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発光素子 コモンズ

国内特許コード P110003998
整理番号 AF08P001
掲載日 2011年7月5日
出願番号 特願2007-078817
公開番号 特開2008-243915
登録番号 特許第4928321号
出願日 平成19年3月26日(2007.3.26)
公開日 平成20年10月9日(2008.10.9)
登録日 平成24年2月17日(2012.2.17)
発明者
  • 野田 進
  • 山口 真
  • 浅野 卓
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 発光素子 コモンズ
発明の概要 【課題】微小光共振器と発光体の結合の強さに関係なく、微小光共振器に発光体を導入したときの発光遷移割合を最大化することができる発光素子を提供する。
【解決手段】微小光共振器に発光体を導入して成る発光素子を、前記微小光共振器の光子寿命の2π倍とラビ振動周期の半周期とが一致するように設定する。具体的には、微小光共振器の共振周波数をωcav、微小光共振器と発光体の結合定数をgkとすると、微小光共振器のQ値が次の式
Q=ωcav/4gk
を満たすように設計する。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


微小光共振器に発光体を導入すると発光遷移割合(発光速度)が増大することから(Purcell効果)、高性能な発光素子の実現が期待されている(例えば特許文献1参照)。
次の式は、Purcell効果による発光遷移割合WsponとQ値との関係を表す式である。
【数3】


(但し、ω21cav=0)
ここで、gkは光共振器と発光体の結合定数、ωcavは光共振器の共振振動数、ω21は2準位電子系の振動数を示す。
また、光共振器と発光体の結合定数gkは次の式で表される。
【数4】


尚、Ecav(r)は光共振器中の電子系位置における電界、Ecav,maxは共振モード電界の最大値、ecavは電子系位置における偏光の単位ベクトル、nは電子系周囲の屈折率、d21は電子系が有する電気双極子モーメント、Veffは共振モードの有効モード体積を示す。
従って、式(1)及び式(2)から発光遷移割合Wsponは次の式(3)で表される。
【数5】


式(3)より、発光遷移割合はQ/Veffに比例することが分かる。つまり、光共振器のQ値を大きくするほど、また、Veffを小さくするほど、発光体は発光しやすくなる。
【特許文献1】
特開2001-267682号公報

産業上の利用分野


本発明は、単一光子光源に利用可能な発光素子に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
微小光共振器に発光体を導入して成る発光素子において、
前記微小光共振器の光子寿命の2π倍とラビ振動周期の半周期とが一致するように設定されていることを特徴とする発光素子。

【請求項2】
微小光共振器の共振周波数をωcav、微小光共振器と発光体の結合定数をgkとすると、微小光共振器のQ値が次の式
Q=ωcav/4gk
(但し、結合定数は、電子系位置の電界をEcav(r)、共振モード電界の最大値をEcav,max、共振モードの有効モード体積をVeff、電子系がもつ電気双極子モーメントをd21、発光体周囲の屈折率をn、発光体位置における偏光の単位ベクトルをecavとすると前記結合定数gkは次の式
【数1】


で求められる。)
を満たすように設計されることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。

【請求項3】
微小共振器の共振周波数をωcav、微小光共振器と発光体の結合定数をgk、発光体から微小光共振器以外に漏れるエネルギーの割合のうち非発光エネルギーの割合を2Γres、自然放出エネルギーの割合を2Γsponとすると、微小光共振器のQ値が次の式
【数2】


(但し、電子系位置の電界をEcav(r)、共振モード電界の最大値をEcav,max、共振モードの有効モード体積をVeff、電子系がもつ電気双極子モーメントをd21、発光体周囲の屈折率をn、発光体位置における偏光の単位ベクトルをecavとすると前記結合定数gkは次の式
【数1】


で求められる。)
を満たすように設計されることを特徴とする請求項1に記載の発光素子。

【請求項4】
前記微小光共振器が、スラブ状の母材に該母材とは屈折率の異なる異屈折率領域を周期的に設けて成るフォトニック結晶の前記異屈折率領域の周期的配列を点状に欠陥させることにより構成されたフォトニック結晶共振器であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の発光素子。

【請求項5】
前記発光体が量子ドットであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の発光素子。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007078817thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 新機能創成に向けた光・光量子科学技術 領域
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