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LIGHT CONTROL ELEMENT, LIGHT EMITTING ELEMENT, AND OPTICAL CIRCUIT DEVICE commons

Patent code P110004939
Posted date Aug 18, 2011
Application number P2004-215574
Publication number P2006-041013A
Patent number P4982838
Date of filing Jul 23, 2004
Date of publication of application Feb 9, 2006
Date of registration May 11, 2012
Inventor
  • (In Japanese)向井 剛輝
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人横浜国立大学
Title LIGHT CONTROL ELEMENT, LIGHT EMITTING ELEMENT, AND OPTICAL CIRCUIT DEVICE commons
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To enable input and output of photons in the lateral direction in an optical control element and a light emitting element.
SOLUTION: A light emitting element and an optical control element are constituted to integrally include a fine optical resonator (dielectric material region 4) including the light resonating region of the predetermined wavelength of light and a waveguide 10 for coupled lights, in order to input and output photons of the predetermined wavelength via the waveguide for coupled lights to and from an optical resonator. A multilayer reflecting layer 3, a dielectric material region 4, and an upper electrode 6 are sequentially formed in multiple layer structure on a substrate 2 including a lower electrode 5. The waveguide for coupled lights 10 is integrated in the lateral direction at least at one side of the dielectric material region 4. Moreover, the optical resonator provided with light resonating region of the predetermined optical wavelengh and waveguide of coupled lights are integrally formed to the dielectric material region 4. Consequently, the photons can be outputted and inputted in the lateral direction from and to the light resonator.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


量子情報処理や量子暗号通信等においては単一光子の発光、制御が必要である。通常知られている光源を用いて単一光子を発生させるには、光源の出力を減衰させることが考えられる。しかしながら、通常の光源から発生される光の粒子数分布はポアソン分布に従うため、一つのパルス内に複数の光子が含まれる可能性がある。そのため、単一光子を制御することができる光学素子が求められている。



通常光場は連続的なモード密度を持つが、共振器構造によって光モードを離散化させることができる。従来、種々の光共振器が提案されている。例えば、内壁の全反射を繰り返すWhispering-Gallery(WG)モードにより高いQ値を持つ光共振モードを得る構成として、微粒子(Micro particle)やマイクロディスク(Micro disc)による光共振器が提案されている。上記構成の光共振器は、全反射を用いているため、外部への光の取り出しの点で問題がある。



また、上下の分布反射ミラー(DBR)で構成した微小光共振器(Micro cavity)構造として柱状構造(Pillar)のものが知られており、ドライエッチング等によって細い柱状構造に加工し、上下のDBRと横方向の空気との屈折率差によって、光場を3次元的に閉じこめている。図14(a)は柱状構造の一例であり、Cd0.88Zn0.12Teの基板100上に活性層102を挟んでCd0.40Zn0.60TeZnとCd0.75Zn0.25Teの積層101,103を柱状に重ねて生成する。(非特許文献1,2参照)。



柱状構造の共振器では、横方向の量子化をするために柱のサイズを小さくしていくと、構造の安定性の点や、ドライエッチングによる非発光再結合の増加の点で懸念がある。このような表面損傷を抑える観点から表面が結晶面によって自然形成される半導体の選択成長技術を用いてピラミッド構造を形成し、このピラミッド構造により光場を3次元的に閉じこめる光共振器も提案されている。図14(b)はピラミッド構造の一例であり、ピラミッド形状の共振器104はGaAs基板上に正方形マスクによりZnSを選択成長させることによって、ZnSの側面はGaAs基板の(001)表面から37°の角度に向いた等価な4つの{034}結晶面となる。(非特許文献2参照)。



また、長波長系のInAs量子ドットを含む周期的多層膜構造において、エッチング技術を用いてポスト型に形成した共振器が提案されている(非特許文献3参照)。この構成では、GaAs中の一つのInAs量子ドットをλ/4の厚さのGaAsとAlAsを交互に並べたDBRで、ドット層の上部に12組、下部に30組を配置した共振器構造として、三次元的に光子を閉じ込め、基板に垂直な方向に放射光が得られるように設計されている(非特許文献4、5参照)。



【非特許文献1】
“Optical confinement in CdTe-based photonic dots” APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME80, NUMBER 8 (25 FEBRUARY 2002)
【非特許文献2】
“Size Dependence of Confined Optical Modes in Photonic Quantum Dots” PHYSICAL REVIEW LETTERS VOLUME78, NUMBER 2 (13 JANUARY 1997)
【非特許文献3】
“ワイドギャップ半導体量子ドットの自己形成とフォトニック・ドットの選択成長”電子科学研究Vol.7,1999、p1~p6
【非特許文献4】
C.Santori,M/Pelton,G.Solomon,Y.Dale.andY.Yamamoto:Phys.Rev.Lett.,Vol.86,p.1502(2001)
【非特許文献5】
「ナノエレクトロニクス」ナノテクノロジー基礎シリーズ p148,149 榊裕之、横山直樹 オーム社 2004.3.25

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、量子化された光子を制御する光制御素子、量子化された光子を発光する発光素子に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
所定の光波長の光共振域を備える光共振器と結合光導波路とを備え、前記光共振域を形成する誘電体領域の側面に前記結合光導波路を結合した形状に光半導体素子の製造工程によって一体生成し、
前記光共振器の横方向および上下の3次元方向におけるサイズはそれぞれ前記光共振域内に存在し得る光の所定波長の光波長程度であり、
前記光共振器の下面を除く外面を金属反射膜で被覆し、
前記光共振器に対して前記結合光導波路を介して量子化された所定波長の光子の導入及び/又は導出を、前記光共振器の上下方向のサイズを可変とすることによって制御することを特徴とする光制御素子。

【請求項2】
 
下部電極を含む基板上に多層反射層と誘電体領域と上部電極を順に層状に備え、
前記誘電体領域の少なくとも一つの側部に結合光導波路を横方向に一体に備え、
前記誘電体領域は所定の光波長の光共振域を備える光共振器を形成し、
前記誘電体領域の面内および上下の3次元方向におけるサイズはそれぞれ所定波長の光波長程度であり、
前記誘電体領域の下面を除く外面を金属反射膜で被覆し、
前記光共振器は、前記光共振器の上下方向のサイズを可変とすることによって光子を制御し、
前記結合光導波路は、光共振器に対して量子化された所定波長の光子を横方向に導入及び/又は導出することを特徴とする光制御素子。

【請求項3】
 
前記光共振器の外周に金属反射膜を設け、前記結合光導波路の外周には金属反射膜を設けないことを特徴とする、請求項1に記載の光制御素子。

【請求項4】
 
前記光共振器の光共振域において、光子が光共振器内で存在し得るエネルギー状態の共振モードを、当該光共振器の上下方向のサイズを可変とすることによって可変とし、
前記共振モードの変更によって、
前記光共振器内で発生した光子の当該光共振域内における存在を制御することによる発光、
及び/又は、
前記光共振器から取り出す光の波長を制御することを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載の光制御素子。

【請求項5】
 
前記光共振器は前記誘電体領域と下層に設けた多層反射層とにより光共振域を形成し、
前記多層反射層における屈折率を可変とすることによって、前記光共振器の上下方向のサイズを可変として、共振モードを可変とし、発光、及び/又は光共振器から取り出す光の波長を制御することを特徴とする、請求項4に記載の光制御素子。

【請求項6】
 
前記共振モードは、
前記多層反射層への電流供給又は光照射による多層反射層の屈折率、又は前記多層反射層の温度を可変要素とすることを特徴とする、請求項5に記載の光制御素子。

【請求項7】
 
前記光共振器は前記誘電体領域と下層に設けた多層反射層とにより光共振域を形成し、
前記共振モードは、
多層反射層と誘電体領域との距離を可変要素とすることを特徴とする、請求項4に記載の光制御素子。

【請求項8】
 
前記共振モードは、前記温度を基準の可変要素とし、前記多層反射層の屈折率、又は多層反射層と誘電体領域との距離を個別の可変要素とすることを特徴とする、請求項4に記載の光制御素子。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2004215574thum.jpg
State of application right Registered
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