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JP4764210B2 - Single photon generator - Google Patents
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JP4764210B2 - Single photon generator - Google Patents

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Description

本発明は単一光子からなる光パルスを生成する単一光子発生装置に関する。   The present invention relates to a single photon generator for generating an optical pulse composed of a single photon.

近年、量子力学的重ね合わせ状態を利用して情報処理を行う量子通信や量子計算機、さらには物質のスピンを制御するスピントロニクスの分野で単一光子発生装置の重要性が増している。   In recent years, single photon generators have become increasingly important in the fields of quantum communication and quantum computers that perform information processing using quantum mechanical superposition states, and spintronics that controls the spin of matter.

電子政府や電子商取引など次世代の情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は不可欠となっている。現在、インターネット等で広く用いられている公開暗号鍵は、並列計算を高速に実行できる量子計算機が実現すれば解読可能と考えられている。そうなると、第三者によるデータの複製や、盗聴、改ざんを完全に防止することは不可能である。こうした安全性の問題を改善する手段として、原理的に安全な暗号方式である量子暗号が注目されている。   Secure and reliable encryption communication is indispensable for the realization of next-generation information society such as e-government and e-commerce. At present, it is considered that a public encryption key widely used in the Internet or the like can be deciphered if a quantum computer capable of executing parallel computation at high speed is realized. In that case, it is impossible to completely prevent data duplication, wiretapping, and alteration by a third party. As a means for improving such a security problem, quantum cryptography, which is a principle safe encryption scheme, has attracted attention.

量子暗号は、C.H.BennettとG.Brassardらによって1984年に提案された具体的なプロトコル(いわゆるBB84)を契機として盛んに研究されるようになった(IEEE.Int.Conf.on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India(I984)pp.175−pp.179)。情報理論で無条件に安全性が証明されている暗号方式として提案された量子暗号は、暗号鍵を安全に配送する方法を示したものである。量子暗号は量子力学的な物理法則が暗号の安全性を保障するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性の保障が可能となる。この量子暗号は盗聴者が1つの光子の状態を完全に知ることができないことを安全性の基礎としている。すなわち情報の1ビットを1個の光子に偏光情報の形態で付与した場合、各々の光子が保持する情報は不確定性原理およびno−cloning定理に従うため、光子の状態を破壊することなしには偏光情報を取り出すことができない。例えば、伝送の途中で盗聴者が観察あるいはコピーを行った場合偏光情報が変化し、正当な情報の受け手には異なった偏光情報が届くことになり、容易に盗聴があったことを知ることができる。しかし、ある1ビットの情報を2つの光子がそれぞれ担う場合は、盗聴者がその1個を抜き取っても正当な情報の受け手はそれを検出できない。それゆえ、量子暗号では、1ビットの情報を伝送するのにただ一つの光子を用いることが安全性の保障に必要となる。   The quantum cryptography is C.I. H. Bennett and G.M. It has been actively studied with a specific protocol proposed by Brassard et al. In 1984 (so-called BB84) (IEEE. Int. Conf. On Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India (I984). ) Pp.175-pp.179). Quantum cryptography, which has been proposed as a cryptographic method whose security is unconditionally proved by information theory, shows a method for safely delivering cryptographic keys. In quantum cryptography, quantum mechanical physics ensures the security of cryptography, so it is possible to guarantee ultimate security that does not depend on the limits of computer capabilities. This quantum cryptography is based on security that an eavesdropper cannot fully know the state of one photon. That is, when 1 bit of information is given to one photon in the form of polarization information, the information held by each photon follows the uncertainty principle and the no-cloning theorem, so without destroying the state of the photon. Polarization information cannot be extracted. For example, if an eavesdropper observes or copies in the middle of transmission, the polarization information changes, and different polarization information reaches the legitimate receiver, so that it is easy to know that there was an eavesdropping. it can. However, when two photons carry certain 1-bit information, even if an eavesdropper extracts one of them, a legitimate information receiver cannot detect it. Therefore, in quantum cryptography, it is necessary to ensure the security to use only one photon to transmit 1-bit information.

従来、励起パルス強度と時間幅を制御することで単一光子を生成する単一光子発生装置が提案されている(非特許文献1および2参照。)。   Conventionally, single photon generators that generate single photons by controlling excitation pulse intensity and time width have been proposed (see Non-Patent Documents 1 and 2).

また、半導体薄膜中に電子が1つあることによる電界の変化によって電子のトンネルができなくなる現象、いわゆるクーロンブロッケイドを用いて半導体活性層に電子を1つ注入して単一光子を生成する単一光子発生素子が提案されている(特許文献1参照。)。また、上記特許文献1に開示された技術と類似のターンスタイルと呼ばれる方法で半導体活性層に1個の電子を注入して単一光子を生成する単一光子発生装置が報告されている(非特許文献3参照。)。   In addition, a single photon is generated by injecting one electron into the semiconductor active layer using a so-called Coulomb blockade phenomenon in which electron tunneling is not possible due to a change in electric field due to one electron in the semiconductor thin film. A one-photon generating element has been proposed (see Patent Document 1). In addition, a single photon generator that generates single photons by injecting one electron into a semiconductor active layer by a method called turn style similar to the technique disclosed in Patent Document 1 has been reported (Non-Non-Patent Document) (See Patent Document 3).

一方、半導体の量子ドットのサイズを制御することにより、光励起により1個の電子と1個の正孔のみが発生することを用いた単一光子発生装置が提案され(特許文献2参照。)、実際に単一光子の生成が報告されている。(非特許文献4参照。)。   On the other hand, by controlling the size of semiconductor quantum dots, a single photon generator using the generation of only one electron and one hole by photoexcitation has been proposed (see Patent Document 2). In fact, single photon production has been reported. (Refer nonpatent literature 4.).

また、ラマン散乱を用いた単一光子発生装置(特許文献3参照。)や、量子ドットと光共振器および屈折率制御を組み合わせた単一光子発生装置も提案されている(特許文献4参照。)。
特開平4−61176号公報 特開2004−253657号公報 特開2003−298153号公報 特開2001−230445号公報 Phys.Rev.Let.76(1996)pp.900−pp.903 J.Modern Optics,44(1997)pp.2067−pp.2074) Nature vol.397(1999)pp.500−pp.503 Jpn.J.Appl.Phys.Vol.43(2004)L993−L995
In addition, single photon generators using Raman scattering (see Patent Document 3) and single photon generators combining quantum dots, optical resonators, and refractive index control have also been proposed (see Patent Document 4). ).
JP-A-4-61176 JP 2004-253657 A JP 2003-298153 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-230445 Phys. Rev. Let. 76 (1996) pp. 900-pp. 903 J. et al. Modern Optics, 44 (1997) pp. 2067-pp. 2074) Nature vol. 397 (1999) p. 500-pp. 503 Jpn. J. et al. Appl. Phys. Vol. 43 (2004) L993-L995

しかしながら、非特許文献1または2に開示された技術では、単一光子が生成されるタイミングはポアソンおよびサブボアソン分布に従うため、全く光子が生成されない、または複数個の光子が同時に生成されてしまう確率が有限の割合で存在するという問題がある。この場合、量子暗号に使用可能な単一光子を効率的に取り出すことができず、量子暗号の安全性が保証されない。   However, in the technique disclosed in Non-Patent Document 1 or 2, since the timing at which a single photon is generated follows a Poisson and sub-Boisson distribution, there is a probability that no photon is generated or a plurality of photons are generated simultaneously. There is a problem that it exists at a finite rate. In this case, single photons usable for quantum cryptography cannot be efficiently extracted, and the security of quantum cryptography is not guaranteed.

また、特許文献1や非特許文献3に開示された技術では、クーロンブロッケイドの効果を用いているため動作温度が非常に低く(例えば50mK)、また、バックグラウンド電流による余計な光子が生成されてしまうという問題がある。これらのため、量子暗号の安全性は保障されず量子暗号装置としては実用性が低い。   Further, in the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 3, since the effect of the Coulomb blockade is used, the operating temperature is very low (for example, 50 mK), and extra photons are generated due to the background current. There is a problem that it ends up. For these reasons, the security of the quantum cryptography is not guaranteed and the practicality of the quantum cryptography device is low.

非特許文献4あるいは特許文献2に開示された技術では、電流注入動作で単一光子発生を実現しており、非特許文献3の報告よりも動作温度が高いものの、それでも10Kの極低温での動作であり、実用性に乏しいという問題がある。   In the technique disclosed in Non-Patent Document 4 or Patent Document 2, single photon generation is realized by current injection operation, and the operating temperature is higher than that reported in Non-Patent Document 3, but it is still at an extremely low temperature of 10K. There is a problem that it is operation and is not practical.

特許文献3に開示された技術では、真空容器内に精密な光共振器を構成しなければならず実用性に欠ける上に、セシウムなどの単一の原子を冷却用レーザービームで常に捕獲していなければならず、ひとたび2個以上の原子が捕獲された場合には、複数個の光子が同時に生成されてしまうという問題がある。   In the technique disclosed in Patent Document 3, a precise optical resonator must be configured in a vacuum vessel, which lacks practicality, and a single atom such as cesium is always captured by a cooling laser beam. There is a problem that once two or more atoms are captured, a plurality of photons are generated simultaneously.

特許文献4に開示された技術では、単一光子発生装置は、量子ドットで生成された単一光子を、一旦微小球からなる共振器に蓄えた後、さらに時間を置いてから連結部材の屈折率を変化させて再度取り出すという構造を有する。この複雑な構造のため光学的損失が大きく、実際には量子ドットで生成された光子を、損失なく取り出すことは極めて困難であると考えられ実用性が低いという問題がある。   In the technique disclosed in Patent Document 4, the single photon generation device stores the single photons generated by the quantum dots in a resonator composed of microspheres, and then waits for more time before refraction of the connecting member. It has a structure in which the rate is changed and taken out again. Due to this complicated structure, optical loss is large, and it is considered that it is extremely difficult to extract photons generated by quantum dots without loss, and there is a problem that practicality is low.

以上説明したように、単一光子発生装置の課題は、(i)所望のタイミング(任意の時刻)で単一光子を生成できること、(ii)同時に複数個の光子が生成されないこと、である。   As described above, the problems of the single photon generator are (i) that a single photon can be generated at a desired timing (arbitrary time), and (ii) that a plurality of photons cannot be generated at the same time.

そこで、本発明の目的は、上記2つの課題を解決可能で新規で有用な単一光子発生装置を提供することである。さらに、具体的な本発明の目的は、簡単な構造で実用性の高い単一光子発生装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel and useful single photon generator capable of solving the above two problems. Furthermore, a specific object of the present invention is to provide a single photon generator having a simple structure and high practicality.

本発明の一観点によれば、蛍光体母体材料と、該蛍光体母体材料中に内殻遷移により発光する金属イオン1個とからなる蛍光体を有する単一光子発生部と、前記金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子を金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与える励起部とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a single photon generator having a phosphor composed of a phosphor matrix material and one metal ion that emits light by inner-shell transition in the phosphor matrix material; There is provided a single-photon generator characterized by comprising an excitation light pulse to be excited or an excitation unit that gives electrons conducted in a phosphor in a time shorter than the emission lifetime of metal ions.

本発明によれば、内殻遷移を生じる金属イオンに、金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子が金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与えられ、さらに、蛍光体中の励起光パルスが照射される領域内、あるいは電子が通過する領域内に金属イオンが1つだけ配置されているので、励起光パルスの照射あるいは蛍光体中を伝導する電子を生じさせる電界の印加により、単一光子を所望のタイミングで確実に生成できる。さらに、本発明の単一光子発生装置は金属イオンの内殻遷移による発光を利用しており、金属イオンの内殻遷移は数mKの極低温から室温程度の広い温度範囲で光子生成が可能であるので、単一光子発生装置の実用性が高い。また、本発明の単一光子発生装置はその構成および発光作用が単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用性が高い。なお、発光寿命は、本願の特許請求の範囲および明細書において、「金属イオンの発光確率が存在する時間」と定義する。   According to the present invention, an excitation light pulse for exciting a metal ion or an electron conducted in the phosphor is given to the metal ion causing the inner shell transition in a time shorter than the emission lifetime of the metal ion. Since only one metal ion is placed in the region where the excitation light pulse is irradiated or in the region where the electron passes, the application of an electric field that generates the excitation light pulse irradiation or the electrons conducted in the phosphor Thus, a single photon can be reliably generated at a desired timing. Furthermore, the single photon generator of the present invention utilizes light emission by the inner shell transition of metal ions, and the inner shell transition of metal ions can generate photons in a wide temperature range from a very low temperature of several mK to about room temperature. Therefore, the practicality of the single photon generator is high. In addition, since the single photon generator of the present invention has a simple configuration and light emitting action, and has high optical reliability with little optical loss, it is highly practical in this respect as well. The light emission lifetime is defined as “a time during which a light emission probability of a metal ion exists” in the claims and specification of the present application.

なお、従来の蛍光体には多数個の金属イオンが存在するため、蛍光体に金属イオンを励起させる励起光パルスを照射すると、生成される光子も多数個となる。本発明では、励起光あるいは電界が印加される領域内に金属イオンが1個だけ配置されているので、その金属イオンからしか光子が生成されない。その結果、本発明は、確実に単一光子が取り出せるという効果を奏する。   In addition, since many metal ions exist in the conventional phosphor, when the phosphor is irradiated with an excitation light pulse for exciting the metal ions, a large number of photons are generated. In the present invention, since only one metal ion is disposed in a region to which excitation light or an electric field is applied, photons are generated only from the metal ion. As a result, the present invention has an effect that single photons can be reliably extracted.

本発明によれば、内殻遷移を生じる金属イオンに、それを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子の通過する時間が金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与えられ、さらに、蛍光体中の励起光パルスが照射される領域内、あるいは蛍光体中を伝導する電子が通過する領域内に金属イオンが1つだけ配置されているので、励起光パルスの照射あるいは電子流を生じさせる電界の印加により、単一光子を所望のタイミングで確実に生成できる。さらに、本発明によれば、構成が単純で室温あるいは室温に近い低温環境下で発光可能な実用性の高い単一光子発生装置が提供できる。   According to the present invention, the metal ion that causes the inner shell transition is given a time in which the excitation light pulse for exciting it or the electron passing through the phosphor passes in a time shorter than the emission lifetime of the metal ion, Since only one metal ion is arranged in the region where the excitation light pulse in the phosphor is irradiated, or in the region where the electrons conducting in the phosphor pass, the excitation light pulse irradiation or electron flow occurs. By applying the electric field to be generated, a single photon can be reliably generated at a desired timing. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a highly practical single photon generator capable of emitting light in a simple configuration and capable of emitting light at room temperature or a low temperature environment close to room temperature.

以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。   Embodiments will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a single photon generator according to a first embodiment of the present invention.

図1を参照するに、単一光子発生装置10は、結晶基板11、および結晶基板上11に形成された量子ドット12からなる単一光子発生部14と、量子ドット12に励起光パルス15Aを照射するレーザ照射装置15と、その照射タイミングおよびパルス幅等を制御する制御部16等から構成される。   Referring to FIG. 1, a single photon generator 10 includes a crystal substrate 11, a single photon generator 14 formed of quantum dots 12 formed on the crystal substrate 11, and an excitation light pulse 15 </ b> A applied to the quantum dots 12. It comprises a laser irradiation device 15 for irradiation, a control unit 16 for controlling the irradiation timing, pulse width, and the like.

なお、ここで量子ドット12は、原子が数百個から数千個集まった、口径数nnmから数十nm程度の大きさの結晶である。量子ドット12は、背景技術の欄の特許文献2に示された量子ドットとは動作機構を異にしている。   Here, the quantum dot 12 is a crystal having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers in which several hundred to several thousand atoms are gathered. The quantum dot 12 has an operating mechanism different from that of the quantum dot disclosed in Patent Document 2 in the background art column.

結晶基板11は、量子ドット12の材料に応じて、量子ドット12がエピタキシャル成長可能な材料から選択される。結晶基板11としては、例えば、GaAs、GaN、サファイア等が挙げられる。   The crystal substrate 11 is selected from materials capable of epitaxial growth of the quantum dots 12 according to the material of the quantum dots 12. Examples of the crystal substrate 11 include GaAs, GaN, and sapphire.

量子ドット12は、蛍光体母体材料12aおよび発光中心を形成する1個の金属イオン13からなる。蛍光体母体材料12aとしては公知の材料を使用できるが、金属イオン13の輝度を向上させる点で、XGa24で表されるチオガレート系材料(X=Sr,Ca,およびBaから選択される1種。)、XAl24で表されるチオアルミネート系材料(Xは同上)、Zn2SiO4,およびBaMg2Al1627が好適である。また上記と同様の点で、蛍光体母体材料12aとしては、ZnS,CaS,SrS,CdS,GaN,ZnO,ZnSe,BaS,およびAlNも好適である。 The quantum dot 12 is composed of a phosphor base material 12a and one metal ion 13 that forms a light emission center. A known material can be used as the phosphor base material 12a, but is selected from thiogallate-based materials (X = Sr, Ca, and Ba) represented by XGa 2 S 4 in terms of improving the luminance of the metal ions 13. Thioaluminate-based material represented by XAl 2 S 4 (X is the same as above), Zn 2 SiO 4 , and BaMg 2 Al 16 O 27 are suitable. Also, from the same point as described above, as the phosphor base material 12a, ZnS, CaS, SrS, CdS, GaN, ZnO, ZnSe, BaS, and AlN are also suitable.

金属イオン13は、量子ドット12内に1個だけ含まれている。このため、量子ドットに励起光パルス15Aを照射することで、1個の金属イオン13だけから光子が生成されるので、後ほど説明する励起光パルス15Aの照射条件により単一の光子を確実に生成できる。   Only one metal ion 13 is included in the quantum dot 12. For this reason, by irradiating the quantum dot with the excitation light pulse 15A, a photon is generated from only one metal ion 13, so that a single photon is reliably generated according to the irradiation condition of the excitation light pulse 15A described later. it can.

金属イオン13は、内殻遷移により1個の光子を生成するイオンから選択される。内殻遷移では、原子の内殻にある電子が光子吸収や高エネルギー電子等との衝突により励起され、電子が高いエネルギー状態になる(励起状態)。本発明では、この際、1個の電子だけが励起する金属イオン13が選択される。そして、励起された1個の電子が励起状態から基底状態に戻る際に単一光子を生成する。このような金属イオン13としては、Ag,Au,As,Bi,Cd,Ce,Cr,Cu,Dy,Er,Eu,Fe,Ga,Gd,Ge,Ho,Hg,In,Mn,Nd,Pb,Pr,Sb,Sm,Sn,Tb,Tm,Ti,Tl,V,W,Yb,およびZnのイオンが挙げられる。これらの金属イオン13は、蛍光体母体材料との組み合わせにより、数mKの極低温から室温までの広い温度範囲において発光が可能となる。   The metal ion 13 is selected from ions that generate one photon by the inner-shell transition. In the inner-shell transition, electrons in the inner shell of an atom are excited by photon absorption or collision with high-energy electrons, and the electrons are in a high energy state (excited state). In the present invention, at this time, the metal ion 13 that is excited by only one electron is selected. Then, a single photon is generated when one excited electron returns from the excited state to the ground state. Examples of such metal ions 13 include Ag, Au, As, Bi, Cd, Ce, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Ho, Hg, In, Mn, Nd, and Pb. , Pr, Sb, Sm, Sn, Tb, Tm, Ti, Tl, V, W, Yb, and Zn ions. These metal ions 13 can emit light in a wide temperature range from a very low temperature of several mK to room temperature by combination with a phosphor base material.

なお、蛍光体母体材料12aと金属イオン13との組み合わせは各々の材料を任意に組み合わせることが可能であるが、特に、XGa24で表されるチオガレート系材料(X=Sr,Ca,およびBaから選択される1種。)、XAl24で表されるアルミネート系材料(Xは同上)、Zn2SiO4,およびBaMg2Al1627のうちから選択される1種の蛍光体母体材料12aと、Eu2+,Ce3+,およびMn2+のうちから選択される1種の金属イオン13とを組み合わせることが好ましい。 In addition, the combination of the phosphor base material 12a and the metal ions 13 can arbitrarily combine the respective materials. In particular, a thiogallate-based material represented by XGa 2 S 4 (X = Sr, Ca, and 1 type selected from Ba.), 1 type of fluorescence selected from aluminate materials represented by XAl 2 S 4 (X is the same as above), Zn 2 SiO 4 , and BaMg 2 Al 16 O 27 It is preferable to combine the base material 12a and one metal ion 13 selected from Eu 2+ , Ce 3+ , and Mn 2+ .

また、ZnS,CaS,SrS,CdS,GaN,ZnO,ZnSeBaS,およびAlNのうちから選択される1種の蛍光体母体材料12aと、Eu2+,Ce3+,およびMn2+のうちから選択される1種の金属イオン13とを組み合わせてもよい。 In addition, a phosphor base material 12a selected from ZnS, CaS, SrS, CdS, GaN, ZnO, ZnSeBaS, and AlN, and Eu 2+ , Ce 3+ , and Mn 2+ are selected. One kind of metal ion 13 may be combined.

金属イオン13の一例としてEu2+の場合についてその発光機構を説明する。Eu2+の基底状態および励起状態の電子配置は以下通りである。 The light emission mechanism of Eu 2+ as an example of the metal ion 13 will be described. The electron configuration in the ground state and excited state of Eu 2+ is as follows.

基底状態 Eu2+:[Kr](4d)10(4f)7(5s)2(5p)6
励起状態 Eu2+:[Kr](4d)10(4f)6(5s)2(5p)6(5d)1
なお、上記の[Kr]は、元素Krと同じ電子配置を有することを示している。
Ground state Eu 2+ : [Kr] (4d) 10 (4f) 7 (5s) 2 (5p) 6
Excited state Eu 2+ : [Kr] (4d) 10 (4f) 6 (5s) 2 (5p) 6 (5d) 1
In addition, said [Kr] has shown having the same electronic arrangement as the element Kr.

Eu2+の励起は、光子吸収等により1個の電子が4f準位から5d準位に遷移することにより生じ、その発光は5d準位から4f準位に遷移する際に生じる。この発光は、1個の光子を生成する。本実施の形態では量子ドット12中にEu2+が1個だけ存在するので、Eu2+の1回の励起−発光過程により1個のみの光子が生成される。 Eu 2+ excitation occurs when one electron makes a transition from the 4f level to the 5d level due to photon absorption or the like, and its light emission occurs at the time of transition from the 5d level to the 4f level. This emission generates one photon. In the present embodiment, since only one Eu 2+ exists in the quantum dot 12, only one photon is generated by one excitation-emission process of Eu 2+ .

図2は、Eu2+の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。なお、図2は、1個のEu2+がSrGa24結晶中に含まれている場合のスペクトルを示している。 FIG. 2 is a diagram showing an excitation spectrum and an emission spectrum of Eu 2+ . FIG. 2 shows a spectrum in the case where one Eu 2+ is contained in the SrGa 2 S 4 crystal.

SrGa24結晶のバンドギャップは、図示していないが吸収スペクトルから4.4eVであることが知られている。これに対して、図2に示す350nm〜500nmにおける励起スペクトルの強くブロードな励起帯は、3.5eV〜2.5eVの範囲にあることから、SrGa24結晶のバンドギャップよりも1eV程度も小さい。このことから、SrGa24結晶中のEu2+の励起は、SrGa24の母体材料が励起されているのではなく、Eu2+が励起光の照射により直接励起されていることを示している。したがって、SrGa24結晶に欠陥が生じていても、それに影響を受けることなく、Eu2+は光子の生成が可能となる。すなわち、図1に示す量子ドット12中に欠陥が生じていてもそれに影響を受けることなく、金属イオン13は光子の生成が可能となる。しかも、発光強度が温度の上昇につれて低下する現象を温度消光というが、SrGa24結晶中のEu2+は、温度消光が小さいため、数mKの極低温のみならず室温での光子生成が可能である。 Although not shown, the band gap of the SrGa 2 S 4 crystal is known to be 4.4 eV from the absorption spectrum. On the other hand, the strong and broad excitation band of the excitation spectrum at 350 nm to 500 nm shown in FIG. 2 is in the range of 3.5 eV to 2.5 eV, so that it is about 1 eV more than the band gap of the SrGa 2 S 4 crystal. small. From this, the excitation of Eu 2+ in the SrGa 2 S 4 crystal indicates that the host material of SrGa 2 S 4 is not excited, but Eu 2+ is directly excited by irradiation of excitation light. Show. Therefore, even if a defect occurs in the SrGa 2 S 4 crystal, Eu 2+ can generate photons without being affected by the defect. That is, even if a defect occurs in the quantum dot 12 shown in FIG. 1, the metal ion 13 can generate a photon without being affected by the defect. Moreover, the phenomenon in which the emission intensity decreases as the temperature rises is called temperature quenching. Eu 2+ in the SrGa 2 S 4 crystal is small in temperature quenching, so that photons are generated not only at extremely low temperatures of several mK but also at room temperature. Is possible.

また、励起帯の波長は、発光スペクトルの発光強度が増加する波長よりも短波長側に存在する。そして、励起帯は、紫外光波長領域で吸収率が高まり、より低い強度の励起光パルス15AでEu2+を励起できることが分かる。このことから、レーザ照射装置15は、その励起光パルス15Aが金属イオン13の発光波長よりも短い波長のパルスレーザ、例えば紫外線で発光するパルスレーザを用いることが好ましい。 Further, the wavelength of the excitation band exists on the shorter wavelength side than the wavelength at which the emission intensity of the emission spectrum increases. In the excitation band, it can be seen that the absorptance increases in the ultraviolet wavelength region, and Eu 2+ can be excited by the excitation light pulse 15A having a lower intensity. For this reason, the laser irradiation device 15 preferably uses a pulse laser whose excitation light pulse 15A has a wavelength shorter than the emission wavelength of the metal ions 13, for example, a pulse laser that emits light with ultraviolet rays.

さらに励起光パルス15Aの時間幅は、金属イオン13の発光寿命よりも短い時間に制御部16により設定される。これは、励起光パルス15Aの時間幅を金属イオン13の発光寿命よりも長く設定すると、連続的に例えば2つの光子が生じてしまうからである。なお、発光寿命は、金属イオン13の発光確率が存在する時間であり、例えば、多数回の単一光子の発光を積算することで得られた発光波形から求めた時間である。   Furthermore, the time width of the excitation light pulse 15 </ b> A is set by the control unit 16 at a time shorter than the light emission lifetime of the metal ions 13. This is because if the time width of the excitation light pulse 15A is set longer than the light emission lifetime of the metal ions 13, for example, two photons are continuously generated. The light emission lifetime is a time when the light emission probability of the metal ion 13 exists, and is a time obtained from, for example, a light emission waveform obtained by integrating the light emission of a large number of single photons.

図3は、単一光子の生成動作を説明するための概略図である。なお、図3の横軸は時間を線形表示しており、図3(B)の縦軸は発光確率を対数表示している。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a single photon generation operation. Note that the horizontal axis of FIG. 3 represents time linearly, and the vertical axis of FIG. 3B represents the light emission probability logarithmically.

図3を図1と共に参照するに、(A)に示すパルス幅Taの励起光パルス15Aを量子ドット12に照射すると、金属イオン13はわずかな時間ΔT1の後に励起状態となり緩和を開始する。 Referring to FIG. 3 together with FIG. 1, when the quantum dot 12 is irradiated with the excitation light pulse 15A having the pulse width Ta shown in (A), the metal ions 13 become excited after a short time ΔT 1 and start to relax.

励起光パルス15Aのパルス幅Taが金属イオン13の発光寿命Tbよりも短い場合は、金属イオン13は励起光パルス15Aのパルス幅Taの間に励起状態になり緩和を開始する。発光寿命Tbがパルス幅Taよりも長いために、励起光パルスが照射されている間(Ta)に確率事象として一度も基底状態に遷移することはない。そして、励起光パルス15Aがオフになった以降に金属イオン13は基底状態に戻りつつ単一光子からなる出力光パルスSPを生成する。すなわち、図3(B)に示すように発光確率は励起状態となった直後に高い。そして、発光確率は、時間の経過に対して指数関数的に減少する。金属イオン13は発光寿命Tbの間に図3(C)に示すように、単一光子からなる出力光パルスSPを生成する。   When the pulse width Ta of the excitation light pulse 15A is shorter than the emission lifetime Tb of the metal ion 13, the metal ion 13 enters an excited state during the pulse width Ta of the excitation light pulse 15A and starts relaxation. Since the light emission lifetime Tb is longer than the pulse width Ta, there is no transition to the ground state as a stochastic event while the excitation light pulse is irradiated (Ta). Then, after the excitation light pulse 15A is turned off, the metal ion 13 generates an output light pulse SP composed of a single photon while returning to the ground state. That is, as shown in FIG. 3B, the light emission probability is high immediately after the excited state is reached. The light emission probability decreases exponentially with time. As shown in FIG. 3C, the metal ion 13 generates an output light pulse SP composed of a single photon during the light emission lifetime Tb.

仮に励起光パルス15Aのパルス幅Taが金属イオン13の発光寿命Tbよりも長い場合は、励起してから発光寿命Tbが経過した時点で基底状態に戻りつつ光子パルスを生成し、さらに再び励起し、励起光パルス15Aがオフになった時点で2個目の光子を生成する可能性が確率事象としてある。したがって、単一光子を生成するためには、励起光パルス15Aのパルス幅Taが金属イオン13の発光寿命Tbよりも短く設定する必要がある。   If the pulse width Ta of the excitation light pulse 15A is longer than the emission lifetime Tb of the metal ion 13, a photon pulse is generated while returning to the ground state when the emission lifetime Tb elapses after excitation, and then excited again. The possibility that a second photon is generated when the excitation light pulse 15A is turned off is a stochastic event. Therefore, in order to generate a single photon, it is necessary to set the pulse width Ta of the excitation light pulse 15A to be shorter than the light emission lifetime Tb of the metal ion 13.

例えば、Eu2+の発光寿命は1μ秒程度であるので、レーザ照射装置15には、発光寿命よりも短い時間幅のパルスを射出可能なパルスレーザ、例えば、数ピコ秒から数十フェムト(f)秒(1f秒=10-15秒)程度のパルス幅を出射可能なパルスレーザを用いればよい。レーザ照射装置15には、例えば、YAGレーザ光の3倍高調波(波長355nm)でパルス幅が数ピコ秒のパルス光を出射可能なパルスレーザ(例えば、東京インスツルメンツ社製、商品名:UV Power 355(パルス幅10p秒以下))を用いることができる。このように、Eu2+の発光寿命よりも百万分の1程度あるいはそれよりも短いパルス幅のパルスレーザを使用することで確実に単一光子を生成できる。 For example, since the emission lifetime of Eu 2+ is about 1 μsec, the laser irradiation device 15 can be supplied with a pulse laser capable of emitting a pulse having a duration shorter than the emission lifetime, for example, several picoseconds to several tens of femto (f ) A pulse laser capable of emitting a pulse width of about 1 second (1f seconds = 10 −15 seconds) may be used. The laser irradiation device 15 includes, for example, a pulse laser (for example, product name: UV Power, manufactured by Tokyo Instruments Co., Ltd.) capable of emitting pulse light having a third harmonic (wavelength 355 nm) of YAG laser light and a pulse width of several picoseconds. 355 (pulse width of 10 psec or less) can be used. In this way, a single photon can be reliably generated by using a pulse laser having a pulse width of about one millionth or shorter than the emission lifetime of Eu 2+ .

また、本発明では数ピコ秒程度の比較的パルス幅の長いパルスレーザを使用可能であるので、上述した従来技術、例えば特許文献2の単一光子発光装置よりも装置コストを低減できる。また、励起光パルス15Aの強度は十分に金属イオン13を励起できる強度であれば特に限定されない。   In the present invention, since a pulse laser having a relatively long pulse width of about several picoseconds can be used, the apparatus cost can be reduced as compared with the above-described prior art, for example, the single photon light emitting device of Patent Document 2. Moreover, the intensity | strength of the excitation light pulse 15A will not be specifically limited if it is the intensity | strength which can fully excite the metal ion 13. FIG.

また、金属イオン13の他の例としてCe3+の場合についてその発光機構を説明する。Ce3+の基底状態および励起状態の電子配置は以下通りである。 As another example of the metal ion 13, the light emission mechanism will be described for Ce 3+ . The electron configuration of the ground state and the excited state of Ce 3+ is as follows.

基底状態 Ce3+:[Kr](4d)10(4f)1(5s)2(5p)6
励起状態 Ce3+:[Kr](4d)10 (5s)2(5p)6(5d)1
Ce3+の励起は、光子吸収等により1個の電子が4f準位から5d準位に遷移することにより生じ、その発光は5d準位から4f準位に遷移する際に生じる。この発光は、1個の光子を生成する。本実施の形態では量子ドット12中にCe3+が1個だけ存在するので、Ce3+の1回の励起−発光過程により1個の光子が生成される。
Ground state Ce 3+ : [Kr] (4d) 10 (4f) 1 (5s) 2 (5p) 6
Excited state Ce 3+ : [Kr] (4d) 10 (5s) 2 (5p) 6 (5d) 1
The excitation of Ce 3+ occurs when one electron makes a transition from the 4f level to the 5d level due to photon absorption or the like, and the emission thereof occurs when the transition from the 5d level to the 4f level occurs. This emission generates one photon. In the present embodiment, since only one Ce 3+ exists in the quantum dot 12, one photon is generated by one excitation-emission process of Ce 3+ .

Ce3+の発光寿命は100n秒であり、上述したように、数ピコ秒〜数十フェムト秒のパルス幅のパルスレーザを用いることで、確実に単一の光子を生成できる。 Ce 3+ has an emission lifetime of 100 nsec. As described above, a single photon can be generated reliably by using a pulse laser having a pulse width of several picoseconds to several tens of femtoseconds.

このような内殻遷移としては、上述したEu2+等の希土類元素の(4f)n→(4f)n-1(5d)1遷移の他、後ほど説明するMn2+の(3d)5→(3d)5遷移や、Cu2+の(3d)9(4s)1→(3d)10遷移が挙げられる。本発明ではこれらの内殻遷移を生じる金属イオン13のいずれをも用いることができる。 Examples of such inner-shell transition include (4f) n → (4f) n-1 (5d) 1 transition of rare earth elements such as Eu 2+ described above, and (3d) 5 → Mn 2+ described later. Examples include (3d) 5 transition and Cu 2+ (3d) 9 (4s) 1 → (3d) 10 transition. In the present invention, any of these metal ions 13 that cause the inner shell transition can be used.

図1に戻り、励起光パルス15Aは、量子ドット12全体あるいは量子ドット12中の金属イオン13が存在する範囲内に照射する。図1では、集光レンズの図示を省略しているが、励起光パルス15Aを集光レンズにより集光して照射することが好ましい。また、1個の金属イオン13を含む量子ドット12を多数、結晶基板11上に配置して、複数の量子ドット12に同時に励起光パルス15A照射してもよい。複数の単一光子を別々に取り出すことで時間的に並列に単一光子SPを取り出すことができる。   Returning to FIG. 1, the excitation light pulse 15 </ b> A is applied to the entire quantum dot 12 or a range where the metal ions 13 in the quantum dot 12 exist. In FIG. 1, the condenser lens is not shown, but it is preferable that the excitation light pulse 15 </ b> A is condensed by the condenser lens and irradiated. Alternatively, a large number of quantum dots 12 including one metal ion 13 may be arranged on the crystal substrate 11 and the plurality of quantum dots 12 may be irradiated with the excitation light pulse 15A simultaneously. Single photons SP can be taken out in parallel in time by taking out a plurality of single photons separately.

なお、励起光パルス15Aを量子ドット12に照射する角度には特に制限はないが、照射が容易な点で、量子ドットの上方あるいは斜めから照射することが好ましい。   The angle at which the excitation light pulse 15A is applied to the quantum dots 12 is not particularly limited, but it is preferable to irradiate the quantum dots 12 from above or obliquely in view of easy irradiation.

また、単一光子発生部14である結晶基板11および量子ドット12は真空容器(不図示)内に載置されることが好ましい。これにより量子ドット12表面の清浄性を維持でき単一光子生成の信頼性が高まる。また、単一光子発生部14の温度は、数mKの極低温から室温までの広い温度範囲に設定することが可能である。このため特別な冷却装置がなくても動作することから装置の構成が単純となるためこの点でも実用性が高い。また、励起光パルス15Aは、真空容器に設けられた光学窓を介して真空容器の外部から量子ドット12に照射されればよい。また、単一光子の取り出しは、励起光を除去する光学フィルターを介すればよい。   Moreover, it is preferable that the crystal substrate 11 and the quantum dot 12 which are the single photon generation | occurrence | production part 14 are mounted in a vacuum vessel (not shown). Thereby, the cleanliness of the surface of the quantum dots 12 can be maintained, and the reliability of single photon generation is increased. The temperature of the single photon generator 14 can be set in a wide temperature range from a very low temperature of several mK to room temperature. For this reason, since it operates even without a special cooling device, the configuration of the device becomes simple, and this point is also highly practical. Further, the excitation light pulse 15A may be applied to the quantum dots 12 from the outside of the vacuum vessel through an optical window provided in the vacuum vessel. Further, the single photon can be taken out via an optical filter that removes the excitation light.

次に、図4(A)および(B)を参照しつつ単一光子発生部14の形成方法を説明する。図4(A)および(B)は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。ここでは、図1に示す結晶基板11としてGaAs、量子ドット12の蛍光体母体材料12aとしてSrGa24、金属イオン13としてEu2+を用いた例を説明する。 Next, a method for forming the single photon generator 14 will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B). 4A and 4B are cross-sectional views showing a process for forming a single photon generator. Here, an example will be described in which GaAs is used as the crystal substrate 11 shown in FIG. 1, SrGa 2 S 4 is used as the phosphor matrix material 12 a of the quantum dots 12, and Eu 2+ is used as the metal ion 13.

最初に、図4(A)の工程では、GaAs基板11上に量子ドットのベース層12a−1をエピタキシャル成長させる。具体的には、分子線エピタキシャル(MBE)装置にGaAs基板11を載置し、真空雰囲気(例えば、真空度10-7Pa)で基板温度を530℃〜605℃の範囲に設定する。さらに、分子線源としてSrセル(例えば加熱温度510℃)およびGa23セル(例えば加熱温度990℃)を用いる。分子線をシャッターの開閉制御によってGaAs基板11に照射し、GaAs基板11上にSrGa24をエピタキシャル成長させ、2分子層〜5分子層程度のSrGa24からなる量子ドット(ベース層12a−1)を形成する。この際、GaAs基板11の表面に到達したSrGa24はその厚さが薄いので凝集し、直径が20nmから30nm程度の量子ドットのベース層12a−1が形成される。 First, in the step of FIG. 4A, a quantum dot base layer 12a-1 is epitaxially grown on a GaAs substrate 11. Specifically, the GaAs substrate 11 is mounted on a molecular beam epitaxial (MBE) apparatus, and the substrate temperature is set in a range of 530 ° C. to 605 ° C. in a vacuum atmosphere (for example, a degree of vacuum of 10 −7 Pa). Furthermore, an Sr cell (for example, heating temperature 510 ° C.) and a Ga 2 S 3 cell (for example, heating temperature 990 ° C.) are used as the molecular beam source. Quantum dots (base layer 12a-) composed of SrGa 2 S 4 of about 2 to 5 molecular layers are formed by irradiating a molecular beam to the GaAs substrate 11 by controlling opening and closing of the shutter, and epitaxially growing SrGa 2 S 4 on the GaAs substrate 11. 1) is formed. At this time, since the SrGa 2 S 4 that has reached the surface of the GaAs substrate 11 is thin, the SrGa 2 S 4 aggregates, and a quantum dot base layer 12a-1 having a diameter of about 20 nm to 30 nm is formed.

図4(A)の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて真空雰囲気でベース層12a−1上に1個のEu2+を吸着させる。具体的には、STMの探針の先端部にEu2+源からEu2+の金属イオン13を1個吸着させる。さらに、ベース層12a−1の表面に探針を位置決めし、ベース層12a−1の表面にEu2+を吸着させる。 In the step of FIG. 4A, after cooling, one Eu 2+ is adsorbed on the base layer 12a-1 in a vacuum atmosphere using a scanning tunneling microscope (STM) without being exposed to the outside air. Specifically, the metal ions 13 of Eu 2+ is one adsorbed from Eu 2+ source at the tip of the probe of the STM. Further, a probe is positioned on the surface of the base layer 12a-1, and Eu 2+ is adsorbed on the surface of the base layer 12a-1.

次いで、図4(B)の工程では、図4(A)の構造体が形成されたGaAs基板11を外気に曝すことなく再びMBE装置に戻し、上述したベース層12a−1の形成条件と同様の条件で、ベース層12a−1上にSrGa24からなる1分子層〜5分子層程度のキャップ層12a−2を形成する。これにより1個のEu2+はキャップ層12a−2に覆われる。以上により、GaAs基板11上に1個のEu2+の金属イオン13を含む量子ドット12からなる単一光子発生部14が形成される。 Next, in the step of FIG. 4B, the GaAs substrate 11 on which the structure of FIG. 4A is formed is returned to the MBE apparatus again without being exposed to the outside air, and is similar to the above-described formation conditions of the base layer 12a-1. in conditions, to form the base layer 12a-1 SrGa 2 S 4 1 molecular layer to 5 molecular layers about the cap layer 12a-2 formed of the above. Thus, one Eu 2+ is covered with the cap layer 12a-2. As described above, the single photon generator 14 composed of the quantum dots 12 including one Eu 2+ metal ion 13 is formed on the GaAs substrate 11.

なお、上述したGaAs基板、SrGa24、およびEu2+以外の材料を用いる場合も上記の形成方法と同様にして形成できる。ただし、温度条件等はそれらの材料に応じて適宜選択される。 Note that when a material other than the above-described GaAs substrate, SrGa 2 S 4 , and Eu 2+ is used, it can be formed in the same manner as the above formation method. However, temperature conditions etc. are suitably selected according to those materials.

また、上述した単一光子発生部14の形成は、MBE装置とSTM装置とを真空雰囲気を保持可能なトランスファーチャンバーにより接続した真空一貫作製装置を用いる。なお、MBE装置の代わりに他の薄膜作製装置、例えば、有機金属(MO)MBE装置や有機金属化学気相成長(MOCVD)装置を用いることができる。   Further, the formation of the single photon generator 14 described above uses an integrated vacuum manufacturing apparatus in which an MBE apparatus and an STM apparatus are connected by a transfer chamber capable of maintaining a vacuum atmosphere. In place of the MBE apparatus, another thin film manufacturing apparatus such as an organic metal (MO) MBE apparatus or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus can be used.

第1の実施の形態によれば、蛍光体母体材料12aからなる1個の量子ドット12中に内殻遷移を生じる金属イオン13が1個だけ含まれる単一光子発生部14を備えており、量子ドット12に金属イオン13の発光寿命よりも短いパルス幅の励起光パルス15Aを照射することで、単一光子を確実に生成できる。さらに、金属イオン13の内殻遷移は数mKの極低温から室温程度の広い温度範囲で光子生成が可能であるので実用的である。また、単一光子発生装置10の構成および発光作用は単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用的である。   According to the first embodiment, a single photon generator 14 including only one metal ion 13 that causes an inner shell transition in one quantum dot 12 made of the phosphor base material 12a is provided. By irradiating the quantum dot 12 with the excitation light pulse 15A having a pulse width shorter than the light emission lifetime of the metal ion 13, a single photon can be reliably generated. Further, the inner-shell transition of the metal ion 13 is practical because it can generate photons in a wide temperature range from a very low temperature of several mK to about room temperature. In addition, since the configuration and the light emitting action of the single photon generator 10 are simple, the optical loss is small and the reliability is high, so that this point is also practical.

(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram of a single photon generator according to the second embodiment of the present invention. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図5を参照するに、単一光子発生装置20は、結晶基板11と、結晶基板上11に形成された蛍光体母体材料22aおよび金属イオン13からなる蛍光体層22とからなる単一光子発生部24と、蛍光体層22の1個の金属イオン13が存在する領域に励起光パルス15Aを照射するレーザ照射装置15と、その照射タイミングおよびパルス幅等を制御する制御部16等から構成される。単一光子発生装置20は、量子ドットの代わりに蛍光体層22を形成した以外は図1に示す第1の実施の形態に係る単一光子発生装置10と同様の構成を有する。   Referring to FIG. 5, a single photon generator 20 generates a single photon comprising a crystal substrate 11 and a phosphor base material 22 a formed on the crystal substrate 11 and a phosphor layer 22 made of metal ions 13. Unit 24, a laser irradiation device 15 that irradiates a region of phosphor layer 22 where one metal ion 13 is present with excitation light pulse 15A, a control unit 16 that controls the irradiation timing, pulse width, and the like. The The single photon generator 20 has the same configuration as the single photon generator 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 except that the phosphor layer 22 is formed instead of the quantum dots.

蛍光体層22は、結晶基板11上にエピタキシャル成長し、例えば、厚さが100nm〜500nmの薄膜状に形成されてなる。蛍光体母体材料22aは、第1の実施の形態において説明した蛍光体母体材料から選択される。   The phosphor layer 22 is epitaxially grown on the crystal substrate 11 and formed, for example, in the form of a thin film having a thickness of 100 nm to 500 nm. The phosphor host material 22a is selected from the phosphor host materials described in the first embodiment.

金属イオン13は、所定の範囲の蛍光体層22中に1個だけ存在する。ここで、所定の範囲は、1個の励起光パルス15Aが照射される範囲である。金属イオン13は、第1の実施の形態において説明した金属イオンから選択される。   Only one metal ion 13 exists in the phosphor layer 22 in a predetermined range. Here, the predetermined range is a range irradiated with one excitation light pulse 15A. The metal ion 13 is selected from the metal ions described in the first embodiment.

励起光パルス15Aは、蛍光体層22の表面に対していかなる角度で入射させてもよいが、蛍光体層22の上方側あるいは側面側から照射させることが好ましい。また、蛍光体層22内に照射された励起光パルス15Aが結晶基板11の界面で全反射を起こす角度で入射させることが好ましい。これにより、金属イオン13が励起光パルス15Aにより励起する確率が高くなる。励起光パルス15Aの全反射は、結晶基板11の材料をその屈折率が蛍光体層22の屈折率よりも小さい材料を選択する。一方、蛍光体層22の表面では、蛍光体層22の屈折率が、真空あるいは不活性ガス等の屈折率よりも高いので、全反射が生じる。   The excitation light pulse 15A may be incident on the surface of the phosphor layer 22 at any angle, but is preferably irradiated from the upper side or the side surface of the phosphor layer 22. Further, it is preferable that the excitation light pulse 15 </ b> A irradiated into the phosphor layer 22 is incident at an angle causing total reflection at the interface of the crystal substrate 11. This increases the probability that the metal ions 13 are excited by the excitation light pulse 15A. For the total reflection of the excitation light pulse 15 </ b> A, a material for which the refractive index of the crystal substrate 11 is smaller than the refractive index of the phosphor layer 22 is selected. On the other hand, since the refractive index of the phosphor layer 22 is higher than the refractive index of a vacuum or an inert gas on the surface of the phosphor layer 22, total reflection occurs.

次に、図6(A)および(B)を参照しつつ単一光子発生部24の形成方法を説明する。図6(A)および(B)は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。ここでは、結晶基板11としてGaAs基板、蛍光体母体材料22aとしてSrGa24、金属イオン13としてEu2+を用いた例を説明する。かかる形成方法は図4において説明した形成方法と略同様であり、その形成方法を用いることができることはいうまでもない。 Next, a method for forming the single photon generator 24 will be described with reference to FIGS. 6 (A) and 6 (B). 6 (A) and 6 (B) are cross-sectional views showing a process for forming a single photon generator. Here, an example will be described in which a GaAs substrate is used as the crystal substrate 11, SrGa 2 S 4 is used as the phosphor base material 22a, and Eu 2+ is used as the metal ion 13. Such a forming method is substantially the same as the forming method described with reference to FIG. 4, and it goes without saying that the forming method can be used.

最初に、図6(A)の工程では、GaAs基板11上にMBE装置によりSrGa24からなるベース層22a−1をエピタキシャル成長させる。具体的には、第1の実施の形態の図4(A)の説明と同様の方法により行う。ただし、ベース層22a−1の厚さが50nm〜200nmに設定される。 First, in the process of FIG. 6A, the base layer 22a-1 made of SrGa 2 S 4 is epitaxially grown on the GaAs substrate 11 by the MBE apparatus. Specifically, the method is the same as that described in FIG. 4A of the first embodiment. However, the thickness of the base layer 22a-1 is set to 50 nm to 200 nm.

図6(A)の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく、走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて真空雰囲気でベース層22a−1上に1個のEu2+を吸着させる。 In the step of FIG. 6A, after cooling, one Eu 2+ is adsorbed on the base layer 22a-1 in a vacuum atmosphere using a scanning tunneling microscope (STM) without being exposed to the outside air.

次いで、図6(B)の工程では、ベース層22a−1上に、MBE装置によりEu2+を覆うSrGa24からなる50nm〜200nmの厚さのキャップ層22a−2を形成する。以上により、GaAs基板11上に1個のEu2+の金属イオン13を含む蛍光体層22からなる単一光子発生部24が形成される。 6B, a cap layer 22a-2 having a thickness of 50 nm to 200 nm made of SrGa 2 S 4 covering Eu 2+ is formed on the base layer 22a-1 by the MBE apparatus. In this way, the single photon generator 24 composed of the phosphor layer 22 containing one Eu 2+ metal ion 13 is formed on the GaAs substrate 11.

第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態に係る単一光子発生装置と同様の効果を有する。すなわち、蛍光体層22中に内殻遷移を生じる金属イオン13が1個だけ含まれる単一光子発生部24を備えており、金属イオン13が1個だけ含まれる蛍光体層22に、金属イオン13の発光寿命よりも短いパルス幅の励起光パルス15Aを照射することで、単一光子の出力光パルスSPを確実に生成できる。さらに、第2の実施の形態では、蛍光体層22が層状であるので、励起光パルス15Aを蛍光体層22中で全反射するように入射することで、金属イオン13が励起する確率をより高くできる。   According to the second embodiment, the same effect as that of the single photon generator according to the first embodiment is obtained. That is, the phosphor layer 22 includes a single photon generation unit 24 that includes only one metal ion 13 that causes an inner shell transition, and the phosphor layer 22 that includes only one metal ion 13 includes a metal ion. By irradiating the excitation light pulse 15A having a pulse width shorter than 13 light emission lifetimes, the output light pulse SP of a single photon can be reliably generated. Furthermore, in the second embodiment, since the phosphor layer 22 is layered, the probability that the metal ions 13 are excited can be increased by making the excitation light pulse 15A incident so as to be totally reflected in the phosphor layer 22. Can be high.

(第3の実施の形態)
図7は、本発明の第3の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of a single photon generator according to the third embodiment of the present invention. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図7を参照するに、単一光子発生装置30は、基板31、および基板31上に下部電極32、第1絶縁層33、蛍光体母体材料34aおよびその中に含まれる1個の金属イオン13からなる蛍光体層34、第2絶縁層35、および上部電極36がこの順に堆積されてなる単一光子発生部38と、下部電極32と上部電極36との間に電気的に接続され、パルス状の電界を印加するパルス電源部39から構成される。単一光子発生装置30は、蛍光体層34中の1個の金属イオン13に電子を衝突させることにより金属イオン13に内殻遷移を起こさせて単一光子を生成させる。   Referring to FIG. 7, a single photon generator 30 includes a substrate 31, a lower electrode 32 on the substrate 31, a first insulating layer 33, a phosphor base material 34a, and one metal ion 13 contained therein. The phosphor layer 34, the second insulating layer 35, and the upper electrode 36 are electrically connected between the lower electrode 32 and the upper electrode 36, and the single photon generator 38 in which the upper electrode 36 is deposited in this order. And a pulse power supply unit 39 for applying a shaped electric field. The single photon generator 30 causes an inner shell transition in the metal ion 13 by causing electrons to collide with one metal ion 13 in the phosphor layer 34 to generate a single photon.

基板31は、その材料は特に限定されないが、基板31側から単一光子を取り出す場合を含めて透明基板を用いることが好ましい。透明基板としては、ガラス、石英等の透明性絶縁基板、PETやPENなどのフィルム、PVAなどの樹脂基板等を用いることができる。なお、図7の紙面の上方(上部電極36側)から単一光子を取り出す場合には、基板31にはSi等の半導体基板を用いることができる。   The material of the substrate 31 is not particularly limited, but it is preferable to use a transparent substrate including a case where a single photon is taken out from the substrate 31 side. As the transparent substrate, a transparent insulating substrate such as glass or quartz, a film such as PET or PEN, a resin substrate such as PVA, or the like can be used. In the case where single photons are taken out from above the plane of FIG. 7 (upper electrode 36 side), a semiconductor substrate such as Si can be used for the substrate 31.

下部電極32および上部電極36は、例えば厚さが0.5μmの金属や合金、さらに導電性酸化物等を用いることができる。下部電極32および上部電極36は、単一光子を取り出す場合はITO(Indium Tin Oxide)等の透明電極を用いることが好ましい。   For the lower electrode 32 and the upper electrode 36, for example, a metal or alloy having a thickness of 0.5 μm, a conductive oxide, or the like can be used. The lower electrode 32 and the upper electrode 36 are preferably transparent electrodes such as ITO (Indium Tin Oxide) when taking out a single photon.

第1絶縁層33および第2絶縁層35は、例えば厚さが0.5μmの窒化物絶縁材料や酸化物絶縁材料からなる。窒化物絶縁材料としては、Si34およびAlNが挙げられる。また、酸化物絶縁材料としては、SiO2、Ta25、およびTiO2が挙げられる。なお、第1絶縁層33および第2絶縁層35は複数の層からなる積層薄膜でもよい。 The first insulating layer 33 and the second insulating layer 35 are made of, for example, a nitride insulating material or an oxide insulating material having a thickness of 0.5 μm. Examples of the nitride insulating material include Si 3 N 4 and AlN. Further, as the oxide insulating material, SiO 2, Ta 2 O 5 , and TiO 2 and the like. The first insulating layer 33 and the second insulating layer 35 may be a laminated thin film including a plurality of layers.

蛍光体層34は、例えば厚さが1μmの蛍光体母体材料34aからなり、第1の実施の形態において説明した蛍光体母体材料と同様の材料から選択される。   The phosphor layer 34 is made of, for example, a phosphor base material 34a having a thickness of 1 μm, and is selected from the same materials as the phosphor base material described in the first embodiment.

金属イオン13は、第1の実施の形態において説明した金属イオンと同様の金属イオンから選択される。金属イオン13は、所定の範囲内の蛍光体層34中に1個だけ存在する。所定の範囲は、下部電極32と上部電極36とに第1絶縁層33および第2絶縁層35を介して挟まれた蛍光体層34の範囲である。   The metal ion 13 is selected from the same metal ions as those described in the first embodiment. Only one metal ion 13 exists in the phosphor layer 34 within a predetermined range. The predetermined range is a range of the phosphor layer 34 sandwiched between the lower electrode 32 and the upper electrode 36 via the first insulating layer 33 and the second insulating layer 35.

蛍光体層34は、種々の蛍光体母体材料34aと、金属イオン13とで任意に組み合わせることが可能であるが、特に、XGa24で表されるチオガレート系材料(X=Sr,Ca,およびBaから選択される1種。)、XAl24で表されるチオアルミネート系材料(Xは同上)、およびZn2SiO4のうちから選択される1種の蛍光体母体材料34aと、Eu2+,Ce3+,およびMn2+のうちから選択される1種の金属イオン13とを組み合わせることが好ましい。 The phosphor layer 34 can be arbitrarily combined with various phosphor matrix materials 34a and metal ions 13, and in particular, a thiogallate-based material represented by XGa 2 S 4 (X = Sr, Ca, And a phosphor base material 34a selected from the group consisting of a thioaluminate-based material represented by XAl 2 S 4 (X is the same as above) and Zn 2 SiO 4 , Eu 2+ , Ce 3+ , and Mn 2+ are preferably combined with one type of metal ion 13.

また、ZnS,CaS,SrS,CdS,GaN,ZnO,ZnSe,BaS,およびAlNのうちから選択される1種の蛍光体母体材料34aと、Eu2+,Ce3+,およびMn2+のうちから選択される1種の金属イオン13とを組み合わせてもよい。 In addition, one phosphor base material 34a selected from ZnS, CaS, SrS, CdS, GaN, ZnO, ZnSe, BaS, and AlN, and Eu 2+ , Ce 3+ , and Mn 2+ You may combine with the 1 type of metal ion 13 selected from these.

ここで、金属イオン13の一例として内殻遷移を生じるMn2+の場合についてその発光機構を説明する。Mn2+の基底状態および励起状態の電子配置は以下のように同じ状態である。 Here, as an example of the metal ion 13, the light emission mechanism will be described in the case of Mn 2+ causing an inner shell transition. The electron configuration of the ground state and the excited state of Mn 2+ is the same as follows.

Mn2+:(1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)5
Mn2+の励起と発光は(3d)5の不完全殻内の多電子準位における電子遷移により生じる。すなわち励起は基底状態61から励起状態41に1個の電子が遷移することにより生じる。一方、発光は励起状態41から基底状態61に1個の電子が遷移することにより生じる。
Mn 2+ : (1s) 2 (2s) 2 (2p) 6 (3s) 2 (3p) 6 (3d) 5
Excitation and emission of Mn 2+ are caused by electronic transitions in the multi-electron level in the (3d) 5 incomplete shell. That is, excitation is caused by a transition of one electron from the ground state 6 A 1 to the excited state 4 T 1 . On the other hand, light emission is caused by the transition of one electron from the excited state 4 T 1 to the ground state 6 A 1 .

図8は、Mn2+の発光スペクトルを示す図である。図8は、後ほど説明する形成方法によりZnS膜(厚さ1μm)中にそのZn2+に置換する形で1個のMn2+が含まれる単一光子発生部38に、周波数1kHz、波高値が120V(電界強度1.2×108V/m))のパルス状の入力電圧信号を印加して得られた発光スペクトルである。 FIG. 8 is a diagram showing an emission spectrum of Mn 2+ . 8, later in single photon generating unit 38 that includes one Mn 2+ in the form of substituting the Zn 2+ in ZnS film (thickness 1 [mu] m) by forming method described, a frequency 1 kHz, the peak value Is an emission spectrum obtained by applying a pulsed input voltage signal of 120 V (electric field intensity of 1.2 × 10 8 V / m).

図8を参照するに、Mn2+は励起状態41から基底状態61の遷移により、約580nmをピーク波長とするブロードな発光スペクトルを示す。このように、Mn2+は1個の電子の励起状態から基底状態への遷移により単一光子が生成される。この基底状態61と励起状態41との間の遷移は、電子のスピン禁制の遷移であり、基底状態61と励起状態41とを遷移する1個の電子のスピンが反転する。したがって、発光寿命が他の金属イオン13と比較して格段に長く、1ミリ秒〜10ミリ秒程度である。したがって、次に説明するように、金属イオンにMn2+を用いた場合、単一光子発生装置30は単一光子をいっそう確実に生成できる。また、Mn2+の温度消光も小さいので、室温で発光可能である。 Referring to FIG. 8, Mn 2+ exhibits a broad emission spectrum having a peak wavelength of about 580 nm due to the transition from the excited state 4 T 1 to the ground state 6 A 1 . In this way, Mn 2+ generates a single photon by the transition from the excited state of one electron to the ground state. The transition between the ground state 6 A 1 and the excited state 4 T 1 is a spin-forbidden transition of electrons, and the spin of one electron transitioning between the ground state 6 A 1 and the excited state 4 T 1 is Invert. Therefore, the light emission lifetime is much longer than that of the other metal ions 13 and is about 1 to 10 milliseconds. Therefore, as will be described below, when Mn 2+ is used as the metal ion, the single photon generator 30 can generate single photons more reliably. Further, since the temperature quenching of Mn 2+ is small, it can emit light at room temperature.

次に、単一光子発生装置30の動作を説明する。   Next, the operation of the single photon generator 30 will be described.

図9は、第3の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための図である。なお、図9の横軸は時間を線形表示しており、図9(C)の縦軸は発光確率を対数表示している。   FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the single photon generation device according to the third embodiment. Note that the horizontal axis of FIG. 9 represents time linearly, and the vertical axis of FIG. 9C represents the light emission probability logarithmically.

図9を図7と共に参照するに、単一光子発生装置30は、パルス電源部39から下部電極32と上部電極36との間にパルス状の例えば108V/m程度の電界強度となる入力電圧信号(図9(A))を印加する。この入力電圧信号により、例えば下部電極32に対して上部電極36に正電圧が印加された場合、第1絶縁層33と蛍光体層34との界面から多数の電子が放出され、蛍光体層34中を電子が伝導する。この電子は108V/m程度の高電界で加速され、高速の電子(以下、「ホットエレクトロン」と称する。)は上部電極36方向に移動する。図9(B)に示すように、ホットエレクトロンはパルス幅Tcの間、蛍光体層34中を伝導する。なお、ここで、Tcはホットエレクトロンのパルス幅を表している。Tcは、先の図3(A)のTaで示した励起光のパルス幅と同様に、単一の金属イオンを励起するために用いるパルス幅を示している。このようにホットエレクトロンと図3(A)の励起光とはその働きは原理的に同様であるが、時間の定義が異なるので、ここでは、ホットエレクトロンのパルス幅をTcとして、Taとは区別して表記する。 Referring to FIG. 9 together with FIG. 7, the single photon generator 30 has a pulsed input between the lower electrode 32 and the upper electrode 36 from the pulse power supply unit 39 and has an electric field intensity of about 10 8 V / m, for example. A voltage signal (FIG. 9A) is applied. For example, when a positive voltage is applied to the upper electrode 36 with respect to the lower electrode 32 by this input voltage signal, a large number of electrons are emitted from the interface between the first insulating layer 33 and the phosphor layer 34, and the phosphor layer 34. Electrons are conducted inside. The electrons are accelerated by a high electric field of about 10 8 V / m, and high-speed electrons (hereinafter referred to as “hot electrons”) move toward the upper electrode 36. As shown in FIG. 9B, hot electrons are conducted in the phosphor layer 34 during the pulse width Tc. Here, Tc represents the pulse width of hot electrons. Tc indicates the pulse width used to excite a single metal ion, similarly to the pulse width of the excitation light indicated by Ta in FIG. In this way, hot electrons and the excitation light shown in FIG. 3A have the same function in principle, but the definition of time is different. Therefore, here, the pulse width of hot electrons is Tc, and Ta is different from Ta. Separately written.

ホットエレクトロンの伝導開始からわずかな時間ΔT2の後に1個のホットエレクトロンが金属イオン13に衝突する。すると、金属イオン13の1個の電子がただちに励起状態になり、緩和を開始するが、図9(C)に示す発光寿命Tbがパルス幅Tcよりも長いために、パルス幅Tcの間には確率事象として一度も基底状態に遷移することはない。 After a short time ΔT 2 from the start of conduction of hot electrons, one hot electron collides with the metal ion 13. Then, one electron of the metal ion 13 immediately enters an excited state and starts relaxation. However, since the emission lifetime Tb shown in FIG. 9C is longer than the pulse width Tc, There is no transition to the ground state as a random event.

ホットエレクトロンの伝導がオフになった以降に金属イオン13は基底状態に戻り単一光子からなる出力光パルスSPを生成する。その際、入力電圧信号が印加されている時間Tcの間に複数のホットエレクトロンが金属イオン13に衝突しても金属イオン13は既に励起状態から緩和を開始しているので、時間Tcの間には再び励起されることはない。総てのホットエレクトロンが金属イオン13の位置を通過した後に、図9(C)に示す発光確率で金属イオン13は基底状態に遷移すると共に1個の光子のみの出力光パルスを生成する(図9(D))。   After the hot electron conduction is turned off, the metal ion 13 returns to the ground state and generates an output light pulse SP consisting of a single photon. At that time, even if a plurality of hot electrons collide with the metal ions 13 during the time Tc during which the input voltage signal is applied, the metal ions 13 have already started to relax from the excited state. Is never excited again. After all the hot electrons have passed through the position of the metal ion 13, the metal ion 13 transitions to the ground state and generates an output light pulse of only one photon with the light emission probability shown in FIG. 9 (D)).

ここで、ホットエレクトロンの移動時間が金属イオン13の発光寿命Tbよりも短い条件に設定される。ホットエレクトロンの移動時間は、入力電圧信号がオンとなってから総てのホットエレクトロンが金属イオン13の位置を通過するまでの時間であり、数マイクロ秒以下である。一方、金属イオン13の発光寿命Tbは例えばMn2+の場合、1ミリ秒から10ミリ秒程度である。したがって、金属イオン13の発光寿命Tbの時間内に総てのホットエレクトロンを金属イオン13の位置を通過させることができ単一光子SPを生成できる。すなわち、Mn2+の場合は、発光寿命の時間内に十分に総てのホットエレクトロンが金属イオン13の位置を通過でき、単一光子SPを確実に生成できる。 Here, the moving time of hot electrons is set to be shorter than the light emission lifetime Tb of the metal ions 13. The movement time of hot electrons is the time from when the input voltage signal is turned on until all hot electrons pass through the positions of the metal ions 13, and is several microseconds or less. On the other hand, the emission lifetime Tb of the metal ion 13 is about 1 to 10 milliseconds in the case of Mn 2+ , for example. Therefore, all the hot electrons can pass through the position of the metal ion 13 within the time of the emission lifetime Tb of the metal ion 13, and the single photon SP can be generated. That is, in the case of Mn 2+ , all the hot electrons can sufficiently pass through the position of the metal ion 13 within the light emission lifetime, and the single photon SP can be reliably generated.

なお、入力電圧信号のパルス幅は特に制限がない。これは、入力電圧信号のパルス幅を長く設定しても、電界の単一極性下では、総てのホットエレクトロンが金属イオン13の位置を通過してしまえば、それ以降は金属イオン13に何ら影響がないからである。   The pulse width of the input voltage signal is not particularly limited. This is because even if the pulse width of the input voltage signal is set long, if all hot electrons pass through the position of the metal ion 13 under a single polarity of the electric field, the metal ion 13 is not changed thereafter. This is because there is no influence.

また、引き続き、パルス電源部39から先の入力電圧信号とは逆の極性の入力電圧信号を下部電極32と上部電極36との間に印加することで、先の入力電圧信号の場合とは逆方向にホットエレクトロンの移動が起こる。例えば下部電極32に対して上部電極36に負電圧が印加された場合、第2絶縁層35と蛍光体層34との界面に蓄積された多数の電子が下部電極32方向に移動する(図9(B))。これにより、先ほどと同様の作用により単一光子が生成される。このように、単一光子発生装置30では、電圧極性が交番する入力電圧信号を所望のタイミングで供給することで、単一光子を所望のタイミングで連続して生成させることができ、さらに、1個の入力電圧信号のパルスで確実に単一光子SPを生成させることができる。   Further, by continuously applying an input voltage signal having a polarity opposite to that of the previous input voltage signal from the pulse power supply unit 39 between the lower electrode 32 and the upper electrode 36, the reverse of the case of the previous input voltage signal. Hot electron movement occurs in the direction. For example, when a negative voltage is applied to the upper electrode 36 with respect to the lower electrode 32, a large number of electrons accumulated at the interface between the second insulating layer 35 and the phosphor layer 34 move toward the lower electrode 32 (FIG. 9). (B)). Thereby, a single photon is generated by the same action as before. As described above, the single photon generator 30 can continuously generate single photons at a desired timing by supplying an input voltage signal with alternating voltage polarities at a desired timing. A single photon SP can be reliably generated by a pulse of an input voltage signal.

次に、図10を参照しつつ単一光子発生部38の形成方法を説明する。図10(A)および(B)は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。   Next, a method for forming the single photon generator 38 will be described with reference to FIG. FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing a process for forming a single photon generator.

最初に、図10(A)の工程では、スパッタ法や蒸着法によりガラス基板31(例えばコーニング社製、製品名1737ガラス)上に、ITO膜(例えば厚さ0.5μm)を下部電極32として形成し、さらに、Ta25膜(例えば厚さ0.5μm)を第1絶縁層33として形成する。 First, in the process of FIG. 10A, an ITO film (for example, a thickness of 0.5 μm) is formed as a lower electrode 32 on a glass substrate 31 (for example, product name 1737 glass manufactured by Corning) by sputtering or vapor deposition. Further, a Ta 2 O 5 film (for example, a thickness of 0.5 μm) is formed as the first insulating layer 33.

図10(A)の工程ではさらに、Ta25膜まで形成されたガラス基板31をMBE装置に載置し、真空雰囲気(例えば真空度10-7Pa)で基板温度を120℃〜160℃の範囲に設定する。さらに、分子線源としてZnSセル(例えば加熱温度900℃)を用いて、分子線をシャッターの開閉制御によってTa25膜に照射し、Ta25膜上に厚さ0.5μmのZnS膜からなる蛍光体層のベース層34a−1を成長させる。 In the step of FIG. 10A, the glass substrate 31 formed up to the Ta 2 O 5 film is further placed on the MBE apparatus, and the substrate temperature is 120 ° C. to 160 ° C. in a vacuum atmosphere (for example, a vacuum degree of 10 −7 Pa). Set to the range. Furthermore, using a ZnS cell (e.g. heating temperature 900 ° C.) as the molecular beam source, irradiating the the Ta 2 O 5 film by opening and closing control of the shutter molecular beam, a thickness of 0.5μm on the Ta 2 O 5 film ZnS A phosphor layer base layer 34a-1 made of a film is grown.

図10(A)の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなく、STMを用いて真空雰囲気でベース層34a−1上に1個の金属イオン13、例えばMn2+を吸着させる。 In the step of FIG. 10A, after cooling, a single metal ion 13, such as Mn 2+, is adsorbed on the base layer 34a-1 in a vacuum atmosphere using STM without being exposed to the outside air.

次いで、図10(B)の工程では、図10(A)の構造体が形成されたガラス基板31を外気に曝すことなく再びMBE装置に戻し、上述したベース層34a−1の形成と同様の条件で、ベース層34a−1上に厚さ0.5μmのZnS膜からなる蛍光体層のキャップ層34a−2を成長させる。   Next, in the step of FIG. 10B, the glass substrate 31 on which the structure of FIG. 10A is formed is returned to the MBE apparatus again without being exposed to the outside air, and is the same as the formation of the base layer 34a-1 described above. Under the conditions, a phosphor layer cap layer 34a-2 made of a 0.5 μm thick ZnS film is grown on the base layer 34a-1.

図10(B)の工程ではさらに、ZnS膜および金属イオン13の活性化のために積層体の熱処理を行う。熱処理の条件は、例えば400℃の温度で1時間に設定される。   In the step of FIG. 10B, the laminated body is further subjected to heat treatment to activate the ZnS film and the metal ions 13. The heat treatment condition is set to, for example, 1 hour at a temperature of 400 ° C.

図10(B)の工程ではさらに、冷却後、外気に曝すことなくスパッタ法や蒸着法により、蛍光体層34上にTa25膜(例えば厚さ0.5μm)を第2絶縁層35として形成し、さらにAl膜(例えば厚さ0.5μm)を上部電極36として形成する。以上により、下部電極32と上部電極36とに挟まれた位置に1個の金属イオン13を含む蛍光体層34からなる単一光子発生部38が形成される。 In the step of FIG. 10B, after cooling, a Ta 2 O 5 film (for example, 0.5 μm thick) is formed on the phosphor layer 34 by sputtering or vapor deposition without exposing to the outside air. Further, an Al film (for example, a thickness of 0.5 μm) is formed as the upper electrode 36. As described above, the single photon generator 38 including the phosphor layer 34 containing one metal ion 13 is formed at a position sandwiched between the lower electrode 32 and the upper electrode 36.

なお、単一光子発生部38の形成において、蛍光体層34のベース層34a−1の形成、金属イオン13の吸着処理、および蛍光体層のキャップ層34a−2の形成の各工程は、第1の実施の形態の単一光子発生部の形成方法と同様の作製装置を用いる。   In the formation of the single photon generator 38, the steps of forming the base layer 34a-1 of the phosphor layer 34, the adsorption treatment of the metal ions 13 and the formation of the cap layer 34a-2 of the phosphor layer are as follows. A manufacturing apparatus similar to the method for forming the single photon generation unit of the first embodiment is used.

第3の実施の形態によれば、下部電極32と上部電極36とに第1絶縁層33および第2絶縁層35を介して挟まれた蛍光体層34の範囲に1個の金属イオン13を配置し、下部電極32と上部電極36との間に電圧パルスを印加することで、電子が金属イオン13に衝突し、内殻遷移が生じ、単一光子を確実に生成できる。さらに、金属イオン13の内殻遷移は数mKの極低温のみならず室温程度で発光が可能であるので実用的である。また、単一光子発生装置の構成および発光作用は単純であるので、光学的損失が少なく信頼性が高いため、この点でも実用的である。   According to the third embodiment, one metal ion 13 is placed in the range of the phosphor layer 34 sandwiched between the lower electrode 32 and the upper electrode 36 via the first insulating layer 33 and the second insulating layer 35. By arranging and applying a voltage pulse between the lower electrode 32 and the upper electrode 36, electrons collide with the metal ions 13, an inner shell transition occurs, and a single photon can be reliably generated. Furthermore, the inner shell transition of the metal ion 13 is practical because it can emit light not only at an extremely low temperature of several mK but also at about room temperature. In addition, since the structure and the light emitting action of the single photon generator are simple, the optical loss is small and the reliability is high.

なお、第3の実施の形態は、蛍光体層34中の金属イオン13の内殻遷移による発光機構を採用することにより単一光子を取り出すことが可能である。他の発光機構、例えば蛍光体層34に起因する発光(例えば励起子による発光)では単一光子を取り出すことができない。   In the third embodiment, a single photon can be extracted by adopting a light emission mechanism based on the inner shell transition of the metal ion 13 in the phosphor layer 34. Single light photons cannot be extracted by other light emission mechanisms, for example, light emitted by the phosphor layer 34 (for example, light emitted by excitons).

また、第3の実施の形態の単一光子発生部38は、第1絶縁層33および第2絶縁層35のいずれかを省略してもよい。この場合でも上述した動作と同様の動作で単一光子を生成可能である。   Moreover, the single photon generation part 38 of the third embodiment may omit either the first insulating layer 33 or the second insulating layer 35. Even in this case, a single photon can be generated by the same operation as described above.

(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態に係る単一光子発生装置は、単一光子を生成する単一光子発生部が2次元的に配置されたものであり、第3の実施の形態に係る単一光子発生装置の応用例である。
(Fourth embodiment)
The single photon generator according to the fourth embodiment of the present invention has a single photon generator that generates single photons arranged two-dimensionally, and the single photon generator according to the third embodiment. It is an application example of a one-photon generator.

図11は本発明の第4の実施の形態に係る単一光子発生装置の概略平面図、図12は第4の実施の形態に係る単一光子発生部の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。   FIG. 11 is a schematic plan view of a single photon generator according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a configuration diagram of a single photon generator according to the fourth embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図11および図12を参照するに、単一光子発生装置40は、基板31、および基板31上に一方向に延在し、互いに平行に配置された複数の下部電極32、第1絶縁層33、所定の位置に金属イオン13が配置された蛍光体層34、第2絶縁層35、および下部電極32とは直交する方向に延在し、互いに平行に配置された複数の上部電極36がこの順に堆積されてなる単一光子発生部41と、下部電極駆動回路42と、上部電極駆動回路43とから構成される。単一光子発生部41の層構成は、複数の下部電極32および上部電極36が設けられている以外は、図7に示す第3の実施の形態の単一光子発生部38と同様である。   Referring to FIGS. 11 and 12, a single photon generator 40 includes a substrate 31, a plurality of lower electrodes 32 extending in one direction on the substrate 31 and arranged in parallel to each other, and a first insulating layer 33. The phosphor layer 34 in which the metal ions 13 are arranged at predetermined positions, the second insulating layer 35, and the lower electrode 32 extend in a direction orthogonal to each other, and a plurality of upper electrodes 36 arranged in parallel to each other include this A single photon generator 41, a lower electrode drive circuit 42, and an upper electrode drive circuit 43 are sequentially deposited. The layer configuration of the single photon generator 41 is the same as that of the single photon generator 38 of the third embodiment shown in FIG. 7 except that a plurality of lower electrodes 32 and upper electrodes 36 are provided.

金属イオン13は、平面視した場合に下部電極32と上部電極36が交叉する位置の蛍光体層34中に1個だけ配置されている。したがって、入力電圧信号が印加された下部電極32および上部電極36が交叉する位置の金属イオン13が励起され、その金属イオン13が基底状態に遷移する際に単一光子を生成する。したがって、所望のシリアルの信号(例えば情報を載せた信号)を下部電極駆動回路42および上部電極駆動回路43に入力することで、単一光子発生部41よりパラレルに単一光子を生成できる。したがって、例えば、単一光子発生装置に多数の光導波路を組み合わせることで、単一光子を多数の光導波路のそれぞれに同時に送出することできるので、大容量の光伝送装置として用いることができる。   Only one metal ion 13 is disposed in the phosphor layer 34 at a position where the lower electrode 32 and the upper electrode 36 intersect when viewed in plan. Therefore, the metal ion 13 at the position where the lower electrode 32 and the upper electrode 36 to which the input voltage signal is applied is excited, and a single photon is generated when the metal ion 13 transitions to the ground state. Therefore, a single photon can be generated in parallel by the single photon generator 41 by inputting a desired serial signal (for example, a signal carrying information) to the lower electrode drive circuit 42 and the upper electrode drive circuit 43. Therefore, for example, by combining a single photon generator with a large number of optical waveguides, a single photon can be simultaneously transmitted to each of the multiple optical waveguides, so that it can be used as a large-capacity optical transmission device.

また、単一光子発生部41の金属イオン13の種類を互いに異ならせることで波長多重単一光子発生装置としても用いることができる。   Moreover, it can use also as a wavelength multiplexing single photon generator by making the kind of metal ion 13 of the single photon generator 41 different from each other.

第4の実施の形態によれば、第3の実施の形態と同様の効果を奏し、さらに、下部電極32と上部電極36とが交叉する位置のそれぞれに内殻遷移を生じる1個の金属イオン13を配置することで、パラレルに単一光子を生成可能な単一光子発生装置を実現できる。   According to the fourth embodiment, the same effect as that of the third embodiment is achieved, and one metal ion that causes an inner shell transition at each of the positions where the lower electrode 32 and the upper electrode 36 cross each other. By arranging 13, a single photon generator capable of generating single photons in parallel can be realized.

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It can be changed.

本発明の第1の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。It is a block diagram of the single photon generator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. SrGa24結晶中のEu2+の励起スペクトルおよび発光スペクトルを示す図である。Is a diagram showing the excitation and emission spectra of Eu 2+ in SrGa 2 S 4 crystal. 第1の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating operation | movement of the single photon generator which concerns on 1st Embodiment. (A)および(B)は第1の実施の形態の単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。(A) And (B) is sectional drawing which shows the formation process of the single photon generating part of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。It is a block diagram of the single photon generator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. (A)および(B)は第2の実施の形態の単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。(A) And (B) is sectional drawing which shows the formation process of the single photon generating part of 2nd Embodiment. 本発明の第3の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。It is a block diagram of the single photon generator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. ZnS膜中のMn2+の発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum of Mn <2+ > in a ZnS film | membrane. 第3の実施の形態に係る単一光子発生装置の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the single photon generator which concerns on 3rd Embodiment. (A)および(B)は、単一光子発生部の形成工程を示す断面図である。(A) And (B) is sectional drawing which shows the formation process of a single photon generating part. 本発明の第4の実施の形態に係る単一光子発生装置の概略平面図である。It is a schematic plan view of the single photon generator which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 第4の実施の形態に係る単一光子発生部の構成図である。It is a block diagram of the single photon generation part which concerns on 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10,20,30,40 単一光子発生装置
11 結晶基板(GaAs基板)
12 量子ドット
12a,22a,34a 蛍光体母体材料
12a−1,22a−1,34a−1 ベース層
12a−2,22a−2,34a−2 キャップ層
13 金属イオン
14,24,38,41 単一光子発生部
15 レーザ照射装置
15A 励起光パルス
16 制御部
22,34 蛍光体層
31 基板(ガラス基板)
32 下部電極
33 第1絶縁層
35 第2絶縁層
36 上部電極
39 パルス電源部
42 下部電極駆動回路
43 上部電極駆動回路
10, 20, 30, 40 Single photon generator 11 Crystal substrate (GaAs substrate)
12 Quantum dots 12a, 22a, 34a Phosphor matrix material 12a-1, 22a-1, 34a-1 Base layer 12a-2, 22a-2, 34a-2 Cap layer 13 Metal ions 14, 24, 38, 41 Single Photon generator 15 Laser irradiation device 15A Excitation light pulse 16 Control unit 22, 34 Phosphor layer 31 Substrate (glass substrate)
32 Lower electrode 33 1st insulating layer 35 2nd insulating layer 36 Upper electrode 39 Pulse power supply part 42 Lower electrode drive circuit 43 Upper electrode drive circuit

Claims (8)

蛍光体母体材料と、該蛍光体母体材料中に内殻遷移により発光する金属イオン1個からなる蛍光体を有する単一光子発生部と、
前記金属イオンを励起させる励起光パルスあるいは蛍光体中を伝導する電子を金属イオンの発光寿命よりも短い時間で与える励起部とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置。
A single-photon generator having a phosphor matrix material, and a phosphor composed of one metal ion that emits light by inner-shell transition in the phosphor matrix material;
A single photon generator comprising: an excitation light pulse that excites the metal ions or an excitation unit that gives electrons conducted in the phosphor in a time shorter than the light emission lifetime of the metal ions.
前記励起光パルスは、金属イオンの発光波長よりも短い波長を有する請求項1記載の単一光子発生装置。   The single-photon generator according to claim 1, wherein the excitation light pulse has a wavelength shorter than the emission wavelength of the metal ion. 蛍光体母体材料と、該蛍光体母体材料中の所定の位置毎に内殻遷移により発光する1個の金属イオンを有する蛍光体を備えた単一光子発生部と、少なくとも1箇所の前記所定の位置の金属イオンに衝突して前記金属イオンを励起させる電子を与える励起部とを備える単一光子発生装置であって、
前記単一光子発生部は、基板と、該基板上に一方向に延在し、互いに平行に配置された複数の下部電極と、該下部電極上に形成された前記蛍光体と、該蛍光体上に形成されると共に該下部電極とは直交する方向に延在し互いに平行に配置された複数の上部電極と、前記下部電極と前記蛍光体との間および前記蛍光体と前記上部電極との間の少なくともいずれか一方に形成された絶縁層とを有し、
前記所定の位置は、前記単一光子発生部を平面視した場合に、それぞれ前記下部電極と前記上部電極とが交叉した位置であることを特徴とする単一光子発生装置。
A single-photon generator including a phosphor matrix material, a phosphor having one metal ion that emits light by inner shell transition at each predetermined position in the phosphor matrix material, and at least one of the predetermined areas A single photon generator comprising an excitation unit that gives electrons that excite the metal ions by colliding with metal ions at a position,
The single photon generator includes a substrate, a plurality of lower electrodes extending in one direction on the substrate and arranged in parallel to each other, the phosphor formed on the lower electrode, and the phosphor a plurality of upper electrodes arranged parallel to one another extending in the direction perpendicular to the lower electrode is formed in a top, and between the phosphor and the upper electrode of the fluorescent body and the lower electrode An insulating layer formed on at least one of the
Said predetermined position, said when single photon generating unit viewed from a single photon generating apparatus, wherein a respective said lower electrode and said upper electrode is a position intersecting.
前記蛍光体は量子ドットからなり、1個の該量子ドット中に前記金属イオンが含まれることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。 The single-photon generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the phosphor includes quantum dots, and the metal ions are contained in one quantum dot. 前記蛍光体は層状の蛍光体層であり、該蛍光体層中に前記金属イオンが含まれることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。 The single-photon generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the phosphor is a layered phosphor layer, and the metal ion is contained in the phosphor layer. 前記単一光子発生部は、下部電極と、該下部電極上に形成された層状の前記蛍光体と、該蛍光体上に形成された上部電極と、前記下部電極と蛍光体との間および蛍光体と上部電極との間の少なくともいずれか一方の間に形成された絶縁層とを有し、
前記励起部は、下部電極と上部電極との間に印加されたパルス電圧により前記蛍光体中を伝導する電子を金属イオンに衝突させて励起させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。
The single photon generator includes a lower electrode, a layered phosphor formed on the lower electrode, an upper electrode formed on the phosphor, a space between the lower electrode and the phosphor, and fluorescence. An insulating layer formed between at least one of the body and the upper electrode,
4. The excitation unit according to any one of claims 1 to 3, wherein an electron conducted through the phosphor collides with a metal ion by a pulse voltage applied between a lower electrode and an upper electrode . The single photon generator according to one item .
前記金属イオンは、Ag,Au,As,Bi,Cd,Ce,Cr,Cu,Dy,Er,Eu,Fe,Ga,Gd,Ge,Ho,Hg,In,Mn,Nd,Pb,Pr,Sb,Sm,Sn,Tb,Tm,Ti,Tl,V,W,Yb,Znからなる群のうち、いずれか1種の元素のイオンが選択されることを特徴とする請求項1〜のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。 The metal ions are Ag, Au, As, Bi, Cd, Ce, Cr, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Ho, Hg, In, Mn, Nd, Pb, Pr, Sb. , Sm, Sn, Tb, Tm , Ti, Tl, V, W, Yb, of the group consisting of Zn, one of claims 1-6, characterized in that the ions of any one element is selected The single photon generator according to any one of the above. 前記蛍光体母体材料が、XGa24の一般式で表されるチオガレート系材料、XAl24の一般式で表されるチオアルミネート系材料、Zn2SiO4,BaMg2Al1627、ZnS、CaS、SrS、CdS、GaN、ZnO、ZnSe、BaS、およびAlNからなる群のうちいずれか1種であることを特徴とする請求項1〜のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置(ただし、Xは、Sr,Ca,およびBaから選択される1種である。)。
The phosphor base material is a thiogallate-based material represented by a general formula of XGa 2 S 4 , a thioaluminate-based material represented by a general formula of XAl 2 S 4 , Zn 2 SiO 4 , BaMg 2 Al 16 O 27. , ZnS, CaS, SrS, CdS , GaN, ZnO, ZnSe, BaS, and one of claims 1-7, characterized in that of the group consisting of AlN is any one single of any one claim One-photon generator (where X is one selected from Sr, Ca, and Ba).
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