JP2011141477A - Wavelength converting device and wavelength converting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長変換装置及び波長変換方法に関し、特に、単一光子の波長変換装置及び波長変換方法に関する。 The present invention relates to a wavelength conversion device and a wavelength conversion method, and more particularly to a single photon wavelength conversion device and a wavelength conversion method.
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に行われている。しかし、電子化された情報は複製が容易であり劣化もしないため、盗聴及び複製に対する安全性が問題となる。したがって、電子政府、電子商取引を含む次世代情報化社会を実現するには、安全で確実な暗号通信が必要となる。 With the recent penetration of the electronic information society, research on information and communication technology has been actively conducted. However, since the computerized information is easy to duplicate and does not deteriorate, security against eavesdropping and duplication becomes a problem. Therefore, in order to realize a next-generation information society including e-government and e-commerce, secure and reliable encryption communication is required.
暗号通信として、公開暗号鍵方式及び秘密暗号鍵方式が用いられている。一例として、RSA公開暗号鍵方式においては、非常に大きな数の素因数分解には膨大な時間を要するという計算量的側面に基づいて安全性が保証されている。ところが、現在研究が進められている量子計算機を用いると、Shorのアルゴリズムに基いて、素因数分解を並列計算できることが証明されている。量子計算機が実用化のレベルに達した合には、RSA暗号を解読するのに要する時間が飛躍的に短縮され、RSA暗号の安全性は保証されなくなる。したがって、現在用いられている公開暗号鍵方式及び秘密暗号鍵方式の安全性は完全なものとは言えない。 A public encryption key method and a secret encryption key method are used as encryption communication. As an example, in the RSA public encryption key method, security is guaranteed based on the computational aspect that enormous time is required for factoring a very large number. However, it has been proved that the prime factorization can be calculated in parallel based on the Shor algorithm by using a quantum computer that is currently being studied. When the quantum computer reaches a practical level, the time required to decrypt the RSA cipher is drastically reduced, and the security of the RSA cipher is not guaranteed. Therefore, the security of the public encryption key method and the secret encryption key method currently used cannot be said to be perfect.
このような安全性に関する問題を解決する手段として、量子暗号通信に対する期待が高まっている。量子暗号としてよく知られている方式は、“BB84型”プロトコルである。このプロトコルでは、光子1つの量子状態(例えば、偏光状態)に情報を載せて伝送する。これを盗聴するには、1光子状態を観測し、観測後の光子を伝送路に戻さなければならない。ところが、量子複製不可能定理(no−cloning定理)によると、量子状態を破壊することなく、情報を取り出したり、又は複製したりすることは不可能である。したがって、正しいビット情報を取り出した場合には、盗聴されたこと(すなわち、光子状態が破壊されたこと)が判明してしまう。 As a means for solving such security problems, expectations for quantum cryptography communication are increasing. A well-known scheme for quantum cryptography is the “BB84” protocol. In this protocol, information is loaded on one quantum state (for example, polarization state) and transmitted. In order to eavesdrop on this, it is necessary to observe the one-photon state and return the observed photon to the transmission line. However, according to the no-cloning theorem (no-cloning theorem), it is impossible to extract or duplicate information without destroying the quantum state. Therefore, when correct bit information is taken out, it is revealed that it has been wiretapped (that is, the photon state has been destroyed).
量子暗号通信を実用化するには、情報媒体である光子1個を規則正しく生成する単一光子発生器を実現することが重要となる。単一光子発生器として利用可能な物理系の候補として、例えば、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)が挙げられる。 In order to put quantum cryptography communication into practical use, it is important to realize a single photon generator that regularly generates one photon as an information medium. As physical system candidates that can be used as a single photon generator, for example, InAs self-formed quantum dots (Non-Patent Document 1), nitrogen defect color centers in diamond crystals (Non-Patent Document 2), CdSe colloidal quantum dots (Non-Patent Document 1) Patent document 3) is mentioned.
量子暗号通信に用いられる単一光子の伝送経路として、現在の情報ネットワークの基幹を成す光ファイバ網を利用することが考えられる。光ファイバにおける伝送損失を少なくするために、単一光子の波長を、1.3μm帯又は1.55μm帯(以下「通信波長帯」という)とすることが望ましい。 It is conceivable to use an optical fiber network that forms the backbone of the current information network as a single photon transmission path used in quantum cryptography communication. In order to reduce the transmission loss in the optical fiber, it is desirable that the wavelength of the single photon is 1.3 μm band or 1.55 μm band (hereinafter referred to as “communication wavelength band”).
通信波長帯の量子暗号においては、単一光子という微弱光を効率よく検出する技術も必要とされる。一般的な検出技術として、InGaAsのアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)を用いた技術が挙げられる。 In quantum cryptography in the communication wavelength band, a technique for efficiently detecting weak light called a single photon is also required. As a general detection technique, a technique using an InGaAs avalanche photodiode (APD) can be cited.
しかし、この手法によると、(1)量子効率が10%程度と低い、(2)ゲートパルスに同期した光子しか検出できない、(3)光子が来ていなくても誤ってカウントしてしまう暗計数が多い、(4)光子検出後のアフターパルスと呼ばれる過電流により、高速に検出を繰り返すことができない、等の問題がある。 However, according to this method, (1) the quantum efficiency is as low as about 10%, (2) only photons synchronized with the gate pulse can be detected, and (3) dark count that erroneously counts even if no photons have come. (4) The detection cannot be repeated at high speed due to an overcurrent called afterpulse after photon detection.
これらの問題を解決する方法として、波長変換に基づく光子検出法が挙げられる。この方法は、光通信波長帯の単一光子を、シリコンAPDで検出感度がある波長に変換するものである。具体的には、波長は1μm以下とし、量子効率を勘案すると、700〜800nm程度とする。この方法によると、(1)量子効率を50%以上とすることができる、(2)ゲート動作は不要である、(3)暗計数は1秒間に数10カウント程度と非常に低い、(4)アフターパルスの発生確率は無視できるほど小さい。したがって、波長変換に基く光子検出方法によると、上述の諸問題を解消することができる。 As a method for solving these problems, there is a photon detection method based on wavelength conversion. In this method, a single photon in the optical communication wavelength band is converted into a wavelength having a detection sensitivity by silicon APD. Specifically, the wavelength is set to 1 μm or less, and considering the quantum efficiency, the wavelength is set to about 700 to 800 nm. According to this method, (1) the quantum efficiency can be 50% or more, (2) no gate operation is required, (3) the dark count is as low as several tens of counts per second, (4 ) The after-pulse generation probability is negligibly small. Therefore, according to the photon detection method based on wavelength conversion, the above-mentioned problems can be solved.
なお、波長変換について、一例として、通信波長帯から800nm程度に変換する場合について述べたが、これに限られるものではない。一般に長距離伝送における伝送路は、光ファイバとすることが好ましい。しかし、数m〜数十m程度の近距離においては、伝播損失は小さく、むしろ光ファイバに基く計測機器の接続損失が大きい場合があり得る。したがって、空間光学系に基く測定器又は空間伝送を用いた方がよい場合もあり、この場合における波長として、可視光が用いられることが多い。このような短い距離の空間伝送と、長い距離の光ファイバ伝送とをつなぐ部分においては、単一光子レベルでの波長変換機能が必要とされる。 As an example of wavelength conversion, the case where the communication wavelength band is converted to about 800 nm has been described, but the present invention is not limited to this. In general, it is preferable that the transmission line in long-distance transmission is an optical fiber. However, at a short distance of about several meters to several tens of meters, the propagation loss is small, and rather the connection loss of the measuring device based on the optical fiber may be large. Therefore, it may be better to use a measuring instrument or spatial transmission based on a spatial optical system, and in this case, visible light is often used as the wavelength. A wavelength conversion function at a single photon level is required in a portion connecting such a short distance spatial transmission and a long distance optical fiber transmission.
量子暗号の帯域を広げるため、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)方式も検討されている。N個の波長を利用した場合には、1波長の場合と比較して、帯域をN倍とすることができるからである。この場合においても、チャネル(波長)間において信号を変換する際に、波長変換技術が必要とされる。 In order to widen the bandwidth of quantum cryptography, a wavelength division multiplexing (WDM) system is also being studied. This is because when N wavelengths are used, the bandwidth can be increased N times compared to the case of one wavelength. Even in this case, a wavelength conversion technique is required when converting a signal between channels (wavelengths).
以上より、量子情報通信において単一光子の波長変換装置が必要とされることが分かる。 From the above, it can be seen that a single photon wavelength converter is required in quantum information communication.
単一光子の波長変換に関する従来技術として、非線形光学結晶を用いた方法が知られている(特許文献1)。図8は、特許文献1に記載された波長変換方法を実現するための構成を示す。入力単一光子(周波数ωIN、波長にして1550nmに相当する)とポンプ光(周波数ωp)とを、ビームスプリッタや光カプラ等を用いて同軸上に重ね合わせ、非線形光学結晶40に入射する。非線形光学結晶40として、周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)等が用いられる。結晶中の2次非線形光学効果である和周波発生により、通信波長帯の入力単一光子43は、可視光の領域の出力単一光子44(周波数ωOUT)に波長変換される。ここで、エネルギー保存則より、各周波数は、ωOUT=ωIN+ωpを満たす。
As a conventional technique related to wavelength conversion of a single photon, a method using a nonlinear optical crystal is known (Patent Document 1). FIG. 8 shows a configuration for realizing the wavelength conversion method described in
波長変換の効率は、非線形光学結晶40の分極反転の最適化により、80%以上にもなることが知られている。このようにして可視光波長帯に波長を変換することで、上述のシリコンAPDを用いた高量子効率・低暗計数の単一光子検出が可能となる。
It is known that the efficiency of wavelength conversion becomes 80% or more by optimizing the polarization inversion of the nonlinear
しかし、この方法によると、変換後の信号光とポンプ光の分離に関して問題が生じる。和周波発生の効率は、ポンプ光強度と入力単一光子強度の積に比例するが、単一光子は非常に弱い強度であるため、80%以上の量子効率を実現するためにはポンプ光強度を相当強くする必要がある。しかしながら、ポンプ光45が波長変換した出力単一光子44に混ざると、信号対雑音比(S/N比)を低下させてしまうため、ポンプ光45の混入を避ける必要がある。
However, according to this method, a problem arises regarding separation of the converted signal light and pump light. The efficiency of the sum frequency generation is proportional to the product of the pump light intensity and the input single photon intensity. However, since the single photon is very weak, the pump light intensity is required to achieve a quantum efficiency of 80% or more. Need to be considerably stronger. However, when the
信号光とポンプ光45は、図8に示すように同一の方向に伝搬するため、非線形光学結晶40の後段において、プリズム41及びバンドパスフィルタ42を複数用いて、強いポンプ光45を除去しなければならない。ポンプ光45が出力単一光子44に混入するとS/N比が低下するため、精密な光学経路の調整が必要となる。また、フィルタ等の光学部品は出力単一光子44に対しても有限の光学損失を持つため、結果として、装置全体としての波長変換効率が低下する。
Since the signal light and the
さらに、光ファイバに基いた装置においては、ポンプ光のラマン散乱によるS/N比の低下も起こり得る。強いポンプ光が光ファイバ中を伝播すると、ラマン散乱と呼ばれるフォノンを介した非弾性散乱によって、出力単一光子と同一の波長の光に散乱される。プリズムやバンドパスフィルタによって同一の波長の光を取り除くことはできないため、本来発生すべきでない光子が生ずることによりS/N比が低下する。 Further, in an apparatus based on an optical fiber, the S / N ratio may be lowered due to Raman scattering of pump light. When strong pump light propagates through the optical fiber, it is scattered by light having the same wavelength as the output single photon by inelastic scattering via phonons called Raman scattering. Since the light of the same wavelength cannot be removed by the prism or the band pass filter, the S / N ratio is lowered by generating photons that should not be generated.
このように、装置の複雑化、S/N比の低下等を招くことなく、1光子レベルの微弱光の波長変換を行う方法は、これまでに知られていない。 Thus, a method for performing wavelength conversion of weak light at the level of one photon without complicating the apparatus and lowering the S / N ratio has not been known so far.
そこで、単一光子の波長変換において、信号対雑音比(S/N比)の低下を防ぐことが課題となる。本発明の目的は、かかる課題を解決する波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。 Therefore, in the wavelength conversion of single photons, it is a problem to prevent a decrease in signal-to-noise ratio (S / N ratio). The objective of this invention is providing the wavelength converter and wavelength conversion method which solve this subject.
本発明の第1の視点に係る波長変換装置は、
互いに結合した第1の量子ドット及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第1の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しい。
The wavelength converter according to the first aspect of the present invention is:
A coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
An optical resonator containing the coupled quantum dots;
A voltage controller for controlling a voltage applied to the coupled quantum dots,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the first quantum dot and the energy level of the other carrier matches the energy of the incident single photon,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot And the energy level of the carrier in the second quantum dot having a polarity different from that of the carrier is equal to the resonance energy of the optical resonator.
本発明の第2の視点に係る波長変換方法は、
互いに結合した第1の量子ドット及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットに印加する電圧を制御する工程と、
前記第1の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を1個ずつ生成する工程とを含み、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しい。
The wavelength conversion method according to the second aspect of the present invention is:
Controlling a voltage applied to a coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
Absorbing the incident single photon into the first quantum dot to generate one electron and one hole each.
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot And the energy level of a carrier having a polarity different from that of the carrier in the second quantum dot is equal to the resonance energy of the optical resonator containing the coupled quantum dot.
本発明に係る波長変換装置及び波長変換方法によると、単一光子の波長変換において、信号対雑音比(S/N比)の低下を防ぐことができる。 According to the wavelength conversion device and the wavelength conversion method according to the present invention, it is possible to prevent a decrease in signal-to-noise ratio (S / N ratio) in wavelength conversion of a single photon.
本発明の第1の展開形態によると、上記第1の視点に係る波長変換装置が提供される。 According to the first development form of the present invention, the wavelength conversion device according to the first aspect is provided.
ここで、結合された量子ドット(結合量子ドット)とは、一方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数と、他方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数とが重なる程度互いに近接した、複数の量子ドットのことをいう。 Here, the coupled quantum dots (coupled quantum dots) are a wave function of electrons or holes bound to one quantum dot and a wave function of electrons or holes bound to the other quantum dot. A plurality of quantum dots that are close enough to each other to overlap.
入力単一光子が結合量子ドットに吸収されると、通常は1ns程度の時間スケールで同じ波長の単一光子が放出される。ところが、内部に結合量子ドットを含む光共振器がこの波長での発光を抑制し、光吸収により生成された電子と、光吸収の前に注入された正孔、もしくは、光吸収により生成された正孔と光吸収の前に注入された電子との発光再結合を促進するため、入力単一光子とは異なる波長の出力単一光子が得られる。 When an input single photon is absorbed by a coupled quantum dot, a single photon of the same wavelength is usually emitted on a time scale of about 1 ns. However, an optical resonator containing coupled quantum dots inside suppresses light emission at this wavelength, and electrons generated by light absorption and holes injected before light absorption or generated by light absorption. In order to promote luminescence recombination between holes and electrons injected before light absorption, an output single photon with a wavelength different from the input single photon is obtained.
本発明の第2の展開形態によると、前記第2の量子ドットに正孔を1個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成した場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to the second development form of the present invention, one hole is injected into the second quantum dot, and the input single photon is absorbed so that one electron and hole is contained in the first quantum dot. When generated one by one, electrons in the first quantum dot and holes in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having energy equal to the resonance energy. A wavelength converter is provided.
本発明の第3の展開形態によると、前記第2の量子ドットに電子を1個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成した場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to the third embodiment of the present invention, one electron is injected into the second quantum dot, and one electron and a hole are absorbed in the first quantum dot by absorbing the input single photon. When generated one by one, holes in the first quantum dot and electrons in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having energy equal to the resonance energy. A wavelength converter is provided.
本発明の第4の展開形態によると、前記第2の量子ドットに正孔を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to the fourth embodiment of the present invention, one hole is injected into the second quantum dot, the input single photon is absorbed, and one electron and hole are contained in the first quantum dot. When the electrons in the first quantum dot are made to coincide with each other and the energy levels of the electrons in the first and second quantum dots are made to coincide with each other, the electrons in the first quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonance tunnel. Provides a wavelength conversion device in which electrons and holes in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
結合量子ドット中に光吸収によって電子・正孔を生成した後、電子をドット間で共鳴トンネルにより移動させ、光共振器との共鳴によって同じドット内の電子・正孔の発光再結合を促進させることにより、入力単一光子とは別の波長の出力単一光子を得ることができる。 After electrons and holes are generated in the coupled quantum dot by light absorption, electrons are moved between the dots by a resonant tunnel, and the recombination with the optical resonator promotes the luminescence recombination of electrons and holes in the same dot. Thus, an output single photon having a wavelength different from that of the input single photon can be obtained.
結合量子ドットを構成する量子ドットは2個に限られるものではなく、3個以上で以上であっても構わない。このとき、電子は隣接する量子ドット間を順次共鳴トンネルさせる。 The number of quantum dots constituting the coupled quantum dot is not limited to two, and may be three or more. At this time, the electrons sequentially resonate between adjacent quantum dots.
本発明の第5の展開形態によると、前記第2の量子ドットに電子を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to the fifth development of the present invention, one electron is injected into the second quantum dot, the input single photon is absorbed, and one electron and one hole are contained in the first quantum dot. And the energy levels of the holes in the first and second quantum dots are matched so that the holes in the first quantum dot are moved to the second quantum dot through a resonant tunnel. In some cases, a wavelength conversion device is provided in which electrons and holes in the second quantum dot are recombined to produce an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
本発明の第6の展開形態によると、 前記入力単一光子を吸収させて第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to the sixth development of the present invention, the input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and in the first and second quantum dots When the energy levels of the electrons are matched and the electrons in the first quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonant tunnel, the holes in the first quantum dot and the first quantum dot are moved. A wavelength conversion device is provided that recombines with electrons in two quantum dots to produce an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
本発明の第7の展開形態によると、前記入力単一光子を吸収させて第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。 According to a seventh development of the present invention, the input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and in the first and second quantum dots When holes in the first quantum dot are moved to the second quantum dot through a resonance tunnel by matching the energy levels of the holes, the electrons in the first quantum dot and the electron in the first quantum dot A wavelength conversion device is provided that recombines with holes in a second quantum dot to produce an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
本発明の第8の展開形態によると、前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むi型半導体層は、屈折率の異なる2種類の半導体多層膜を有するp型分布ブラッグ反射鏡とn型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれている、波長変換装置が提供される。 According to an eighth development of the present invention, in the optical resonator, the i-type semiconductor layer including the coupled quantum dots includes a p-type distributed Bragg reflector having two types of semiconductor multilayer films having different refractive indexes and an n-type. There is provided a wavelength converter sandwiched between distributed Bragg reflectors.
本発明の第9の展開形態によると、前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたn型又はp型分布ブラッグ反射鏡と、前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えている、波長変換装置が提供される。 According to the ninth embodiment of the present invention, the optical resonator can be moved independently of the coupled quantum dots and the n-type or p-type distributed Bragg reflector integrated with the coupled quantum dots. There is provided a wavelength conversion device including a reflecting mirror.
本発明の第10の展開形態によると、上記第2の視点に係る波長変換方法が提供される。 According to a tenth embodiment of the present invention, there is provided a wavelength conversion method according to the second aspect.
本発明によれば、結合量子ドットと光共振器との組合せにより、入力単一光子とは波長の異なる出力単一光子を発生させることができ、従来技術のように強いポンプ光の影響で出力単一光子のS/N比が低下することが原理的にないため、従来よりも通信速度を速く、高い信頼性をもつ量子暗号通信が可能となる。本発明によれば、S/N比を低下させることなく単一光子の波長変換装置を得ることができ、量子暗号通信の帯域を拡大することができる。 According to the present invention, an output single photon having a wavelength different from that of an input single photon can be generated by a combination of a coupled quantum dot and an optical resonator. Since the S / N ratio of a single photon does not decrease in principle, it is possible to perform quantum cryptography communication with a higher communication speed and higher reliability than before. According to the present invention, it is possible to obtain a single photon wavelength conversion device without reducing the S / N ratio, and it is possible to expand the bandwidth of quantum cryptography communication.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、第1の実施形態である波長変換装置を示した模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a wavelength conversion apparatus according to the first embodiment.
図1において、波長変換装置は、n型DBR(n型にドープされた分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector))14、第1の量子ドット10と第2の量子ドット11とを含むi型(intrinsic)共振器層15、p型DBR16と、これらを挟むようにして配置された下部電極13と、上部電極17により構成される。上部電極には、レンズ19を介して単一光子を入出力するための微小開口18が形成されている。ここに示した半導体部分は、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等によって、n型基板12上に図面下の部分から成膜される。
In FIG. 1, the wavelength conversion device includes an n-type DBR (distributed Bragg reflector (DBR) 14 doped to n-type), a
図1を参照すると、積層平面内に光を閉じ込めるために、半導体はピラー型の形状を有し、その直径は2〜10μm程度である。電子線リソグラフィー又は光学露光法と、ドライエッチング技術とによって、このような形状に加工することができる。 Referring to FIG. 1, the semiconductor has a pillar shape in order to confine light in the stacking plane, and its diameter is about 2 to 10 μm. It can be processed into such a shape by electron beam lithography or an optical exposure method and a dry etching technique.
一例として、n型基板はSiはドープされたGaAsとし、n型DBRはSiがドープされたGaAsとAlAsが交互に積層された多層膜とし、i型共振器はノンドープのGaAsとし、量子ドットはInAsとし、p型DBRはBeがドープされたGaAsとAlAsが交互に積層された多層膜とすることができる。 As an example, the n-type substrate is Si-doped GaAs, the n-type DBR is a multilayer film in which Si-doped GaAs and AlAs are alternately stacked, the i-type resonator is non-doped GaAs, and the quantum dots are The p-type DBR may be a multilayer film in which GaAs doped with Be and AlAs are alternately stacked.
第1の量子ドット10は、i型共振器層15のほぼ中央部分に自己成長により形成され、さらにその上に、第2の量子ドット11が、自己成長により形成される。第1の量子ドット10と第2の量子ドットとは近接して互いに結合しており、結合量子ドット100を形成する。ここで、2つの量子ドットが結合されているとは、一方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数と、他方の量子ドットに束縛された電子又は正孔の波動関数との間に有限の重なりが生じる程度、量子ドットが近接していることをいう。典型的な量子ドット間の距離は5〜10nm程度である。
The
また、DBRは、屈折率の異なる媒質を(n1、n2とする)、反射させたい光波長λに対してそれぞれλ/4n1、λ/4n2の膜厚で交互に積層した構造である。積層数を増やすにつれて高い反射率が得られる。本実施形態において、GaAsとAlAsを構成媒質と想定すると、10〜20対(20〜40層)程度が必要とされる。 The DBR has a structure in which media having different refractive indexes (referred to as n1 and n2) are alternately stacked with film thicknesses of λ / 4n1 and λ / 4n2 with respect to the light wavelength λ desired to be reflected. As the number of layers is increased, a higher reflectance can be obtained. In this embodiment, assuming GaAs and AlAs as the constituent media, about 10 to 20 pairs (20 to 40 layers) are required.
n型DBR14とp型DBR16は、i型共振器層15に光を強く閉じ込める光共振器を構成し、そのピラーの直径とi型共振器層の厚さ等によって決まる共振器エネルギーは、後述する出力単一光子のエネルギーに一致するように設計される。このとき、共振器電場と結合量子ドット100とが相互作用をするように、電場振幅の最大の位置付近に結合量子ドットを配置する必要がある。
The n-
上部電極17は、p型DBR16の上に金属蒸着等によって作製される。下部電極13は、n型基板12にコンタクトされている。上部電極17と下部電極13の間に印加する電圧を適切に制御することにより、n型DBR14から第1の量子ドット10に電子を1個注入する、又はp型DBR16から第2の量子ドット11に正孔を1個注入することが可能となる。また、この印加電圧制御により、第1の量子ドット10と第2の量子ドット11の電子エネルギー又は正孔エネルギーを一致させることもできる。さらには、波長変換後結合量子ドット内に残った電子又は正孔を除去(すなわち、結合量子ドット内のキャリアを初期化)することもできる。
The
次に、動作原理を説明する。量子ドットの電子又は正孔のエネルギーと入力単一光子のエネルギーとの間の関係、及び、キャリアの量子ドット間の移動の有無によって、様々なバリエーションが考えられる。 Next, the principle of operation will be described. Various variations are conceivable depending on the relationship between the energy of the electron or hole of the quantum dot and the energy of the input single photon, and the presence or absence of the movement of the carrier between the quantum dots.
図2は、第1の実施形態に係る波長変換装置の動作について説明する図である。図2は、結合量子ドット100近傍における電子及び正孔のエネルギーダイアグラムを示す。なお、動作を説明するために必要とされない部分については、エネルギーダイアグラムの構造を簡略化して示した。価電子バンド20及び伝導バンド21が斜めになっているのは、p−i−n構造におけるビルトイン電圧と、上部電極17と下部電極13間への印加電圧によるものである。白丸は正孔22を、黒丸は電子23を示す。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the wavelength conversion device according to the first embodiment. FIG. 2 shows an energy diagram of electrons and holes in the vicinity of the coupled
第1の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC1及びEV1とする。また、第2の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC2及びEV2とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=EC1−EV2とする。 The energies of electrons and holes bound to the first quantum dots are EC1 and EV1, respectively. In addition, the energy of electrons and holes bound to the second quantum dots are EC2 and EV2, respectively. Here, it is assumed that the resonance energy of the optical resonator is ΔE = EC1−EV2.
単一光子の波長変換(エネルギー変換)動作は、次の手順で行う。 The single photon wavelength conversion (energy conversion) operation is performed by the following procedure.
(a)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第2の量子ドット11に正孔を1個注入する。
(A) One hole is injected into the
(b)エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子24が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(B) The input single photon 24 whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the first
(c)光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーEC1−EV1の発光を抑制し、共鳴するエネルギーEC1−EV2の発光を促進する(パーセル効果)ため、第1の量子ドット10内の電子と第2の量子ドット11内の正孔とが再結合して、エネルギーEC1−EV2の出力単一光子25を発生する。
(C) The optical resonator suppresses light emission of energy EC1-EV1 deviating from resonator resonance and promotes light emission of resonant energy EC1-EV2 (Parcel effect). The electrons and the holes in the
(d)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10内に残っている正孔1個を結合量子ドット100から除去するか、又は第2の量子ドット11に移動させる。
(D) By setting a voltage applied between the
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子が、エネルギーEC1−EV2の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はEV1−EV2となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 By repeating the above operation, the input single photon of energy EC1-EV1 is converted into the output single photon of energy EC1-EV2. At this time, the energy change amount of the single photon becomes EV1-EV2, and the wavelength change of the single photon corresponding to this is realized.
上記の動作によると、従来のような強いポンプ光は使用とされないことから、S/N比の低下を防ぐことができる。また、共振器構造を採用することにより、入力光子が量子ドットに吸収される効率、及び出力光子が取り出される効率を高くすることができる。 According to the above operation, since the strong pump light as in the conventional case is not used, it is possible to prevent the S / N ratio from being lowered. Further, by adopting the resonator structure, it is possible to increase the efficiency with which the input photons are absorbed by the quantum dots and the efficiency with which the output photons are extracted.
動作原理から分かるように、波長変換の波長は量子ドットのエネルギー準位によって決定される。量子ドットのエネルギー準位は、ドットを構成する物質、大きさ等によって決まる。したがって、物質の選定や形状の設計によって、波長変換装置の動作波長を制御することができる。 As can be seen from the operating principle, the wavelength of wavelength conversion is determined by the energy level of the quantum dots. The energy level of a quantum dot is determined by the material and size of the dot. Therefore, the operating wavelength of the wavelength conversion device can be controlled by selecting the substance and designing the shape.
(実施形態2)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図3は、結合量子ドット100近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態の波長変換方法は、第1の実施形態に係る波長変換装置の動作とは、電子と正孔の役割が入れ替わっている点で相違する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a diagram for explaining a wavelength conversion method according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 shows an energy diagram of electrons and holes in the vicinity of the coupled
第1の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC1及びEV1とする。また、第2の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC2及びEV2とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=EC1−EV2とする。 The energies of electrons and holes bound to the first quantum dots are EC1 and EV1, respectively. In addition, the energy of electrons and holes bound to the second quantum dots are EC2 and EV2, respectively. Here, it is assumed that the resonance energy of the optical resonator is ΔE = EC1−EV2.
(a)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第2の量子ドット11に電子を1個注入する。
(A) One electron is injected into the
(b)エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子24が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(B) The input single photon 24 whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the first
(c)光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーEC1−EV1の発光を抑制し、共鳴するエネルギーEC2−EV1の発光を促進するため、第2の量子ドット11内の電子と第1の量子ドット10内の正孔とが再結合して、エネルギーEC2−EV1の出力単一光子25を発生する。
(C) The optical resonator suppresses light emission of energy EC1-EV1 deviating from resonator resonance and promotes light emission of energy EC2-EV1 that resonates, so that the electrons in the
(d)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10内に残っている電子1個を、結合量子ドット100から除去するか、又は第2の量子ドット11に移動させる。
(D) By setting the voltage applied between the
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子が、エネルギーEC2−EV1の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はEC2−EC1となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 By repeating the above operation, an input single photon of energy EC1-EV1 is converted into an output single photon of energy EC2-EV1. At this time, the energy change amount of the single photon becomes EC2-EC1, and the wavelength change of the single photon corresponding to this is realized.
(実施形態3)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図4は、結合量子ドット100近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a diagram for explaining a wavelength conversion method according to the third embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an energy diagram of electrons and holes in the vicinity of the coupled
第1の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC1及びEV1とする。また、第2の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC2及びEV2とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=EC2−EV2とする。 The energies of electrons and holes bound to the first quantum dots are EC1 and EV1, respectively. In addition, the energy of electrons and holes bound to the second quantum dots are EC2 and EV2, respectively. Here, it is assumed that the resonance energy of the optical resonator is ΔE = EC2−EV2.
(a)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第2の量子ドット11へ正孔を1個注入する。
(A) One hole is injected into the
(b)エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子24が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(B) The input single photon 24 whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the first
(c)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10及び第2の量子ドット11の電子エネルギーを一致させ、第1の量子ドット中にある電子を共鳴トンネル現象によって第2の量子ドットに移動させる。
(C) By setting the voltage applied between the
(d)光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーEC1−EV1及びEC1−EV2の発光を抑制し、共鳴するエネルギーEC2−EV2の発光を促進するため、第2の量子ドット11内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーEC2−EV2の出力単一光子25を発生する。
(D) The optical resonator suppresses the emission of energy EC1-EV1 and EC1-EV2 deviating from the resonator resonance, and promotes the emission of the resonant energy EC2-EV2. The electrons and holes recombine to generate an output
(e)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10内に残っている正孔1個を、結合量子ドット100から除去するか、又は第2の量子ドット11に移動させる。
(E) Removing one hole left in the
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子が、エネルギーEC2−EV2の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はEC2−EC1+EV1−EV2となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 By repeating the above operation, an input single photon of energy EC1-EV1 is converted into an output single photon of energy EC2-EV2. At this time, the energy change amount of the single photon is EC2−EC1 + EV1−EV2, and the wavelength change of the single photon corresponding to this is realized.
(実施形態4)
図5は、本発明の第4の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図5は、結合量子ドット100近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態の波長変換方法は、第3の実施形態に係る波長変換方法とは、電子と正孔の役割が入れ替わっている点で相違する。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a diagram for explaining a wavelength conversion method according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 shows an energy diagram of electrons and holes in the vicinity of the coupled
第1の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC1及びEV1とする。また、第2の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC2及びEV2とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=EC1−EV1とする。 The energies of electrons and holes bound to the first quantum dots are EC1 and EV1, respectively. In addition, the energy of electrons and holes bound to the second quantum dots are EC2 and EV2, respectively. Here, it is assumed that the resonance energy of the optical resonator is ΔE = EC1−EV1.
(a)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第2の量子ドット11へ電子を1個注入する。
(A) One electron is injected into the
(b)エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子24が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(B) The input single photon 24 whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the first
(c)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10及び第2の量子ドット11の正孔エネルギーを一致させ、第1の量子ドット10中にある正孔を共鳴トンネル現象によって第2の量子ドット11に移動させる。
(C) By setting the voltage applied between the
(d)光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーEC1−EV1及びEC1−EV2の発光を抑制し、共鳴するエネルギーEC2−EV2の発光を促進するため、第2の量子ドット10内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーEC2−EV2の出力単一光子25を発生する。
(D) The optical resonator suppresses the emission of energy EC1-EV1 and EC1-EV2 deviating from the resonator resonance, and promotes the emission of the resonant energy EC2-EV2. The electrons and holes recombine to generate an output
(e)上部電極17と下部電極13間への印加電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10内に残っている電子1個を結合量子ドット100から除去するか、又は第2の量子ドット11に移動させる。
(E) removing one electron remaining in the
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子が、エネルギーEC2−EV2の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はEC2−EC1+EV1−EV2となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 By repeating the above operation, an input single photon of energy EC1-EV1 is converted into an output single photon of energy EC2-EV2. At this time, the energy change amount of the single photon is EC2−EC1 + EV1−EV2, and the wavelength change of the single photon corresponding to this is realized.
(実施形態5)
実施形態3においては、結合量子ドット100を構成する量子ドットは2個としていたが、3個以上の隣接する量子ドットが互いに結合した系でも同様の動作が可能である。量子ドットをn型ドープ層側から第1、第2、…、第Nの量子ドットとする。ただし、Nは3以上の整数である。
(Embodiment 5)
In
第Nの量子ドット中の電子エネルギーをECNとし、正孔エネルギーをECVとする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=ECN−EVNとする。 The electron energy in the Nth quantum dot is ECN, and the hole energy is ECV. Here, the resonance energy of the optical resonator is ΔE = ECN−EVN.
(a)第Nの量子ドットに正孔を注入した状態を準備し、エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(A) A state in which holes are injected into the Nth quantum dot is prepared, and an input single photon whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the
(b)共鳴トンネル現象を利用して、第1の量子ドット中にある電子を第2の量子ドット、第3のドット、…、と繰り返し移動させて、第Nの量子ドットまで移動させる。 (B) Using the resonant tunneling phenomenon, electrons in the first quantum dot are repeatedly moved to the second quantum dot, the third dot,..., And moved to the Nth quantum dot.
(c)光共振器は、共鳴するエネルギーECN−EVNの発光のみを促進するため、第Nの量子ドット内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーECN−EVNの出力単一光子を発生する。 (C) Since the optical resonator promotes only light emission of the resonant energy ECN-EVN, electrons and holes in the Nth quantum dot are recombined to generate an output single photon of energy ECN-EVN. appear.
したがって、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子は、エネルギーEC2−EV2の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はECN−EC1+EV1−EVNとなり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 Thus, an input single photon with energy EC1-EV1 is converted to an output single photon with energy EC2-EV2. At this time, the energy change amount of the single photon is ECN−EC1 + EV1−EVN, and the single photon wavelength change corresponding to this is realized.
(実施形態6)
本発明の第6の実施形態に係る波長変換方法について説明する。本実施形態の波長変換方法は、第5の実施形態に係る波長変換方法において、電子と正孔の役割を入れ替えることによって得られる。なお、本実施形態は、第4の実施形態に係る波長変換方法において、結合量子ドットを構成する量子ドットを2個から3個以上の量子ドットに拡張したものと考えることもできる。
(Embodiment 6)
A wavelength conversion method according to the sixth embodiment of the present invention will be described. The wavelength conversion method of this embodiment is obtained by switching the roles of electrons and holes in the wavelength conversion method according to the fifth embodiment. In addition, this embodiment can also be considered that the wavelength dot which concerns on 4th Embodiment expands the quantum dot which comprises a coupled quantum dot from 2 pieces to 3 or more quantum dots.
(実施形態7)
図6は、本発明の第7の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図6は、結合量子ドット100近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態においては、第1乃至第6の実施形態とは異なり、結合量子ドットに予め電子又は正孔を注入する必要はない。
(Embodiment 7)
FIG. 6 is a diagram for explaining a wavelength conversion method according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 6 shows an energy diagram of electrons and holes in the vicinity of the coupled
第1の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC1及びEV1とする。また、第2の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれEC2及びEV2とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔE=EC2−EV1とする。 The energies of electrons and holes bound to the first quantum dots are EC1 and EV1, respectively. In addition, the energy of electrons and holes bound to the second quantum dots are EC2 and EV2, respectively. Here, it is assumed that the resonance energy of the optical resonator is ΔE = EC2−EV1.
(a)エネルギーがEC1−EV1に一致する入力単一光子24が第1の量子ドット10に吸収されることで、電子と正孔が1個ずつ生成される。
(A) The input single photon 24 whose energy coincides with EC1-EV1 is absorbed by the
(b)上部電極17と下部電極13との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第1の量子ドット10及び第2の量子ドット11の電子エネルギーを一致させ、第1の量子ドット中にある電子を共鳴トンネル現象によって第2の量子ドットに移動させる。
(B) By setting the voltage applied between the
(c)光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーEC1−EV1やの発光を抑制し、共鳴するエネルギーEC2−EV1の発光を促進するため、第1の量子ドット10内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーEC2−EV1の出力単一光子25を発生する。
(C) The optical resonator suppresses the emission of energy EC1-EV1 or the like deviating from the resonator resonance, and promotes the emission of the resonant energy EC2-EV1. The holes recombine to generate an output
この動作により、エネルギーEC1−EV1の入力単一光子が、エネルギーEC2−EV1の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はEC2−EC1となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。 This operation converts the input single photon of energy EC1-EV1 into an output single photon of energy EC2-EV1. At this time, the energy change amount of the single photon becomes EC2-EC1, and the wavelength change of the single photon corresponding to this is realized.
(実施形態8)
本実施形態7において、第1の量子ドットと第2の量子ドットの役割を入れ替えてもよい。また、共鳴トンネルによって移動させるキャリアは電子であっても正孔であってもよい。このとき、光共振器の共鳴エネルギーは、所望の出力単一光子のエネルギーに一致するように設計しなければならない。
(Embodiment 8)
In the seventh embodiment, the roles of the first quantum dot and the second quantum dot may be interchanged. The carriers moved by the resonant tunnel may be electrons or holes. At this time, the resonance energy of the optical resonator must be designed to match the energy of the desired output single photon.
(実施形態9)
第1乃至第8の実施形態において、入力を単一光子としていた。2個以上の入力光子がある場合には、光子1個は量子ドットに吸収されて電子・正孔を生成するが、それ以上に入力光子が吸収されることはない。これは、電子や正孔といったフェルミ粒子はパウリの排他律によって同一の量子状態を占有することができないからである。したがって、吸収される光子以外は量子ドットを透過することになる。この場合であっても、出力は波長変換された単一光子となる。したがって、第1乃至第8の実施形態において、入力光子は単一光子に限定されるものではない。
(Embodiment 9)
In the first to eighth embodiments, the input is a single photon. When there are two or more input photons, one photon is absorbed by the quantum dot to generate electrons and holes, but no more input photons are absorbed. This is because fermions such as electrons and holes cannot occupy the same quantum state due to Pauli exclusion. Therefore, other than the absorbed photons pass through the quantum dot. Even in this case, the output is a single photon wavelength-converted. Therefore, in the first to eighth embodiments, the input photon is not limited to a single photon.
(実施形態10)
図7は、本発明の第10の実施形態に係る波長変換装置の構成を模式的に示す図である。
(Embodiment 10)
FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of the wavelength conversion device according to the tenth embodiment of the present invention.
図7を参照すると、波長変換装置は、n型DBR14、第1の量子ドット10と第2の量子ドット11とを含むi型共振器層15、これらを挟むようにして配置された下部電極13と、上部電極17、及び反射鏡30により構成される。上部電極には、入出力単一光子が透過するための微小開口18が形成されている。第1の実施の形態との相違点は、i型共振器層15と一体となったn型DBR14と、これらとは一体ではない(独立な)反射鏡30により光共振器が構成されている点である。本実施形態の波長変換装置においても、電子又は正孔を結合量子ドットに注入し、入力単一光子を吸収させることによって、上記の第1乃至第9の実施形態に示された手法と同様に、波長変換された出力単一光子が得られる。
Referring to FIG. 7, the wavelength converter includes an n-
共振器の共鳴周波数は、結合量子ドットの所定のエネルギー差に一致させなければならない。本実施形態の波長変換装置によると、結合量子ドット100と同一の基板上に形成されたn型DBR14とは独立に、反射鏡30を動かすことができ、反射鏡30とn型DBR14との間の距離を機械的に微調整することができる。したがって、本実施形態の波長変換装置によると、製造過程等で生じた誤差を微調整することができる。
The resonant frequency of the resonator must match the predetermined energy difference of the coupled quantum dots. According to the wavelength conversion device of the present embodiment, the reflecting
本実施形態は、n型基板とn型DBRを用いているため、結合量子ドット内に電子を注入する必要のある、第2、第4及び第6の実施形態に適用することができる。結合量子ドット内に正孔を注入する必要のある第1、第3及び第5の実施形態に適用する場合には、n型基板及びn型DBRの代わりに、p型基板、p型DBRを用いればよい。 Since this embodiment uses an n-type substrate and an n-type DBR, it can be applied to the second, fourth, and sixth embodiments in which electrons need to be injected into the coupled quantum dots. When applied to the first, third and fifth embodiments where holes need to be injected into the coupled quantum dots, a p-type substrate and a p-type DBR are used instead of the n-type substrate and the n-type DBR. Use it.
なお、上記の非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 Each disclosure of the above non-patent document is incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations and selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
本発明に係る単一光子の波長変換装置及び波長変換方法は、量子暗号通信において用いることができる。 The single photon wavelength conversion device and the wavelength conversion method according to the present invention can be used in quantum cryptography communication.
なお、本発明は以下に付記する発明をも包含するものである。 The present invention also includes the inventions appended below.
(付記1)互いに結合した第1の量子ドット及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第1の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換装置。
(Appendix 1) A coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
An optical resonator containing the coupled quantum dots;
A voltage controller for controlling a voltage applied to the coupled quantum dots,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the first quantum dot and the energy level of the other carrier matches the energy of the incident single photon,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot Difference between the energy level of the second quantum dot and the energy level of the carrier having a polarity different from that of the carrier is equal to the resonance energy of the optical resonator.
(付記2)前記第2の量子ドットに正孔を1個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成した場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。 (Appendix 2) When one hole is injected into the second quantum dot and one input photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot. The electron in the first quantum dot and the hole in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy, 2. The wavelength converter according to 1.
(付記3)前記第2の量子ドットに電子を1個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成した場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。 (Supplementary Note 3) When one electron is injected into the second quantum dot and the input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, The hole in the first quantum dot and the electron in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy. The wavelength converter described in 1.
(付記4)前記第2の量子ドットに正孔を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 4) One hole is injected into the second quantum dot, the input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and When the energy levels of the electrons in the first and second quantum dots are matched, and the electrons in the first quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonant tunnel, the second quantum dot The wavelength conversion apparatus according to
(付記5)前記第2の量子ドットに電子を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 5) One electron is injected into the second quantum dot, the input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the first quantum dot And when the holes in the first quantum dot are moved to the second quantum dot through a resonance tunnel by matching the energy levels of the holes in the second quantum dot, the second quantum dot The wavelength converter according to
(付記6)前記第1の量子ドット及び前記第2の量子ドットに結合した第3の量子ドットをさらに備え、
前記第3の量子ドット中の電子のエネルギー準位を前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位と一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって、前記第3の量子ドットを経由して前記第2の量子ドットに移動させることを特徴とする、付記4に記載の波長変換装置。
(Additional remark 6) It further has the 3rd quantum dot couple | bonded with the said 1st quantum dot and the said 2nd quantum dot,
The energy level of the electrons in the third quantum dot is matched with the energy level of the electrons in the first and second quantum dots, and the electrons in the first quantum dot are The wavelength conversion device according to
(付記7)前記第1の量子ドット及び前記第2の量子ドットに結合した第3の量子ドットをさらに備え、
前記第3の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位と一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって、前記第3の量子ドットを経由して前記第2の量子ドットに移動させることを特徴とする、付記5に記載の波長変換装置。
(Supplementary note 7) Further comprising a third quantum dot coupled to the first quantum dot and the second quantum dot,
The energy level of holes in the third quantum dot is matched with the energy level of holes in the first and second quantum dots, and the holes in the first quantum dot are resonant tunneled. The wavelength converter according to appendix 5, wherein the wavelength converter is moved to the second quantum dot via the third quantum dot.
(付記8)前記入力単一光子を吸収させて第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。 (Supplementary Note 8) The input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the energy levels of the electrons in the first and second quantum dots are matched. Thus, when electrons in the first quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonant tunnel, holes in the first quantum dot and electrons in the second quantum dot are And recombining with each other to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
(付記9)前記入力単一光子を吸収させて第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記1に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 9) The input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the energy level of the hole in the first and second quantum dots is determined. When the holes in the first quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonance tunnel, the electrons in the first quantum dot and the electrons in the second quantum dot The wavelength conversion device according to
(付記10)前記正孔の注入は、前記結合量子ドットに近接するp型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、該p型半導体層に存在する正孔を前記結合量子ドットに移動させることによって行われることを特徴とする、付記2、4又は6のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 10) The hole injection is present in the p-type semiconductor layer by controlling the voltage between the p-type semiconductor layer adjacent to the coupled quantum dot and the electrode provided so as to sandwich the coupled quantum dot. The wavelength conversion device according to any one of
(付記11)前記電子の注入は、前記結合量子ドットに近接するn型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、該n型半導体層に存在する電子を前記結合量子ドットに移動させることによって行われることを特徴とする、付記3、5又は7のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Additional remark 11) The injection | pouring of the said electron controls the voltage between the electrode provided so that the n type semiconductor layer and the said coupling quantum dot which adjoin the said coupling quantum dot may be pinched | interposed, The wavelength conversion device according to any one of
(付記12)前記結合量子ドットの結合方向と平行な方向に電界を印加することによって、各量子ドット中の電子又は正孔のエネルギー準位を一致させることを特徴とする、付記4乃至11のいずれか一に記載の波長変換装置。 (Supplementary note 12) The energy levels of electrons or holes in each quantum dot are matched by applying an electric field in a direction parallel to the coupling direction of the coupled quantum dots. The wavelength converter as described in any one.
(付記13)前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むi型半導体層は、屈折率の異なる2種類の半導体多層膜を有するp型分布ブラッグ反射鏡とn型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれていることを特徴とする、付記1乃至12のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 13) In the optical resonator, the i-type semiconductor layer including the coupled quantum dots is sandwiched between a p-type distributed Bragg reflector and an n-type distributed Bragg reflector having two types of semiconductor multilayer films having different refractive indexes. The wavelength conversion device according to any one of
(付記14)前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたn型又はp型分布ブラッグ反射鏡と、
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、付記1乃至12のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary note 14) The optical resonator includes an n-type or p-type distributed Bragg reflector integrated with the coupled quantum dot;
The wavelength converter according to any one of
(付記15)互いに結合した第1の量子ドット及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットに印加する電圧を制御する工程と、
前記第1の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を1個ずつ生成する工程とを含み、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換方法。
(Supplementary note 15) a step of controlling a voltage applied to a coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
Absorbing the incident single photon into the first quantum dot to generate one electron and one hole each.
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot Difference between the energy level of a carrier having a polarity different from that of the carrier in the second quantum dot is equal to a resonance energy of an optical resonator containing the coupled quantum dot. Method.
(付記16)前記第2の量子ドットに正孔を1個注入する工程と、
前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Supplementary Note 16) Injecting one hole into the second quantum dot;
Further comprising recombining electrons in the first quantum dots and holes in the second quantum dots to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy. 16. The wavelength conversion method according to
(付記17)前記第2の量子ドットに電子を1個注入する工程と、
前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Supplementary note 17) Injecting one electron into the second quantum dot;
Further comprising the step of recombining holes in the first quantum dots and electrons in the second quantum dots to generate output single photons having an energy equal to the resonance energy. 16. The wavelength conversion method according to
(付記18)前記第2の量子ドットに正孔を1個注入する工程と、
前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Supplementary note 18) Injecting one hole into the second quantum dot;
Matching the energy levels of the electrons in the first and second quantum dots and moving the electrons in the first quantum dots to the second quantum dots by a resonant tunnel;
The method of
(付記19)前記第2の量子ドットに電子を1個注入する工程と、
前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Supplementary note 19) Injecting one electron into the second quantum dot;
Matching the energy levels of the holes in the first and second quantum dots and moving the holes in the first quantum dots to the second quantum dots by a resonant tunnel;
The method of
(付記20)前記第1及び第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Appendix 20) The step of causing the energy levels of the electrons in the first and second quantum dots to coincide and moving the electrons in the first quantum dots to the second quantum dots by a resonant tunnel;
Further comprising the step of recombining holes in the first quantum dots and electrons in the second quantum dots to generate output single photons having an energy equal to the resonance energy. 16. The wavelength conversion method according to
(付記21)前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記15に記載の波長変換方法。
(Additional remark 21) The process of making the energy level of the hole in the said 1st and 2nd quantum dot correspond, and moving the hole in the said 1st quantum dot to the said 2nd quantum dot by a resonance tunnel When,
Further comprising the step of recombining electrons in the first quantum dots and holes in the second quantum dots to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy. 16. The wavelength conversion method according to
(付記22)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第2の量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第1の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第2の量子ドットに正孔を1個注入するとともに、前記入力単一光子を前記第1の量子ドットに吸収させて電子及び正孔を1個ずつ第1の量子ドット中に生成した場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary note 22) A wavelength conversion device that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for injecting holes into the second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator matches the energy difference between the energy level of the electrons in the first quantum dot and the energy level of the holes in the second quantum dot;
When one hole is injected into the second quantum dot and the input single photon is absorbed by the first quantum dot to generate an electron and a hole one by one in the first quantum dot Is characterized in that an electron in the first quantum dot and a hole in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having energy equal to the resonance energy. Wavelength converter.
(付記23)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第2の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第1の量子ドット中の正孔のエネルギー準位と前記第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第2の量子ドットに電子を1個注入するとともに、前記入力単一光子を前記第1の量子ドットに吸収させて電子及び正孔を1個ずつ第2の量子ドット中に生成した場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary Note 23) A wavelength converter that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for injecting electrons into the second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator matches the energy difference between the energy level of holes in the first quantum dot and the energy level of electrons in the second quantum dot;
When one electron is injected into the second quantum dot and the input single photon is absorbed into the first quantum dot to generate an electron and a hole one by one in the second quantum dot Is characterized in that a hole in the first quantum dot and an electron in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy. Conversion device.
(付記24)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第2の量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記第1及び第2の量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第2の量子ドットに正孔を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary Note 24) A wavelength converter that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for injecting holes into the second quantum dots;
Means for matching the energy levels of the electrons of the first and second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator coincides with the energy difference between the energy level of electrons and the energy level of holes in the second quantum dot,
Injecting one hole into the second quantum dot and absorbing the input single photon to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the first quantum dot When the electrons in the second quantum dot are moved to the second quantum dot by a resonance tunnel, the electrons and holes in the second quantum dot are recombined to have an output unit having energy equal to the resonance energy. A wavelength converter that generates one photon.
(付記25)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第1の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記第1及び第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第1の量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第2の量子ドットに電子を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第2の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary Note 25) A wavelength conversion device that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for injecting electrons into the first quantum dots;
Means for matching the energy levels of the holes in the first and second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator matches the energy difference between the energy level of electrons and the energy level of holes in the first quantum dot,
Injecting one electron into the second quantum dot, absorbing the input single photon to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and in the first quantum dot Are transferred to the second quantum dot by a resonant tunneling, electrons and holes in the second quantum dot are recombined, and an output unit having energy equal to the resonance energy is obtained. A wavelength converter that generates one photon.
(付記26)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
隣接する量子ドットが互いに結合した第1乃至第N(Nは3以上の自然数)の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第Nの量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記隣接する量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第Nの量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第Nの量子ドットに正孔を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって第2の量子ドット、第3の量子ドットを経て最終的に第Nの量子ドットへ移動させた場合には、前記第Nの量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary note 26) A wavelength conversion device that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first to Nth (N is a natural number of 3 or more) quantum dots in which adjacent quantum dots are coupled to each other;
Means for injecting holes into the Nth quantum dot;
Means for matching the energy levels of the electrons of the adjacent quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator coincides with the energy difference between the energy level of electrons and the energy level of holes in the Nth quantum dot,
Injecting one hole into the Nth quantum dot and absorbing the input single photon to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the first quantum dot In the case where the electrons in the Nth quantum dot are finally moved to the Nth quantum dot through the second quantum dot and the third quantum dot by the resonance tunnel, the electrons and holes in the Nth quantum dot are Recombining to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
(付記27)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
隣接する量子ドットが互いに結合した第1乃至第N(Nは3以上の自然数)の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第1の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記隣接する量子ドットの正孔のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第Nの量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第Nの量子ドットに電子を1個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって第2の量子ドット、第3の量子ドットを経て最終的に第Nの量子ドットへ移動させた場合には、前記第Nの量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary note 27) A wavelength conversion device that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first to Nth (N is a natural number of 3 or more) quantum dots in which adjacent quantum dots are coupled to each other;
Means for injecting electrons into the first quantum dots;
Means for matching the energy levels of the holes of the adjacent quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator coincides with the energy difference between the energy level of electrons and the energy level of holes in the Nth quantum dot,
Injecting one electron into the Nth quantum dot, absorbing the input single photon to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and in the first quantum dot When the holes are moved to the Nth quantum dot through the second quantum dot and the third quantum dot by the resonant tunneling, the electrons and holes in the Nth quantum dot are Recombining to generate an output single photon having an energy equal to the resonance energy.
(付記28)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第1及び第2の量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第2の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第1の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の正孔と前記第2の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary note 28) A wavelength converter for generating output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for matching the energy levels of the electrons of the first and second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator matches the energy difference between the energy level of electrons in the second quantum dot and the energy level of holes in the first quantum dot;
The input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the electron in the first quantum dot is moved to the second quantum dot through a resonance tunnel. If so, the holes in the first quantum dot and the electrons in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having energy equal to the resonance energy. A featured wavelength converter.
(付記29)入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第1及び第2の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第1及び第2の量子ドットの正孔エネルギーを一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第1の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第2の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記入力単一光子を吸収させて前記第1の量子ドット中に電子及び正孔を1個ずつ生成するとともに、前記第1の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第2の量子ドットへ移動させた場合には、前記第1の量子ドット中の電子と前記第2の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
(Supplementary note 29) A wavelength conversion device that generates output single photons having different wavelengths with respect to input single photons,
A coupled quantum dot having first and second quantum dots coupled together;
Means for matching the hole energies of the first and second quantum dots;
An optical resonator including the coupled quantum dot therein,
The resonance energy of the optical resonator matches the energy difference between the energy level of the electrons in the first quantum dot and the energy level of the holes in the second quantum dot;
The input single photon is absorbed to generate one electron and one hole in the first quantum dot, and the hole in the first quantum dot is transferred to the second quantum dot by a resonance tunnel. When moved, electrons in the first quantum dot and holes in the second quantum dot are recombined to generate an output single photon having energy equal to the resonance energy. A wavelength converter characterized by the above.
(付記30)前記正孔を注入する手段は、前記結合量子ドットに近接するp型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、前記p型半導体層に存在する正孔を前記結合量子ドットに移動させることを特徴とする、付記22、24又は26のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 30) The means for injecting holes controls a voltage between a p-type semiconductor layer adjacent to the coupled quantum dot and an electrode provided so as to sandwich the coupled quantum dot, and the p-type semiconductor layer 27. The wavelength conversion device according to any one of
(付記31)前記電子を注入する手段は、前記結合量子ドットに近接するn型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、前記n型半導体層に存在する電子を前記結合量子ドットに移動させることを特徴とする、付記23、25又は27のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 31) The means for injecting electrons is present in the n-type semiconductor layer by controlling a voltage between an n-type semiconductor layer adjacent to the coupled quantum dot and an electrode provided so as to sandwich the coupled quantum dot. The wavelength conversion device according to any one of
(付記32)前記結合量子ドットの結合方向と平行な方向に電界を印加することによって、各量子ドット中の電子又は正孔のエネルギーを一致させることを特徴とする、付記24乃至29のいずれか一に記載の波長変換装置。 (Supplementary note 32) Any one of Supplementary notes 24 to 29, wherein an energy of electrons or holes in each quantum dot is made to coincide by applying an electric field in a direction parallel to a coupling direction of the coupled quantum dots. The wavelength converter as described in one.
(付記33)前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むi型半導体層は、屈折率の異なる2種類の半導体多層膜を有するp型分布ブラッグ反射鏡と、n型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれていることを特徴とする、付記22乃至32のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary note 33) In the optical resonator, the i-type semiconductor layer including the coupled quantum dots is formed by a p-type distributed Bragg reflector having two types of semiconductor multilayer films having different refractive indexes and an n-type distributed Bragg reflector. 33. The wavelength conversion device according to any one of
(付記34)前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたn型又はp型分布ブラッグ反射鏡と、
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、付記22乃至32のいずれか一に記載の波長変換装置。
(Supplementary Note 34) The optical resonator includes an n-type or p-type distributed Bragg reflector integrated with the coupled quantum dot;
33. The wavelength converter according to any one of
10 第1の量子ドット
11 第2の量子ドット
12 n型基板
13 下部電極
14 n型DBR
15 i型共振器
16 p型DBR
17 上部電極
18 微小円孔
19 レンズ
20 価電子バンド
21 伝導バンド
22 正孔
23 電子
24 入力単一光子
25 出力単一光子
26 光共振器の共鳴エネルギー
30 反射鏡
40 非線形光学結晶
41 プリズム
42 バンドパスフィルタ
43 入力単一光子
44 出力単一光子
45 ポンプ光
100 結合量子ドット
10
15 i-type resonator 16 p-type DBR
17
Claims (10)
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第1の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換装置。 A coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
An optical resonator containing the coupled quantum dots;
A voltage controller for controlling a voltage applied to the coupled quantum dots,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the first quantum dot and the energy level of the other carrier matches the energy of the incident single photon,
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot Difference between the energy level of the second quantum dot and the energy level of the carrier having a polarity different from that of the carrier is equal to the resonance energy of the optical resonator.
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の波長変換装置。 The optical resonator includes an n-type or p-type distributed Bragg reflector integrated with the coupled quantum dot;
The wavelength conversion device according to claim 1, further comprising a reflecting mirror that can be moved independently of the coupled quantum dots.
前記第1の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を1個ずつ生成する工程とを含み、
前記第2の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第1の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第2の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換方法。 Controlling a voltage applied to a coupled quantum dot having a first quantum dot and a second quantum dot coupled to each other;
Absorbing the incident single photon into the first quantum dot to generate one electron and one hole each.
The energy difference between the energy level of one of the carriers of different polarity in the second quantum dot and the energy level of the other carrier, or the energy level of the carrier in the first quantum dot Difference between the energy level of a carrier having a polarity different from that of the carrier in the second quantum dot is equal to a resonance energy of an optical resonator containing the coupled quantum dot. Method.
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|---|---|---|---|---|
| JP2016012877A (en) * | 2014-06-30 | 2016-01-21 | 富士通株式会社 | Quantum entanglement generation method, quantum entanglement generation device, quantum communication apparatus, quantum communication system, quantum communication method and projection measuring method |
| JP2016015417A (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-28 | 富士通株式会社 | Photon generator and photon generation method |
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| JP2023550277A (en) * | 2020-10-28 | 2023-12-01 | サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェ シアンティフィク | Device for generating single photons and entangled photon pairs |
-
2010
- 2010-01-08 JP JP2010002876A patent/JP2011141477A/en not_active Withdrawn
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