレベルを介して励起子を移動させてもよい。
【０１５４】
また、第２の量子ドット７１３は、基板上７１１において２つ形成されている場合のみならず、３つ以上形成されていてもよい。これにより、ある一定の確率で量子準位間の結合を作り出すことができ、これらで波長変換させることで、多帯域にわたる光を作り出すことも可能となる。
【０１５５】
また第１の量子ドット７１２と第２の量子ドット７１３の辺長比も上述の如く１：√２に限定されるものではなく、第１の量子ドット７１２の体積が、第２の量子ドット７１３の体積よりも小さくなれば、いかなる辺長比であってもよい。また、各量子ドット７１２、７１３間で体積を変えて構成する場合のみならず、材質を変えることにより、量子準位のレベルを設定してもよい。このとき、例えば量子ドットの材質としてＩｎＧａＡｓを用いる場合には、Ｉｎの含有量を変化させることにより、構成してもよい。
【０１５６】
また第２の量子ドット７１３は、量子準位（１，１，１）と基底準位ｂ２とのエネルギーギャップＥｇ２、Ｅｇ３を、それぞれ体積や材質を変化させることにより、放出する光の波長λ２、λ３を設定し直すことも可能である。これにより、放出する光の波長λ２、λ３を同等にしてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の構成を示す図である。
【図２】量子ドットによる伝送路におけるエネルギバンド図である。
【図３】本発明を適用した量子ドットによる伝送路の他の構成を示す図である。
【図４】量子ドットの作製例について説明するための図である。
【図５】本発明を適用した光増幅器の構成を説明するための図である。
【図６】光増幅器におけるエネルギバンド図である。
【図７】本発明を適用した光増幅器の他の構成を説明するための図である。
【図８】本発明を適用した光発振器の構成を説明するための図である。
【図９】本発明に係る波長多重装置並びに波長分離装置が適用される光通信システムの構成を示した図である。
【図１０】本発明を適用した波長多重装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１１】波長多重装置における量子準位を説明するための図である。
【図１２】本発明を適用した波長多重装置の他の構成について説明するための図である。
【図１３】本発明を適用した波長分離装置の具体的な構成について説明するための図である。
【図１４】本発明を適用した波長分離装置の他の構成について説明するための図である。
【図１５】本発明を適用した近接場集光器の構成を説明するための図である。
【図１６】本発明を適用した近接場集光器の他の構成を説明するための図である。
【図１７】本発明を適用した光ゲート素子の構成を説明するための図である。
【図１８】光ゲート素子におけるエネルギバンド図である。
【図１９】ｐ−ＧａＮと、ｎ−ＧａＮを接合することにより得られるＰＮ接合層の詳細について説明するための図である。
【図２０】本発明を適用した光ゲート素子の他の構成について説明するための図である。
【図２１】本発明を適用した波長変換素子の構成を説明するための図である。
【図２２】波長変換素子におけるエネルギバンド図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 伝送路、２，３ 光増幅器、４ 光通信システム、５ 近接場集光器、６ 光ゲート素子、７ 波長変換素子、９ 光発振器、４３ 波長多重装置、４５ 波長分離装置、１２，２２，４３３，６１２，７１２ 第１の量子ドット、１３，２３，４３４，６１３，７１３ 第２の量子ドット、６１４ 第３の量子ドット、１１，２１，４３１，５１１，６１１，７１１ 基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の結晶により構成される基板と、
上記基板上に形成され、入射される信号光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１の量子ドットより大体積で形成され、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位より低準位であり上記励起子が遷移される第３のエネルギー準位を有する第２の量子ドットと、
上記基板上に形成され、上記第２のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第２の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される第４のエネルギー準位を有し、上記第４のエネルギー準位から放出される光を信号光として出射する第３の量子ドットと、
上記第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入するスイッチ制御手段とを備え、
上記第２の量子ドットは、上記基底準位に対して注入された励起子に応じて、上記第３のエネルギー準位と上記基底準位との間で反転分布を形成して、上記第３の量子準位から光を放出すること
を特徴とする光ゲート素子。
【請求項２】
上記スイッチ制御手段は、印加された電圧に応じて上記基底準位へ励起子を注入するＰＮ接合体であること
を特徴とする請求項１記載の光ゲート素子。
【請求項１】
導電性の結晶により構成される基板と、
上記基板上に形成され、入射される信号光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１の量子ドットより大体積で形成され、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位より低準位であり上記励起子が遷移される第３のエネルギー準位を有する第２の量子ドットと、
上記基板上に形成され、上記第２のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第２の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される第４のエネルギー準位を有し、上記第４のエネルギー準位から放出される光を信号光として出射する第３の量子ドットと、
上記第２の量子ドットにおける基底準位に対して励起子を注入するスイッチ制御手段とを備え、
上記第２の量子ドットは、上記基底準位に対して注入された励起子に応じて、上記第３のエネルギー準位と上記基底準位との間で反転分布を形成して、上記第３の量子準位から光を放出すること
を特徴とする光ゲート素子。
【請求項２】
上記スイッチ制御手段は、印加された電圧に応じて上記基底準位へ励起子を注入するＰＮ接合体であること
を特徴とする請求項１記載の光ゲート素子。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００６−２９３４０２（Ｐ２００６−２９３４０２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９５６９２（Ｐ２００６−１９５６９２）
【出願日】平成１８年７月１８日（２００６．７．１８）
【分割の表示】特願２００２−３２２９１３（Ｐ２００２−３２２９１３）の分割
【原出願日】平成１４年１１月６日（２００２．１１．６）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１８日（２００６．７．１８）
【分割の表示】特願２００２−３２２９１３（Ｐ２００２−３２２９１３）の分割
【原出願日】平成１４年１１月６日（２００２．１１．６）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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