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JP6399508B2 - Photon generator and photon generation method - Google Patents
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、単一光子またはもつれ光子対を生成する光子発生装置と光子発生方法に関する。   The present invention relates to a photon generator and a photon generation method for generating a single photon or entangled photon pair.

近年、光や物質の量子的な状態を操作し、これを情報処理に活用する量子情報技術への期待が高まっている。光の量子状態は、光と物質の間の相互作用を精緻に制御することで操作し得る。量子情報技術の代表的なアプリケーションは、量子暗号通信(量子鍵配布)や量子演算である。これらを実現することで安全性が高い情報通信や、特定アルゴリズムでの高速演算が実現可能となる。量子情報技術の基盤となるのは、制御された量子状態を作り出すことである。特に単一光子およびもつれ光子対を制御性良く発生させることは、量子暗号通信などへの適用の可能性が拡がり、極めて重要である。   In recent years, there is an increasing expectation for quantum information technology that manipulates the quantum state of light and materials and uses it for information processing. The quantum state of light can be manipulated by finely controlling the interaction between light and matter. Typical applications of quantum information technology are quantum cryptography (quantum key distribution) and quantum computation. By realizing these, it is possible to realize highly secure information communication and high-speed computation with a specific algorithm. The foundation of quantum information technology is the creation of controlled quantum states. In particular, it is extremely important to generate single-photon and entangled photon pairs with good controllability because the possibility of application to quantum cryptography communication is expanded.

単一光子およびもつれ光子対発生器として、固体材料、安定動作、発光波長制御の観点から、半導体量子ドットを用いたものが多く研究されている。現在までのところ、近紫外の波長領域から光ファイバー通信の波長帯まで多くの単一光子発生器が実現されている。より高度な量子暗号通信では、ノイズの抑制や光取り出し効率の向上に加えて、高コヒーレンスが望まれる。   Many single-photon and entangled-photon pair generators using semiconductor quantum dots have been studied from the viewpoints of solid materials, stable operation, and emission wavelength control. To date, many single photon generators have been realized from the near-ultraviolet wavelength region to the wavelength band of optical fiber communications. In advanced quantum cryptography communication, in addition to suppressing noise and improving light extraction efficiency, high coherence is desired.

励起光の散乱に起因するノイズ(S/N劣化)を防止する方法として、
(1)狭線幅の励起レーザの偏光を制御し、励起光と発光の偏光を分けてS/Nを上げる方法(たとえば、非特許文献1参照)、
(2)導波路を介して励起光を伝搬させ、発生した単一光子は導波路からの漏れ光として取り出す方法(たとえば、非特許文献2参照)
などが提案されている。
As a method for preventing noise (S / N degradation) due to scattering of excitation light,
(1) A method of increasing the S / N by controlling the polarization of the excitation laser having a narrow line width and separating the polarization of the excitation light and emission (for example, see Non-Patent Document 1),
(2) A method in which excitation light is propagated through a waveguide and a generated single photon is taken out as leakage light from the waveguide (for example, see Non-Patent Document 2).
Etc. have been proposed.

しかし、上記(1)の方法を用いても
(a) 散乱光の影響で単一光子発生の飽和点でのS/Nが悪い、
(b) 励起光線幅を狭帯域化するためCWレーザを用いており、オンデマンドな単一光子の発生を実現できない、
(c) 偏光で散乱光を抑えるために光学系の設計の自由度が下がる、
などの課題が残る。
However, even if the method (1) is used,
(a) S / N at the saturation point of single photon generation is poor due to scattered light,
(b) A CW laser is used to narrow the excitation beam width, and on-demand single photon generation cannot be realized.
(c) The degree of freedom in designing the optical system is reduced to suppress scattered light with polarized light.
Issues such as remain.

上記(2)の方法を用いても、
(a) 導波路から漏れ出す励起光の発光があり、単一光子検出のS/Nを十分に抑制できない、
などの課題が残る。
Even if the method (2) is used,
(a) There is emission of excitation light leaking from the waveguide, and the S / N of single photon detection cannot be sufficiently suppressed.
Issues such as remain.

なお、半導体物質に2個の親光子を照射して、二光子共鳴励起により角運動量が0の状態の励起子分子を生成し、生成した励起子分子を2個の光子に同時に分裂させてそれぞれが親光子の波長と同じ波長を有する量子もつれ光子対を生成する方法が知られている(たとえば、特許文献1参照)。この方法は、バルクの半導体結晶の非線形性とバルクの励起子分子を用いてもつれ光子対を発生させているが、非線形効果を起こす際に、一定以上の強度の入射光パルスが必要である。また、生成されるもつれ光子対も一回のパルスイベントに対して必ずしも単一のもつれ光子対とはならないので、オンデマンド性を満足していない。   The semiconductor material is irradiated with two parent photons to generate exciton molecules with zero angular momentum by two-photon resonance excitation, and the generated exciton molecules are simultaneously split into two photons. There is known a method of generating a entangled photon pair having the same wavelength as that of the parent photon (see, for example, Patent Document 1). In this method, entangled photon pairs are generated using nonlinearity of bulk semiconductor crystals and bulk exciton molecules, but an incident light pulse with a certain intensity or more is required to cause nonlinear effects. Also, the generated entangled photon pair does not necessarily become a single entangled photon pair for one pulse event, and therefore does not satisfy the on-demand property.

特許第3649408号Japanese Patent No. 3649408

Phys. Rev. Lett. 108, 093602 (2012), Appl. Phys. Lett. 99, 261904 (2011)Phys. Rev. Lett. 108, 093602 (2012), Appl. Phys. Lett. 99, 261904 (2011) Phys. Rev. B 78, 073301 (2008)Phys. Rev. B 78, 073301 (2008)

高いコヒーレンスを有する単一光子の発生を実現するには、励起子および励起子分子の再結合発光の際のエネルギー散逸を抑制することが有効と考えられる。しかし、量子ドットの発光エネルギーに完全に共鳴する光パルスを用いて光励起を行うと、励起光のエネルギーと発生する単一光子のエネルギーが同じになる。そのため、単一光子を取り出す際に励起光の散乱によってS/Nが悪化する。   In order to realize generation of single photons having high coherence, it is considered effective to suppress energy dissipation during recombination emission of excitons and exciton molecules. However, when photoexcitation is performed using an optical pulse that completely resonates with the emission energy of the quantum dots, the energy of the excitation light and the energy of the generated single photons become the same. Therefore, S / N deteriorates due to scattering of excitation light when taking out a single photon.

そこで共鳴光励起による高いコヒーレンスを実現しつつ、励起光のエネルギー散逸によるノイズを低減することのできる光子発生装置と光子発生方法を提供することを課題とする。   It is an object of the present invention to provide a photon generator and a photon generation method that can reduce noise due to energy dissipation of excitation light while realizing high coherence by resonance light excitation.

上記課題を解決するために、光子発生装置は、
半導体基板に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットの励起子分子状態を二光子共鳴励起する励起光源と、
前記量子ドットからの励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光の少なくとも一方を、前記励起光源からの励起光から分離する光学フィルタと、
を備え、
前記量子ドットの励起子の再結合エネルギーをE、前記量子ドットの励起子分子の再結合エネルギーをEBX、前記励起光のエネルギーをEとすると、前記励起光源は、
=(E+EBX)/2
を満たす励起光を前記量子ドットに照射して前記励起子分子状態を共鳴励起する。
In order to solve the above problems, the photon generator is
A single quantum dot formed on a semiconductor substrate;
An excitation light source for two-photon resonance excitation of the exciton molecular state of the quantum dots;
An optical filter for separating at least one of exciton recombination luminescence and exciton molecule recombination luminescence from the quantum dots from excitation light from the excitation light source;
With
Recombination energy E X of excitons of the quantum dots, the recombination energy E BX exciton molecules of the quantum dots, the energy of the excitation light and E P, the excitation light source,
E P = (E X + E BX ) / 2
The quantum dots are irradiated with excitation light that satisfies the above conditions, and the exciton molecule state is resonantly excited.

単一光子またはもつれ光子対の再結合発光の際のエネルギー散逸を抑えることで、高いコヒーレンスを有した光子発生を実現することができる。   By suppressing energy dissipation during recombination emission of a single photon or entangled photon pair, photon generation with high coherence can be realized.

実施形態の原理として、励起光エネルギー(E)、励起子の再結合エネルギー(E)、励起子分子の再結合エネルギー(EBX)の関係を示す図である。As principles of the embodiments, the excitation light energy (E P), exciton recombination energy (E X), is a diagram showing the relationship between recombination energy (E BX) exciton molecules. 第1実施形態の光子発生装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the photon generator of 1st Embodiment. 励起光時間積分強度を変えたときの励起子の数と、励起子分子状態の励起子の数を示す図である。It is a figure which shows the number of excitons when exciter light time integration intensity is changed, and the number of excitons of an exciton molecular state. 第2実施形態の光子発生装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the photon generator of 2nd Embodiment. 直接変調レーザダイオードを用いて励起パルス時間幅を20psとし、励起子分子束縛エネルギーΔEBXを0.5meV〜3.0meVまで変化させたときの励起子分子のポピュレーションを示す図である。It is a figure which shows the population of an exciton molecule when an excitation pulse time width is 20 ps using a direct modulation laser diode and exciton molecule binding energy ΔE BX is changed from 0.5 meV to 3.0 meV. 第3実施形態の光子発生装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the photon generator of 3rd Embodiment.

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では、ひとつの量子ドットに共鳴励起光を照射し、二光子励起により励起子分子状態を共鳴励起する。共鳴励起された励起子分子状態から基底状態に緩和する過程で、励起子分子の再結合発光と励起子の再結合発光が連続して発生する。この励起子分子の再結合発光と励起子の再結合発光を、別々または両方一緒に励起光(散乱光)から分離する。この手法により、単一光子またはもつれ光子対を制御性よく発生させることができる。   Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment, one quantum dot is irradiated with resonance excitation light, and the exciton molecule state is resonance excited by two-photon excitation. In the process of relaxation from the resonantly excited exciton molecule state to the ground state, recombination luminescence of the exciton molecule and recombination luminescence of the exciton occur continuously. The recombination luminescence of the exciton molecule and the recombination luminescence of the exciton are separated from the excitation light (scattered light) separately or together. By this method, single photons or entangled photon pairs can be generated with good controllability.

図1は、実施形態の原理として、励起光エネルギー(E)、励起子の再結合エネルギー(E)、励起子分子の再結合エネルギー(EBX)の関係を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a relationship among excitation light energy (E P ), exciton recombination energy (E X ), and exciton molecule recombination energy (E BX ) as the principle of the embodiment.

量子ドットは、その量子力学的な閉じ込め効果によって、エネルギー準位が離散している。逆向きのスピンを有する電子の正孔の対は「励起子」状態(|X>)を形成し、2つの励起子が量子ドット内に励起されることによって励起子分子状態(|BX>)を形成する。   Quantum dots have discrete energy levels due to their quantum mechanical confinement effect. A pair of electron holes with opposite spins forms an “exciton” state (| X>), and the exciton molecular state (| BX>) is excited when two excitons are excited into the quantum dot. Form.

量子ドット中に励起された励起子は、クーロン相互作用の影響を受け、励起子状態と励起子分子状態とで再結合エネルギーが変化する。図1において、励起子分子状態(|BX>)の再結合エネルギーは、単純に励起子のエネルギーを2倍にした(|XX>)のエネルギーよりも低い。このエネルギーの変化量を励起子分子束縛エネルギーΔEBXと呼ぶ。 The excitons excited in the quantum dot are affected by the Coulomb interaction, and the recombination energy changes between the exciton state and the exciton molecular state. In FIG. 1, the recombination energy of the exciton molecular state (| BX>) is lower than the energy of (| XX>) simply doubled the exciton energy. This amount of energy change is referred to as exciton molecule binding energy ΔE BX .

励起子分子束縛エネルギーΔEBXは、ΔEBX=E−EBXで表わされる。ここで、Eはs-シェル励起子の再結合エネルギー、EBXはs-シェル励起子分子の再結合エネルギーである。この明細書および特許請求の範囲で「励起子分子」というときは、励起子分子状態を構成する2つの励起子のうち、先に再結合発光する再結合エネルギーがΔEBXだけ小さいほうの励起子を指すものとする。 The exciton molecule binding energy ΔE BX is represented by ΔE BX = E X −E BX . Here, E X is the recombination energy of the s-shell exciton, and E BX is the recombination energy of the s-shell exciton molecule. In this specification and claims, the term “exciton molecule” refers to an exciton having a smaller recombination energy of ΔE BX among two excitons constituting an exciton molecule state. Shall be pointed to.

量子ドットに照射される共鳴光パルスの2つの光子が同時に吸収されることによって、量子ドット中に2つの励起子が生成され、励起子分子状態(|BX>)を形成する。このとき、使用される共鳴光パルスのエネルギーEは、s-シェルの励起子の再結合エネルギーEと、s-シェルの励起子分子の再結合エネルギーEBXを用いて、式(1)で表わされる。 By simultaneously absorbing two photons of the resonant light pulse applied to the quantum dot, two excitons are generated in the quantum dot and form an exciton molecular state (| BX>). At this time, the energy E P of the resonance light pulse used is expressed by the equation (1) using the recombination energy E X of the exciton of the s-shell and the recombination energy E BX of the exciton molecule of the s-shell. It is represented by

=(E+EBX)/2=E−(ΔEBX/2) (1)
この関係によると、二光子共鳴では、励起子の再結合エネルギーEと励起子分子の再結合エネルギーEBXは、それぞれ励起光パルスのエネルギーEに対して±ΔEBX/2の差を有することがわかる。E≠E、E≠EBX、かつE<Eなので、励起光パルスの一光子吸収による励起子の光励起は抑制される。
E P = (E X + E BX ) / 2 = E X − (ΔE BX / 2) (1)
According to this relationship, the two-photon resonance, recombination energy E BX exciton molecule recombination energy E X excitons, respectively have a difference of ± ΔE BX / 2 relative to the energy E P of the pumping light pulse I understand that. Since E P ≠ E X , E P ≠ E BX , and E P <E X , the exciton photoexcitation due to the one-photon absorption of the excitation light pulse is suppressed.

ΔEBXは物性的に決まるパラメータであり、代表的なInAs/InP量子ドットでは、1meV程度、ΔEBX/2は0.5meV程度である。励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光を光学フィルタによって波長選別することで、励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光のいずれか一方、または両方を抽出することができる。これにより、励起光の散乱を抑え、単一光子またはもつれ光子対を効率的に発生させることができる。 ΔE BX is a parameter determined by physical properties. In a typical InAs / InP quantum dot, ΔE BX / 2 is about 1 meV, and ΔE BX / 2 is about 0.5 meV. By selecting the wavelength of the recombination luminescence of the exciton and the recombination luminescence of the exciton molecule using an optical filter, it is possible to extract either or both of the exciton recombination luminescence and the exciton molecule recombination luminescence. it can. Thereby, scattering of excitation light can be suppressed and single photon or entangled photon pairs can be efficiently generated.

(第1実施形態)
図2は、第1実施形態の光子発生装置10の概略構成図である。光子発生装置10は、半導体基板12に形成された量子ドット13と、励起パルス発生器(励起光源)11と、光学フィルタ15を含む。励起パルス発生器11は、量子ドット13を照射して量子ドット13のs-シェル励起子分子状態を共鳴励起する。励起子分子状態から基底状態へと緩和する過程で、量子ドット13から、励起子分子の再結合発光と励起子の再結合発光が連続して生じる。光学フィルタ15は、励起子分子の再結合発光(エネルギーEBX)と、励起子の再結合発光(エネルギーE)の各々または両方を、励起光の散乱光から分離する。
(First embodiment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the photon generator 10 of the first embodiment. The photon generator 10 includes quantum dots 13 formed on a semiconductor substrate 12, an excitation pulse generator (excitation light source) 11, and an optical filter 15. The excitation pulse generator 11 irradiates the quantum dot 13 and resonantly excites the s-shell exciton molecular state of the quantum dot 13. In the process of relaxation from the exciton molecule state to the ground state, the recombination emission of the exciton molecule and the recombination emission of the exciton are continuously generated from the quantum dot 13. The optical filter 15 separates each or both of the exciton molecule recombination emission (energy E BX ) and the exciton recombination emission (energy E X ) from the scattered light of the excitation light.

ここで、図1を参照して説明したように、励起パルス発生器11から照射される励起光パルスのエネルギーEと、量子ドット13のs-シェル励起子再結合エネルギーEと、量子ドット13のs-シェル励起子分子再結合エネルギーEBXでの関係は、
=(E+EBX)/2,かつ
<E
を満たし、二光子吸収が効率的に行われる。
Here, as described with reference to FIG. 1, the energy E P of the pumping light pulse emitted from the excitation pulse generator 11, and s- shell exciton recombination energy E X of the quantum dots 13, the quantum dots The relationship of 13 s-shell exciton molecule recombination energy E BX is
E P = (E X + E BX ) / 2, and E P <E X
The two-photon absorption is performed efficiently.

量子ドット13は、たとえばInP基板13に形成されたInAs量子ドット13である。図示はしないが、InP基板12上にバッファ層を形成し、分子線エピタキシャル成長によりInAs量子ドットを形成し、量子ドット13上にキャップ層(不図示)を形成する。   The quantum dots 13 are InAs quantum dots 13 formed on, for example, the InP substrate 13. Although not shown, a buffer layer is formed on the InP substrate 12, InAs quantum dots are formed by molecular beam epitaxial growth, and a cap layer (not shown) is formed on the quantum dots 13.

励起パルス発生器11は、たとえば半導体レーザダイオードによるパルス光源である。後述するように、励起パルス発生器11は、励起エネルギー(波長)とパルス面積(励起光の時間積分強度:1光子吸収によって励起子が1個生成される強度をπパルスと呼ぶ。)が可変の励起光源である。図2の例では、励起パルス発生器11の光学パスP1と、再結合発光の光子検出パスP2の間の角度がθに設定されているが、この例に限定されない。半導体基板12に入射するパルス光が全反射しない角度であればθの範囲に制限はなく、θ=0のように励起パルスのパスP1と光子検出パスP2が同軸の関係になってもよい。   The excitation pulse generator 11 is a pulse light source such as a semiconductor laser diode. As will be described later, the excitation pulse generator 11 has variable excitation energy (wavelength) and pulse area (time integrated intensity of excitation light: the intensity at which one exciton is generated by photon absorption is called a π pulse). Excitation light source. In the example of FIG. 2, the angle between the optical path P1 of the excitation pulse generator 11 and the photon detection path P2 of recombination light emission is set to θ, but is not limited to this example. The range of θ is not limited as long as the pulsed light incident on the semiconductor substrate 12 is not totally reflected, and the excitation pulse path P1 and the photon detection path P2 may have a coaxial relationship such as θ = 0.

励起光パルスが照射されると、量子ドット13に閉じ込められたキャリアは、エネルギーEの光子を2つ同時に吸収して励起子分子状態となり、その後、励起子分子の再結合エネルギーEBXと、励起子の再結合エネルギーEを連続して放出する。光子検出パスP2には、励起子分子の発光と、励起子の発光のほかに、励起光パルスの反射散乱光も含まれる。 When the excitation light pulse is irradiated, the carriers confined in the quantum dots 13 simultaneously absorb two photons of energy E P to be in an exciton molecule state, and then recombination energy E BX of the exciton molecule, releasing recombination energy E X exciton continuously. The photon detection path P2 includes reflected and scattered light of excitation light pulses in addition to the emission of exciton molecules and the emission of excitons.

光子検出パスP2に配置された光学フィルタ15は、励起子分子の再結合エネルギーEBXと励起子の再結合エネルギーEのいずれか一方または双方を、励起光パルスのエネルギーEから分離する。 Optical filter 15 disposed in the photon detection path P2 is either or both of the recombination energy E X of the recombination energy E BX and excitons biexcitons, separated from the energy E P of the pumping light pulse.

InP基板12に形成されたInAs量子ドット13の場合、励起子分子束縛エネルギーΔEBXは1meV程度なので、EBXとEのそれぞれは、励起光パルスのエネルギーEから0.5meV程度の差を有している。そこで、光学フィルタ15としてバンドパスフィルタを用いてEBXまたはEのいずれか一方だけを切り出す。この場合、光子発生装置10は単一光子発生装置として機能する。 For InAs quantum dots 13 formed on the InP substrate 12, since the exciton molecules binding energy Delta] E BX of about 1 meV, each E BX and E X, a difference of about 0.5meV from the energy E P of the pumping light pulse Have. Therefore, it cuts out only one of E BX or E X using a band-pass filter as the optical filter 15. In this case, the photon generator 10 functions as a single photon generator.

光学フィルタ15としてノッチフィルタを用いてEを遮断する構成としてもよい。この場合、EBXとEの双方が光学フィルタ15を透過するので、光子発生装置10をもつれ光子対発生装置として用いることができる。 It may be configured to block E P using a notch filter as the optical filter 15. In this case, since both the E BX and E X is transmitted through the optical filter 15 can be used as a photon pair generating device entangled photons generator 10.

図3は、励起光時間積分強度を変えたときの励起子数と、励起子分子状態の励起子数を示す図である。共鳴励起においては、励起光の時間積分強度を制御することで、任意の励起子分子ポピュレーションを作ることができる。なお励起子分子状態の二光子吸収は実準位を介さない非線形な過程であり、励起パルスの時間幅が短く、ΔEBXが小さい方が二光子吸収の発生確率が高くなる。図3では、ΔEBX/2を一般的な値である0.5meVとし、励起光パルスの時間幅を変化させたときの励起子および励起子分子状態の励起子の数を計算している。ここで、パルス面積は光パルス強度の時間積分値であり1光子吸収によって励起子数が1になる点をπと定義する。一般的な半導体レーザダイオードなどで実現可能な時間幅が20psの励起パルスを用いた場合、二光子吸収を起こすためには、4πのパルス面積が必要になる。励起子が飽和する光のパワーに換算すると16倍の強度の励起光パルスが必要になるが、光学フィルタ15の波長選択性を考えると十分に抑圧可能である。 FIG. 3 is a diagram showing the number of excitons and the number of excitons in the exciton molecular state when the excitation light time integrated intensity is changed. In resonance excitation, an arbitrary exciton molecular population can be created by controlling the time integrated intensity of excitation light. Note that the two-photon absorption in the exciton molecular state is a non-linear process that does not involve real levels, and the probability of two-photon absorption is higher when the time width of the excitation pulse is shorter and ΔE BX is smaller. In FIG. 3, ΔE BX / 2 is a general value of 0.5 meV, and the number of excitons and excitons in the exciton molecular state when the time width of the excitation light pulse is changed are calculated. Here, the pulse area is a time integral value of the optical pulse intensity, and the point where the number of excitons becomes 1 by one-photon absorption is defined as π. When an excitation pulse having a time width of 20 ps that can be realized by a general semiconductor laser diode or the like is used, a pulse area of 4π is required to cause two-photon absorption. When converted into the power of light at which excitons are saturated, an excitation light pulse 16 times in intensity is required, but considering the wavelength selectivity of the optical filter 15, it can be sufficiently suppressed.

励起子分子の再結合発光を使用する場合には、励起子と比較して約半分の発光再結合寿命となるので、コヒーレンスを保持したまま単一光子として発光される確率が高まる。また、微細構造分裂がない量子ドット13を用いた場合、励起子分子発光と励起子発光の両方を光学フィルタ15で取り出すことにより、コヒーレンスの高いもつれ光子対が実現できる。   When the recombination emission of the exciton molecule is used, the emission recombination lifetime is about half that of the exciton, so that the probability of emitting light as a single photon while maintaining coherence is increased. In addition, when the quantum dots 13 having no fine structure splitting are used, an entangled photon pair with high coherence can be realized by extracting both exciton molecular emission and exciton emission with the optical filter 15.

(第2実施形態)
図4は、第2実施形態の光子発生装置20の概略構成図である。第2実施形態では、電場の印加によりΔBXを制御する。光子発生装置20の基本部分の構成は、第1実施形態の光子発生装置10と同様である。第1実施例の光子発生装置10と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the photon generator 20 of the second embodiment. In the second embodiment, ΔBX is controlled by applying an electric field. The basic configuration of the photon generator 20 is the same as that of the photon generator 10 of the first embodiment. The same components as those of the photon generator 10 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

半導体基板22は、量子ドット23が存在する部分にメサ構造を有する。メサ構造の両側に電極23を配置し、電極23間に電場を印加することで、励起子分子束縛エネルギーΔEBXを変調し、必要となる励起光パルスの光強度を制御する。 The semiconductor substrate 22 has a mesa structure in a portion where the quantum dots 23 are present. By arranging the electrodes 23 on both sides of the mesa structure and applying an electric field between the electrodes 23, the exciton molecule binding energy ΔE BX is modulated, and the light intensity of the necessary excitation light pulse is controlled.

メサ構造は、たとえば半導体基板22に量子ドット23を含む層を成長した後に、量子ドット23の周囲をエッチング加工して形成することができる。電極23間の幅dは、たとえば200〜1000nmである。   The mesa structure can be formed, for example, by growing a layer including the quantum dots 23 on the semiconductor substrate 22 and then etching the periphery of the quantum dots 23. The width d between the electrodes 23 is, for example, 200 to 1000 nm.

量子ドット23の励起子分子束縛エネルギーΔEBXは、主に量子ドット23中の2つの電子と2つの正孔の間のクーロン積分エネルギーによって決まるが、外部から電場を印加すると、電子と正孔の波動関数の重なりが変化する。そのため励起子分子束縛エネルギーΔEBXが変化する。 The exciton molecular binding energy ΔE BX of the quantum dot 23 is mainly determined by the Coulomb integral energy between two electrons and two holes in the quantum dot 23, but when an electric field is applied from the outside, The overlap of wave functions changes. Therefore, the exciton molecule binding energy ΔE BX changes.

一般的な自己形成量子ドットでは、高さ方向のサイズよりも横方向のサイズの方が大きい。量子ドット23に横方向(基板に対して水平な方向)の電場を印加すると、電子と正孔の有効質量の違いから電子と正孔の波動関数の重心の変位に大きな差が生じる。第2実施形態では、30kV/cm程度の横方向電場(印加電圧換算で、0.6〜3.0V程度)の導入で、ΔEBXを1meV程度変化させることができる。ΔEBXの変化に応じて励起パルス発生器11の励起エネルギーを制御することで、二光子吸収の起きる確率を制御することができる。 In general self-forming quantum dots, the size in the horizontal direction is larger than the size in the height direction. When an electric field in the lateral direction (direction parallel to the substrate) is applied to the quantum dots 23, a large difference occurs in the displacement of the center of gravity of the wave function of electrons and holes due to the difference in effective mass between electrons and holes. In the second embodiment, ΔE BX can be changed by about 1 meV by introducing a lateral electric field of about 30 kV / cm (applied voltage conversion: about 0.6 to 3.0 V). By controlling the excitation energy of the excitation pulse generator 11 according to the change in ΔE BX, the probability of occurrence of two-photon absorption can be controlled.

図5は、所定の励起パルス時間幅で、励起子分子束縛エネルギーΔEBXを0.5〜3.0meVまで変化させたときの励起子分子のポピュレーションを示す図である。図5の例では、励起パルス時間幅として、直接変調レーザダイオードを用いた場合の典型的な時間幅である20psに設定した。 FIG. 5 is a diagram showing the population of exciton molecules when exciton molecule binding energy ΔE BX is changed from 0.5 to 3.0 meV with a predetermined excitation pulse time width. In the example of FIG. 5, the excitation pulse time width is set to 20 ps, which is a typical time width when a directly modulated laser diode is used.

ΔEBXを1.0meVから2.0meVに変化させる場合、二光子吸収によって励起子分子を生成するのに4πのパルス面積が必要であったのが、5.5πのパルス面積が必要になってくる。これは励起子飽和強度の16倍の強度から、30倍の強度への変化を意味する。しかし、励起子分子の束縛エネルギーが2.0meVに拡がったことから、励起光パルスのエネルギーEとEのエネルギー差、またはEとEBXのエネルギー差が大きくなり、光学フィルタ15による弁別が容易になる。したがって、ノイズが少ない単一光子発光を取り出すことができる。この電場によるΔEBXを制御する手法によって励起光パルスの波長幅やフィルターの透過波長特性に合わせた低ノイズな二光子吸収が実現可能となる。また、光学フィルタ15をノッチフィルタとして励起光パルスの散乱光を遮断する構成にした場合は、コヒーレンスを維持したもつれ光子対を取り出すことができる。 When ΔE BX is changed from 1.0 meV to 2.0 meV, a pulse area of 4π is required to generate exciton molecules by two-photon absorption, but a pulse area of 5.5π is required. come. This means a change from 16 times the exciton saturation intensity to 30 times the intensity. However, since the binding energy of the exciton molecule has expanded to 2.0 meV, the energy difference between the excitation light pulses E P and E X or the energy difference between E P and E BX becomes larger, and discrimination by the optical filter 15 is performed. Becomes easier. Therefore, single photon emission with less noise can be extracted. By controlling ΔE BX by this electric field, two-photon absorption with low noise matched to the wavelength width of the excitation light pulse and the transmission wavelength characteristic of the filter can be realized. Further, when the optical filter 15 is used as a notch filter to block the scattered light of the excitation light pulse, the entangled photon pair maintaining coherence can be taken out.

(第3実施形態)
図6は、第3実施形態の光子発生装置30の概略構成図である。第3実施形態では、電場の印加によるΔEBXの制御と光取り出し効率を高めた光子発生装置30を提供する。光子発生装置30の基本部分の構成は、第1実施形態の光子発生装置10と同様である。第1実施例の光子発生装置10と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the photon generator 30 of the third embodiment. In the third embodiment, a photon generator 30 is provided in which ΔE BX control by applying an electric field and light extraction efficiency are enhanced. The configuration of the basic part of the photon generator 30 is the same as that of the photon generator 10 of the first embodiment. The same components as those of the photon generator 10 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

第3実施形態では、半導体基板32の裏面32aから光励起を行い、量子ドット33からの発光を半導体基板32の外部に取り出す。半導体基板32に図示しないバッファ層を介して量子ドット33を含む層を成長した後に、半導体基板32を円錐形に加工し、側面に電極34を配置する。半導体基板32の裏面32aから光励起および光検出を行なう。量子ドット33は、たとえば円錐の頂点から50〜300nm程度離れた位置に存在する。量子ドット33からの発光は、半導体基板32の円錐側壁で反射されて大部分が半導体基板32の裏面32aの方向に戻るので、量子ドット33からの発光を効率良く外部に取り出すことができる。   In the third embodiment, photoexcitation is performed from the back surface 32 a of the semiconductor substrate 32, and light emitted from the quantum dots 33 is extracted outside the semiconductor substrate 32. After a layer including quantum dots 33 is grown on the semiconductor substrate 32 via a buffer layer (not shown), the semiconductor substrate 32 is processed into a conical shape, and the electrodes 34 are arranged on the side surfaces. Photoexcitation and light detection are performed from the back surface 32a of the semiconductor substrate 32. The quantum dot 33 exists at a position away from the apex of the cone by about 50 to 300 nm, for example. Light emitted from the quantum dots 33 is reflected by the conical side wall of the semiconductor substrate 32 and most of the light returns in the direction of the back surface 32a of the semiconductor substrate 32, so that light emitted from the quantum dots 33 can be efficiently extracted to the outside.

基板裏面32aは光の透過性を向上するために鏡面加工をしてもよい。あるいは反射損失を抑制するために反射防止膜36を形成してもよい。   The substrate back surface 32a may be mirror-finished to improve light transmission. Alternatively, an antireflection film 36 may be formed to suppress reflection loss.

円錐底部での電極34間の距離dは1μm程度である。電極34間に電圧を印加することで、量子ドット33に横方向(半導体基板32の基板面と水平な方向)に電場を与え、電子と正孔の波動関数の重なりを変化させてΔEBXを制御する。ΔEBXを大きくして正確に2つの光子を励起光の散乱光から分離することと、必要とされる励起パワーの増大はトレードオフの関係なので、ΔEBXの範囲が1.0〜2.0meVになるように制御するのが望ましい。 The distance d between the electrodes 34 at the bottom of the cone is about 1 μm. By applying a voltage between the electrodes 34, an electric field is applied to the quantum dots 33 in the lateral direction (the direction parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 32), and the overlap of the wave functions of electrons and holes is changed to set ΔE BX Control. Since ΔE BX is increased to accurately separate the two photons from the scattered light of the excitation light and the required increase in excitation power is a trade-off, the range of ΔE BX is 1.0 to 2.0 meV. It is desirable to control so that

半導体基板32の裏面32aから光子検出パスP2に現れる励起子分子の再結合発光と励起子の再結合発光は、光学フィルタ15により単一光子またはもつれ光子対として、光子発生装置30から出力される。   Exciton molecule recombination emission and exciton recombination emission appearing in the photon detection path P2 from the back surface 32a of the semiconductor substrate 32 are output from the photon generator 30 as a single photon or entangled photon pair by the optical filter 15. .

以上のべたように、実施形態の構成と手法により、共鳴励起光のエネルギーEPを、励起子分子の再結合エネルギーEBXおよび励起子の再結合エネルギーEXと分離することができる。また、s-シェル励起子およびs-シェル励起子分子の再結合発光過程でのエネルギー散逸を抑制することで、高いコヒーレンスを実現することができる。これにより、光学構造に関係なく、励起光散乱の影響を抑制したオンデマンドの高コヒーレンス光子発生器が実現される。 As described above, the energy E P of the resonance excitation light can be separated from the recombination energy E BX of the exciton molecule and the recombination energy E X of the exciton by the configuration and method of the embodiment. Further, high coherence can be realized by suppressing energy dissipation in the recombination emission process of s-shell excitons and s-shell exciton molecules. This realizes an on-demand high-coherence photon generator that suppresses the influence of excitation light scattering regardless of the optical structure.

励起子分子の再結合発光を単一光子として取り出す場合は、発光再結合時間が励起子発光の半分になるので、より高い繰り返しレートで光子発生可能な単一光子発生が可能となる。構造の対称性の高い量子ドットを用いて励起子発光と励起子分子発光の双方を取り出すことで、高いコヒーレンスを有するもつれ光子対の生成が可能になる。   In the case where the recombination emission of the exciton molecule is taken out as a single photon, the emission recombination time is half that of the exciton emission, so that it is possible to generate a single photon that can generate photons at a higher repetition rate. By taking out both exciton light emission and exciton molecular light emission using a quantum dot having a high structure symmetry, it becomes possible to generate an entangled photon pair having high coherence.

実施形態の光子発生装置10、20、30は、単一光子の発生にも、もつれ光子対の発生にも有用である。実施形態では、InAs/InP量子ドットを用いたが、これに限定されず、InAs/GaAs量子ドット、GaN/AlN量子ドット、InP/GaP量子ドットなど任意の量子ドットを用いることができる。いずれの場合も、量子ドットのs-シェルの励起子の再結合エネルギーE、s-シェル励起子分子の再結合エネルギーEBXとしたときに、励起光源のパルスエネルギーEをE=(E+EBX)/2となるように選択、設定する。励起パルス発生器は、励起光エネルギーまたは励起光の時間積分強度を可変にできる任意の励起光源である。 The photon generators 10, 20, and 30 of the embodiments are useful for generating single photons and entangled photons. In the embodiment, InAs / InP quantum dots are used. However, the present invention is not limited to this, and any quantum dots such as InAs / GaAs quantum dots, GaN / AlN quantum dots, and InP / GaP quantum dots can be used. In any case, when the recombination energy E X of the s-shell exciton of the quantum dot and the recombination energy E BX of the s-shell exciton molecule, the pulse energy E P of the excitation light source is expressed as E P = ( E X + E BX ) / 2 is selected and set. The excitation pulse generator is any excitation light source that can vary the excitation light energy or the time integrated intensity of the excitation light.

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
半導体基板(12,22,32)に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットの励起子分子状態を二光子共鳴励起する励起光源と、
前記量子ドットからの励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光の少なくとも一方を、前記励起光源からの励起光から分離する光学フィルタと、
を備え、
前記量子ドットの励起子の再結合エネルギーをE、前記量子ドットの励起子分子の再結合エネルギーをEBX、前記励起光のエネルギーをEとすると、前記励起光源は、
=(E+EBX)/2
を満たす励起光を前記量子ドットに照射して前記励起子分子状態を二光子共鳴励起することを特徴とする光子発生装置。
(付記2)
前記励起光源は、励起光時間積分強度が可変の光源であることを特徴とする付記1に記載の光子発生装置。
(付記3)
前記量子ドットの側方に配置され、前記量子ドットに対して前記半導体基板と水平な方向の電場を印加する一対の電極、
をさらに有し、前記電場の印加により、前記励起子の再結合エネルギーと前記励起子分子の再結合エネルギーの差で表わされる励起子分子束縛エネルギーを制御可能とすることを特徴とする付記1又は2に記載の光子発生装置。
(付記4)
前記励起光源は、前記電場の印加による前記励起子分子束縛エネルギーの変化に応じて前記時間積分強度を変化させることを特徴とする付記3に記載の光子発生装置。
(付記5)
前記光学フィルタは、前記励起子の再結合発光と、前記励起子分子の再結合発光のいずれか一方を透過することを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の光子発生装置。
(付記6)
前記光学フィルタは、前記励起光を遮断し、前記励起子の再結合発光と前記励起子分子の再結合発光の両方を透過することを特徴とする付記1〜4のいずれかに記載の光子発生装置。
(付記7)
前記励起光を前記半導体基板の裏面に照射し、前記半導体基板の裏面から前記励起子の再結合発光と前記励起子分子の再結合発光を取り出すことを特徴とする付記1〜6のいずれかに記載の光子発生装置。
(付記8)
単一の量子ドットに前記量子ドットの励起子分子状態を二光子共鳴励起する励起光を照射し、
前記量子ドットからの励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光の少なくとも一方を、前記励起光源からの励起光から光学的に分離し、
前記量子ドットの励起子の再結合エネルギーをE、前記量子ドットの励起子分子の再結合エネルギーをEBX、前記励起光のエネルギーをEとすると、前記励起光のエネルギーは、
=(E+EBX)/2
を満たすことを特徴とする光子発生方法。
(付記9)
前記励起光の時間積分強度を制御することによって励起子分子状態にある励起子のポピュレーションを制御することを特徴とする付記8に記載の光子発生方法。
(付記10)
前記量子ドットの成長方向と直交するに電場を印加して、前記励起子の再結合エネルギーと前記励起子分子の再結合エネルギーとの差で表わされる励起子分子束縛エネルギーを制御することを特徴とする付記8又は9に記載の光子発生方法。
(付記11)
前記電場の印加による前記励起子分子束縛エネルギーの変化に応じて、前記励起光の時間積分強度を調整することを特徴とする付記10に記載の光子発生方法。
The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
A single quantum dot formed on a semiconductor substrate (12, 22, 32);
An excitation light source for two-photon resonance excitation of the exciton molecular state of the quantum dots;
An optical filter for separating at least one of exciton recombination luminescence and exciton molecule recombination luminescence from the quantum dots from excitation light from the excitation light source;
With
Recombination energy E X of excitons of the quantum dots, the recombination energy E BX exciton molecules of the quantum dots, the energy of the excitation light and E P, the excitation light source,
E P = (E X + E BX ) / 2
A photon generator characterized by irradiating the quantum dots with excitation light that satisfies the above conditions to excite the exciton molecules in two-photon resonance.
(Appendix 2)
The photon generator according to appendix 1, wherein the excitation light source is a light source having a variable excitation light time integrated intensity.
(Appendix 3)
A pair of electrodes disposed on the sides of the quantum dots and applying an electric field in a direction parallel to the semiconductor substrate to the quantum dots;
Or an exciton molecule binding energy represented by a difference between the recombination energy of the exciton and the recombination energy of the exciton molecule can be controlled by applying the electric field. 2. The photon generator according to 2.
(Appendix 4)
The photon generator according to appendix 3, wherein the excitation light source changes the time integration intensity according to a change in the exciton molecule binding energy due to the application of the electric field.
(Appendix 5)
5. The photon generator according to any one of appendices 1 to 4, wherein the optical filter transmits one of recombination light emission of the exciton and recombination light emission of the exciton molecule.
(Appendix 6)
5. The photon generation according to any one of appendices 1 to 4, wherein the optical filter blocks the excitation light and transmits both the recombination light emission of the exciton and the recombination light emission of the exciton molecule. apparatus.
(Appendix 7)
Any one of Supplementary notes 1 to 6, wherein the back surface of the semiconductor substrate is irradiated with the excitation light, and the recombination light emission of the exciton and the recombination light emission of the exciton molecule are extracted from the back surface of the semiconductor substrate. The photon generator as described.
(Appendix 8)
A single quantum dot is irradiated with excitation light that excites two-photon resonance of the exciton molecular state of the quantum dot,
At least one of exciton recombination luminescence and exciton molecule recombination luminescence from the quantum dots is optically separated from excitation light from the excitation light source;
The recombination energy E X of excitons of the quantum dots, the recombination energy E BX exciton molecules of the quantum dots, when a and E P energy of the excitation light, energy of the excitation light,
E P = (E X + E BX ) / 2
A photon generation method characterized by satisfying:
(Appendix 9)
9. The photon generation method according to appendix 8, wherein the population of excitons in an exciton molecular state is controlled by controlling the time integration intensity of the excitation light.
(Appendix 10)
Applying an electric field perpendicular to the growth direction of the quantum dots to control the exciton molecule binding energy represented by the difference between the recombination energy of the exciton and the recombination energy of the exciton molecule, The photon generating method according to appendix 8 or 9,
(Appendix 11)
The photon generation method according to appendix 10, wherein the time-integrated intensity of the excitation light is adjusted according to a change in the exciton molecule binding energy due to the application of the electric field.

10、20、30 光子発生装置
11 励起パルス発生器(励起光源)
15 光学フィルタ
12、22、32 半導体基板
13、23、33 量子ドット
24、34 電極
P1 励起光源の光学パス
P2 光子検出パス
10, 20, 30 Photon generator 11 Excitation pulse generator (excitation light source)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Optical filter 12, 22, 32 Semiconductor substrate 13, 23, 33 Quantum dot 24, 34 Electrode P1 Optical path P2 of excitation light source P2 Photon detection path

Claims (4)

半導体基板に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットの励起子分子状態を二光子共鳴励起する励起光源と、
前記量子ドットからの励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光の少なくとも一方を、前記励起光源からの励起光から分離する光学フィルタと、
を備え、
前記量子ドットの励起子の再結合エネルギーをE、前記量子ドットの励起子分子の再結合エネルギーをEBX、前記励起光のエネルギーをEとすると、前記励起光源は、
=(E+EBX)/2
を満たす励起光を前記量子ドットに照射して前記励起子分子状態を共鳴励起し、
前記量子ドットの側方に配置され、前記量子ドットに対して前記半導体基板と水平な方向の電場を印加する一対の電極、
をさらに有し、前記電場の印加により、前記励起子の再結合エネルギーと前記励起子分子の再結合エネルギーの差で表わされる励起子分子束縛エネルギーを制御可能とする
ことを特徴とする光子発生装置。
A single quantum dot formed on a semiconductor substrate;
An excitation light source for two-photon resonance excitation of the exciton molecular state of the quantum dots;
An optical filter for separating at least one of exciton recombination luminescence and exciton molecule recombination luminescence from the quantum dots from excitation light from the excitation light source;
With
Recombination energy E X of excitons of the quantum dots, the recombination energy E BX exciton molecules of the quantum dots, the energy of the excitation light and E P, the excitation light source,
E P = (E X + E BX ) / 2
The Biexciton state resonant excitation the excitation light satisfying by irradiating the quantum dot,
A pair of electrodes disposed on the sides of the quantum dots and applying an electric field in a direction parallel to the semiconductor substrate to the quantum dots;
The exciton molecular binding energy represented by the difference between the recombination energy of the exciton and the recombination energy of the exciton molecule can be controlled by applying the electric field. Photon generator.
前記励起光源は、励起光時間積分強度が可変の光源であることを特徴とする請求項1に記載の光子発生装置。   The photon generator according to claim 1, wherein the excitation light source is a light source having a variable excitation light time integrated intensity. 前記励起光源は、前記電場の印加による前記励起子分子束縛エネルギーの変化に応じて前記励起光時間積分強度を変化させることを特徴とする請求項に記載の光子発生装置。 The photon generator according to claim 2 , wherein the excitation light source changes the excitation light time integrated intensity in accordance with a change in the exciton molecule binding energy due to the application of the electric field. 単一の量子ドットに前記量子ドットの励起子分子状態を二光子共鳴励起する励起光を照射し、
前記量子ドットからの励起子の再結合発光と励起子分子の再結合発光の少なくとも一方を、前記励起光から光学的に分離し、
前記量子ドットの励起子の再結合エネルギーをE、前記量子ドットの励起子分子の再結合エネルギーをEBX、前記励起光のエネルギーをEとすると、前記励起光のエネルギーは、
=(E+EBX)/2
を満たし、
前記量子ドットの側方に一対の電極を配置して、前記量子ドットに対して前記量子ドットが形成されている半導体基板と水平な方向の電場を印加し、
前記電場の印加により、前記励起子の再結合エネルギーと前記励起子分子の再結合エネルギーの差で表わされる励起子分子束縛エネルギーを制御可能とする
ことを特徴とする光子発生方法。
A single quantum dot is irradiated with excitation light that excites two-photon resonance of the exciton molecular state of the quantum dot,
Wherein at least one of the recombination radiation of the recombination radiation and biexcitons of excitons from the quantum dots, and optically separated from the front Ki励 Okoshiko,
The recombination energy E X of excitons of the quantum dots, the recombination energy E BX exciton molecules of the quantum dots, when a and E P energy of the excitation light, energy of the excitation light,
E P = (E X + E BX ) / 2
Meet the,
A pair of electrodes are arranged on the sides of the quantum dots, and an electric field in a direction horizontal to the semiconductor substrate on which the quantum dots are formed is applied to the quantum dots,
A photon generation method characterized in that, by applying the electric field, exciton molecule binding energy expressed by a difference between recombination energy of the exciton and recombination energy of the exciton molecule can be controlled .
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