(57)【要約】【課題】本発明は、とりわけ、与えられた動作パフォーマンスを有する単一光子源（１００）の製造方法に関する。【解決手段】本発明では、個々の光子源（１００）に対した与えられる動作パフォーマンスは、少なくとも一つの量子ドット（１６０’、５２０）に対する励起エネルギーレベルの微細構造分裂（ＦＳＳ）を直接に設定することによって決められる。少なくとも一つの量子ドットは、設定に対する微細構造分裂に対応する量子ドットのサイズで製造される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定された動作特性を有する単一光子源を製造する方法であって、
単一光子源（１００）の予め設定された動作特性は、少なくとも一つの量子ドット（１６０’、５２０）の励起エネルギーレベルの微細構造分裂（ＦＳＳ）を選択的に設定することによって確立され、
少なくとも一つの量子ドットは、設定される微細構造分裂に対応する量子ドットのサイズで製造される。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、転換された光子対を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも一つの量子ドット（１６０’、５２０）は、量子ドットの材料の原子８００〜５０００個で形成される。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、転換された光子対を発生する単一光子源を製造するために、−１００μｅＶと＋１００μｅＶの間の微細構造分裂（ＦＳＳ）が、量子ドットのサイズを選択することによって設定される。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法であって、転換された光子対を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも一つの量子ドットの通常のエネルギーレベルは、１．２７ｅＶと１．３３ｅＶの間に設定される。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法であって、定められた偏光性を有する単一の光子を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも量子ドット（１６０’、５２０）は、量子ドットの材料の原子４００００〜１２５０００個で形成される。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法であって、定められた偏光性を有する単一の光子を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも＋３００μｅＶにおける微細構造分裂（ＦＳＳ）が、量子ドットのサイズを選択することによって設定される。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法であって、定められた偏光性を有する単一の光子を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも一つの量子ドット（１６０’、５２０）の通常のエネルギーレベルは、１．１Ｖ以下に設定される。
【請求項８】
単一光子源、特に、請求項１〜７のいずれか１項に対応する単一光子源を製造する方法であって、
１あるいは複数の長手方向の共振周波数（２６５、２６５’、２６５”）を有するキャビティ（２６０）が製造されて、単一光子源の動作中、各場合において自身の放射周波数を有する光子（１８０）を発生する多くの量子ドット（１６０）が、キャビティ内に配置され、
単一光子源の動作中、電荷キャリア注入装置が、電荷キャリアをキャビティの領域内に注入し、また、量子ドット（１６０’）を光子の発生内に励起するように、電荷キャリア注入装置（１３０）が製造および配置され、
単一光子源の動作中、単一の量子ドットの放射周波数のみがキャビティの長手方向の共振周波数の一つに対応し、また、キャビティから放出されるように、量子ドット（１６０’）の表面密度が低く選択されるとともに、量子ドット（１６０’）のサイズと材料組成に関するばらつきが大きく選択される。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、キャビティ（２６０）は、光子（１８０）を放出するために使用される、キャビティの長手方向の自然周波数（２６５）が、励起される全ての量子ドットのうち最も低い放射周波数を有する量子ドットの放射周波数に対応するように、大きさが設定される。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の方法であって、量子ドット（１６０）の表面密度は、［５×１０９／ｃｍ２］以下になるように選択される。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、量子ドット（１６０）のサイズおよび材料組成に関するばらつきは、量子ドットの放射ラインが、単一光子源の動作温度において自由に重なり合うように、大きく選択される。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法であって、キャビティの内側に存在する量子ドットのサブグループ（１６０’）のみが励起されるように、キャビティ（２６０）の領域内の、注入された電荷キャリアの流れに注目する電流通路制限装置（２２０）が製造される。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法であって、単一光子源の温度が、その動作に対して、キャビティ内に位置する量子ドットの全ての放射スペクトル（２７５、２７５’）あるいはそれらのうちの少なくとも一つが自由に重なり合う温度に低下されることにより温度調節装置が製造される。
【請求項１４】
単一光子源、特に、請求項１〜７のいずれか１項に対応する単一光子源を製造する方法であって、
１あるいは複数の長手方向の共振周波数（２６５）を有するキャビティ（５１５）が製造されて、少なくとも一つの量子ドット層がキャビティの内部に配置され、
単一光子源の動作中、少なくとも一つの量子ドット（５２０）を光子の発生内に励起するように、励起装置（５１０）が製造および配置され、
光子の放射方向に対して長手方向に延びる高反射層（５５０）が、キャビティの側壁（５４０）に設けられる。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、金属の層、特に金の層が、高反射層（５５０）として設けられる。
【請求項１６】
単一の線形に偏光された光子（１８０）あるいは転換された光子対（１８０）を放射し、特に、量子暗号化に使用される単一光子源（１００）であって、
単一光子源の動作中、各場合において放射周波数を有する光子を発生する１あるいは複数の量子ドット（１６０）と、
内部に量子ドットが配置されるとともに、１あるいは複数の長手方向の共振周波数（２６５、２６５’、２６５”）を表すキャビティ（２６０）と、
単一光子源の動作中、電荷キャリアをキャビティの領域内に注入し、また、量子ドットを光子の発生内に励起する電荷キャリア注入装置（１３０）を備え、
単一光子源の動作中、単一の量子ドット（１６０’）の光子、すなわち、キャビティの長手方向の共振周波数（２６５）のうちの一つに対応する放射周波数を有する、量子ドットの光子みが放出される。
【請求項１７】
請求項１６に記載の単一光子源であって、キャビティ（２６０）は、光子（１８０）を放出するために使用される、キャビティの長手方向の自然周波数（２６５）が、全ての励起される量子ドットのうち最も低い放射周波数を示す量子ドットの放射周波数に対応するように、大きさが設定される。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の単一光子源であって、キャビティの領域内において、注入された電荷キャリアの流れに注目する電流通路制限装置（２２０）を有している。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の単一光子源であって、予め定められた表面密度で配置され、また、それらの特性の予め定められたばらつきを有する複数の量子ドット（１６０）を有しており、量子ドットのサブグループ（１６０’）のみが、電流通路制限装置（２２０）によって励起される。
【請求項２０】
請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の単一光子源であって、単一光子源の動作温度において、サブグループの量子ドットの少なくとも一つの放射スペクトルあるいは全ての放射スペクトルが自由に重なり合うように、量子ドットの励起されるサブグループ（１６０’）が小さく、また、量子ドットの特性の予め定められたばらつきが大きい。
【請求項２１】
請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の単一光子源であって、量子ドット（１６０）の表面密度は、［５×１０９／ｃｍ２］以下である。
【請求項２２】
請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の単一光子源であって、単一光子源の動作に対して、単一光子源の温度を、キャビティの内部に位置する量子ドットの少なくとも一つの放射スペクトル、好適には全ての放射スペクトルが自由に重なり合う、予め定められた動作温度に低下させる温度調節装置を有している。
【請求項２３】
単一の線形に偏光された光子あるいは転換された光子対を放射し、特に、量子暗号化に使用される単一光子源であって、
単一光子源の動作中、一つの放射周波数を有する光子（１８０）を発生する少なくとも一つの量子ドット（５２０）と、
濾過特性を有し、共振結合が量子ドットの一つとキャビティの間でのみ発生するように配置される少なくとも一つの量子ドットが内部に配置されるキャビティと、
単一光子源の動作中、少なくとも一つの量子ドット（５２０）を光子の発生内に励起する励起装置（５１０）を備え、
光子の放射方向に対して長手方向に延びる高反射層（５４０）が、キャビティの側壁（５４０）に設けられている。
【請求項２４】
請求項２３に記載の単一光子源であって、高反射層（５５０）は、金属の層、特に、金の層である。
【請求項２５】
単一光子源（１００）、特に、請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の単一光子源を駆動する方法であって、
単一光子源（１００）の温度は、全ての励起される量子ドット（１６０’）のうち最も低い放射周波数を有する量子ドットの放射周波数が、単一光子源（１００）のキャビティの長手方向の自然周波数（２６５）に対応するように、設定される。
【請求項２６】
単一光子源（１００）、特に、請求項２３または２４に記載の単一光子源を駆動する方法であって、
光励起に使用される励起装置（５１０）の放射周波数は、放射スペクトルが、量子ドット（５２０）の状態よりエネルギー的に上位にあり、また、キャビティ（５１５）が透明である範囲内となるように、設定される。
【請求項２７】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法であって、転換された光子対を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも一つの量子ドットの高さ（ｈ）は、０．３ｎｍと０．９ｎｍの間の値に設定される。
【請求項２８】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法であって、定められた偏光性を有する単一の光子を発生する単一光子源（１００）を製造するために、少なくとも一つの量子ドットの高さ（ｈ）は、２ｎｍ以上の値に設定される。
【請求項２９】
予め定められた動作特性を有する単一光子源（１００）を製造する方法であって、
単一光子源（１００）の予め定められた動作特性は、少なくとも一つの量子ドット（１６０’、５２０）の歪を、少なくとも一つの量子ドットが、設定される歪に対応する量子ドットのサイズで製造されるように選択的に設定することによって、確立される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一光子源とその製造および動作方法に関する。以下の説明では、「単一光子源」という用語は、単一の光子、特に、定義されたあるいは予め定められた偏光性(polarization)を有する単一の光子、転換光子および相関光子列(cascade  of  correlated  photons)を放射可能な光子源を意味するものとして用いられている。
【背景技術】
【０００２】
とりわけ、単一光子源は、量子暗号技術の重要な要素である。これは、通常の暗号化技術よりはるかに優れている。例えば、ネットワーク上での商取引のように、機密データを交換する場合には、それらは、量子力学の法則に基づく絶対的な傍受保護を提供する。データは、最初に、通常の処理で暗号化される。その後、それらを解読することができる鍵が、別々に、そして、例えば、実際のデータに間に合うように伝送される。これが、量子暗号化体系を用いて、単一光子源で実行される場合には、許可されていない保護が通知される。暗号化されたデータパケットは、鍵が傍受されていないことが証明される場合に、通常の方法で伝送される。これにより、単一光子源は鍵を伝送するためにのみ用いられるため、保護に値するように格付けされるイメージまたはフィルムのような大量のデータは、通常の速度で、傍受証明方法で伝送可能である。
【０００３】
理想的な単一光子源（光子銃）は、トリガ信号の後で、また、その時のみ（要求に応じて）単一の光子を放射する構成要素である。単一光子源の中核の要素は、別個のエネルギーレベルを有する量子化システムであるのが最も望ましい。この目的のために、例えば、分離された原子、分子あるいは量子ドットが使用可能である。
【０００４】
これに関連して、量子ドットは、決定的な利点を提供する。分離された原子と比べて、量子ドットの別個のエネルギーレベルは、非共振方法でも励起可能である。これにより、電気的な動作構造は、適切な半導体構造内に埋め込まれた状態で実現可能である。これは、システム統合がかなり単純化されるため、市場可能性に関して特に重要である。これに比べて、光励起構造は、システムの製造およびその後の保守を困難とする追加の構成要素を必要とし、また、コストを増加させる。
【０００５】
単一光子源の実現に対して、多くのアプローチが文献中に開示されている。以下には、量子暗号化への適用に対して少なくとも原理において考慮されている、多数の公開された実現可能性のうちの３つのコンセプトが簡単に説明されている。
【０００６】
従来公知のコンセプトの一つは、そのエレクトロルミネセンスが単一の量子ドットの放射に基づいている発光ダイオードのコンセプトに従う。以下の発行された文献を参照：Xu,  D.A.  Wiliams,  J.R.A.  Cleaver,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.85,  No.15  (11  October  2004)；A.J.  Shields,  R.M.  Stevenson,  R.M.  Thompson,  M.B.  Ward,  Z.  Yuan,  B.E.  Kardynal,  P.  See,  I.  Farrer,  C.  Lobo,  K.  Cooper,  D.A.  Ritchie,  phys.  Stat.  Sol.  (b)  238,  No.2,  353-359(2003)；  J.  Seufert,  M.  Rambach,  G.  Bacher,  A.  Forchel,  T.  Passow,  D.  Hommel,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.82,  No.22  (2nd  June  2003)；  A.  Fiore,  J.X.  Chen,  M.  Ilegems,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.81,  No.10  (2nd  September  2002)  and  A.J.  Bennet,  D.C.  Unnitt,  P.  See,  A.J.  Shields,  P.  Atkinson,  K.  Copper,  D.A.  Ritchie,  Appl.  Phys.  Lett.,  vol.86,  No.4  （25th  April  2005）．商業応用に対して好ましい電気励起に拘わらず、このアプローチは、その好ましくない効率のためにほとんど魅力がない。これは、本質的に２つの理由がある；一方では、殆ど指向性を有していない、光子の放射に対する好ましい指向性の欠如のために、低効率である。他方では、量子ドットの自然放射比(spontaneous  emission  rate)が、状態の相対的に長い放射寿命（〜ｌｎｓ）のために非常に低い。加えて、放射は偏光されない。
【０００７】
他の従来の公知のコンセプトは、量子ドットのエネルギー状態とマイクロキャビティのモード(mode  of  microcabity)との共振結合に基づいている。以下の発行された文献を参照：J.  Vuckovic,  D.  Fattal,  C.  Santori,  G.S.  Solomon,  Y.  Yamamoto,  Appl.  Phys.  Ｌett.,  Vol.82,  No.21  (26th  Ｍay  2002）；  J.M.  Gerad,  D.  Barrier,  J.Y.  Marzin,  R.  Kuszelewicz,  L.  Manin,  E.  Costard,  V.  Thierry-Mig,  T.  Rivera,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.69,  No.4  (22nd  July  1996)；  J.M.  Gerad,  D.  Barrier,  J.Y.  Marzin.  R.  Kuszelewicz,  L.  Manin,  E.  Costard,  V.  Thierry-Mig,  T.  Rivera,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.69,  No.4  (22nd  July  1996)およびE.  Moreau,  I.  Robert,  J.M.  Gerad,  I.  Abram,  L.  Manin,  V.  Thierry-Mieg,  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.69,  No.4  (22nd  July  1996)。この従来の公知のコンセプトは、このような結合の自然放射比への影響を記述するパーセル効果(Purcell  effect)を用いている。全体として、単一光子源に対して述べているこの第２のコンセプトも、マイクロキャビティ内の高い光損失のために、依然として多くの改良の必要性がある。
【０００８】
第３の従来の公知のコンセプトは、非常に弱められたレーザに基づいている。２光子パルス(two-photon  pulse)が発生しないようにするために、レーザパルスは、１クロックサイクル当たり０．１光子以下の密度に弱められる。これは、クロックサイクルの９０％以上が“空(empty)”であるため、最大データ伝送比を制限する。加えて、クロックサイクルが実際に“空”であったとしても、増幅器ノイズによって光子が発生および測定されるため、エラー比は増大する。増幅におけるこの制約は、伝送領域を制限する。さらに、２光子パルスは、完全に排除することができない。しかしながら、聴取者は、ビーム分光器によって光子を測定し、また、レシーバ（光子数分裂(photon  number  splitting)−ＰＮＳ）に第２の光子を送ることができ、これにより、傍受保護がもはや与えられないため、このようなパルスは、安全性における欠陥を意味する。放射された光子の偏光性も問題がある。これは、偏光状態がまったく制御できない場合には、偏光フィルタを単一光子源の後ろに接続しなければならないことが原因である。これは、更に、光子の数、したがって、データ伝送比を減少させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記した従来の公知の技術に基づき、本発明は、簡単に、再生可能な方法で実行することができる単一光子源を製造する方法を明記することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、この目的は、請求項１に対応する特徴を有する方法によって達成される。本発明に対応する方法の有利な実施例は、従属項に明記されている。
【００１１】
本発明では、単一光子源を製造する方法は、予め定められた動作特性が、少なくとも一つの量子ドットの励起子エネルギーレベルの微細構造分裂(fine  structure  splitting)を選択的に設定することによって確立されるように構成される。この場合、少なくとも一つの量子ドットが、設定される微細構造分裂に対応する構造サイズ（量子ドットのサイズ）で製造される。
【００１２】
本発明に対応する方法は、所望の電子状態を有する量子ドットを再生可能に、したがって、予め定められた特性を有する単一光子源を再生可能に製造する。これは、本発明者らが、量子ドットの励起子エネルギーレベルの微細構造分裂が、材料の歪に依存することを見出したことによる。本発明は、この発見に基づいており、一つあるいは複数の量子ドットの構造サイズを選択することによって、すなわち、量子ドットのサイズを選択することによって、量子ドット内の歪の程度および材料構造（例えば、半導体構造）の周囲の歪の程度を選択的に確立することが本発明により提案されている。これは、また、微細構造分裂および、必要であれば、光子が放射される励起子エネルギーレベルのエネルギー位置を定義する。これにより、所望の特性を有する単一光子源は、量子ドット単独のサイズあるいはボリューム（大きさ）を選択することによって、すなわち、それぞれの量子ドットを形成する原子の数によって製造される。本発明に対応する方法は、定められた線形に偏光された単一の光子、転換された光子の対(transposed  photon  pair)あるいは相関光子列を放射することができるコンパクトな単一光子源の製造を可能とする。
【００１３】
光子の波長が、すでに組み込まれているテレコム光ファイバーの分光ある吸収最小値（それぞれ１．３μｍと１．５５）に対応するように、量子ドットの材料および光子源の光子電導領域の材料が選択される場合に利点があると考えられる。これは、例えば、Ｇａ（Ｉｎ，Ａｌ）Ａｓ内のＩｎ（Ｇａ）ＡｓあるいはＧａ（Ｉｎ）Ｐ内のＩｎ（Ｇａ）Ｐに基づく光子ドットを用いて達成される。
【００１４】
開示されている方法は、好適には、半導体技術の確立された方法を用いて実行される。
【００１５】
転換光子対を発生可能な単一光子源を製造するために、少なくとも一つの量子ドットは、好適には、量子ドット材料の原子８００〜５０００個で形成される。このような少ない数の原子あるいはこのような小さい量子ドットのサイズによって、それぞれ、量子ドット内および材料構造の周囲に歪が発生する。これにより、励起子エネルギーレベルの微細構造分裂は、非常に小さく、あるいは、理想的には、ゼロになる。非常に小さいあるいは存在しない微細構造分裂の場合には、励起子エネルギーレベルの２つの“光っている(bright)”状態から放射される光子は、同じ周波数を有し、また、相互に転換される。
【００１６】
例えば、転換光子対を発生する単一光子源の製造の間、−１００μｅＶと＋１００μｅＶの間の微細構造分裂が、量子ドットのサイズを選択することによって設定される。少なくとも一つの量子ドットの通常のエネルギーレベルは、好適には、１．２７ｅＶと１．３３ｅＶの間である。
【００１７】
定められた偏光性を有する個々の光子を発生可能な単一光子源を製造するために、少なくとも一つの量子ドットは、好適には、量子ドットの材料の原子４００００〜１２５０００個で形成される。このような多数の原子あるいはこのような大きな構造サイズによって、それぞれ、量子ドット内および励起子エネルギーレベル（通常状態における発光励起子）の微細構造分裂が非常に大きくなる材料構造の周囲に大きな歪が発生する。非常に大きな微細構造分裂の場合には、励起子エネルギーレベルの２つの状態から放射される光子は、非常に異なる放射週者数を有している。これにより、２つの光子のうちの非所望の一つを、フィルタを用いることなく、濾過あるいは抑制することができる。
【００１８】
例えば、定められた偏光性を有する単一の光子を発生可能な単一光子源を製造する際、前述したように、少なくとも＋３００μｅＶの微細構造分裂が、少なくとも一つの量子ドットの構造サイズが対応して大きく選択されるように、設定される。前述したように、できるだけ大きい微細構造分裂は、例えば、非所望の追加の光子の濾過を簡略化する。
【００１９】
少なくとも一つの量子ドットの通常のエネルギーレベルは、好適には、定められた偏光性を有する個々の光子を発生する単一光子源の場合には、１．１ｅＶ以下である。
【００２０】
加えて、一つあるいは複数の長手方向の共振周波数(longitudinal  resonant  frequency)を有するキャビティ(cavity)が製造される単一光子源を製造する方法が、独立発明として考えられる。本発明では、単一光子源の動作中、それぞれの場合に自身の放射周波数を有する光子を発生する多数の量子ドットが、キャビティ内に配置される。キャビティ内では、電荷キャリア注入装置が、単一光子源の動作中、キャビティの領域内に電荷キャリアを注入することができ、また、量子ドットを光子の発生内に励起することができるように、製造および配置される。また、キャビティ内では、単一光子源の動作中、単一の量子ドットの放射周波数のみが、キャビティの長手方向の共振周波数の一つに対応するとともにキャビティから放出されるように、量子ドットの密度が低く選択され、また、量子ドットのサイズおよび材料成分に関するばらつきが大きく選択される。
【００２１】
この方法を用いることにより、電気的に動作可能であり、また、キャビティの存在によって、量子ドットの励起子状態をキャビティのモードに共振結合するコンセプトに追加的に従うことができる非常に簡単な方法で、単一光子源を製造することができる。キャビティは、光子の放射に対する好ましい方向を予め決定し、加えて、自然放射比は、パーセル効果(Purcell  effect)を用いる複合によって増加する。
【００２２】
キャビティは、好適には、光子から放出するために使用されるキャビティの長手方向の自然周波数(natural  frequency)が、励起される全ての量子ドットのうちもっとも低い放射周波数を有する量子ドットの放射周波数に対応するように、大きさが設定される。これにより、発生された光子が、非所望の方法で再び吸収されるのが防止される。
【００２３】
単一量子ドットのみが活性的に光子を放射することを実現するために、量子ドットの表面密度は、好適には、［５×１０９／１ｃｍ２］以下となるように選択される。特に好適な範囲は、［１×１０８／ｃｍ２］と［５×１０９／ｃｍ２］の間である。
【００２４】
量子ドットのサイズおよび材料成分に関するばらつきは、好適には、量子ドットの放射周波数が、光子源の動作温度にいて自由に相互に重なることができるように、大きく選択される。
【００２５】
その他の点については、製造される量子ドットのサブグループのみがキャビティの内側で励起されるように、電流の流れ、したがって、キャビティの領域内における注入された電荷キャリアの流れに注目する電流通路制限装置が製造される場合に、利点があると考えられる。このような電流通路制限装置は、“量子ドットに対する選択装置”とも呼ばれ、非常に多くの“励起可能な”量子ドットを備えている場合でも、容易に、一つのみを実際に活性動作させることができる。
【００２６】
さらに、温度調節装置が、単一光子源の温度を、その動作に対して、キャビティ内に位置する量子ドットの放射スペクトルが自由に重なり合うことができる温度にまで下げることができるように製造される場合には、利点があると考えられる。これは、温度が低下する場合には、量子ドットの放射スペクトルのスペクトル幅が減少し、それによって、互いに非常に接近しており、室温では重なり合う放射スペクトルを引き離すことができることによる。加えて、温度の低下によって、放射スペクトルの青色シフトを達成することができる。これにより、量子ドットの個々の放射スペクトルのいずれも、自発的にキャビティの長手方向の共振周波数の一つと一致しない場合には、個々の放射スペクトルの少なくとも一つは、個々の放射スペクトルの少なくとも一つの選択的な温度変化によって、共振領域内、したがって、放出領域内にシフトされる。
【００２７】
一つあるいは複数の長手方向の共振周波数を有するキャビティが製造される単一光子源を製造する方法も、独立発明として考えられる。本発明では、少なくとも一つの量子ドットの層が、キャビティの内側に配置されている。キャビティ内では、励起装置が、単一光子源の動作中、少なくとも一つの量子ドットを光子の発生内に励起し、そして、光子の放射方向に対して長手方向に延びている鋼板車窓が、キャビティの側壁に設けられている。
【００２８】
前述したように、キャビティの直径は、最大パーセル係数を達成するために、できるだけ小さくすべきである。通常発生する光学損失−第２の従来公知のコンセプトと結合される従来技術に関する前記記述を参照−を引き起こすことになる、キャビティの直径の減少を避けるために、キャビティの側壁に置かれる高反射層が提案されている。この方法では、キャビティの質係数およびパーセル係数は、最初に提案されたコンセプトの場合より明白に高い。特別の重要性は、光の関連する分光が、達成可能なパーセル係数を明確に制限するため、この金属層の側壁の粗さに従う。
【００２９】
高反射層は、例えば、金属の層、例えば、金の層によって形成される。
【００３０】
好適には、加えて、キャビティの側壁領域内の光学損失を低減するために、フィールド区分は、さらに、キャビティ内の酸化アルミニウムＡｌＯｘを介して最適化される。
【００３１】
加えて、単一の線形に偏光された光子あるいは転換光子対は、特に量子暗号化に使用するための単一光子源は、独立発明として考えられる。本発明は、単一光子源の動作中、一つあるいは複数の長手方向の共振周波数を示し、その中に量子ドットが配置されるキャビティを有し、各場合において放射周波数を有する光子を発生する一つあるいは複数の量子ドットと、単一光子源の動作中、電荷キャリアをキャビティの領域内に注入するとともに、量子ドットを光子の発生内に励起する電荷キャリア注入装置により構成されている。そして、単一光子源の動作中、単一の量子ドットの光子のみ、すなわち、放射周波数がキャビティの長手方向の共振周波数のうちの一つに対応する、量子ドットの光子のみが放出される。
【００３２】
放射周波数は、一つの量子ドットの場合にのみキャビティの共振周波数と整合するため、多くの基本的に励起可能な量子ドットの存在に拘わらず、単一の量子ドットのみが実際に光子を放射可能であることは、提案されている単一光子源における利点である。複数の利用可能な量子ドットは、余剰なものを有利に保証する。これは、励起される量子ドットが失われた場合に、他の量子ドット、すなわち、例えば、エネルギー的に最も近い一つの量子ドットが、量子ドット放射周波数をシフトすることによって（例えば、温度を変えることによって）、選択可能である。この場合、その放射周波数は、キャビティの長手方向の共振周波数のうちの一つと一致させられる。
【００３３】
キャビティは、好適には、光子を放出するために使用されるキャビティの長手方向の自然周波数が、全ての励起される量子ドットのうち最も低い放射周波数を示している量子ドットの放射周波数に対応するように、その大きさが設定される。
【００３４】
単一光子源は、好適には、キャビティの領域内において、注入された電荷キャリアの流れに注目し、そして、実際に励起される量子ドットの数を減少させる電流通路制限装置を有している。
【００３５】
その他の点に対しては、単一光子源が、予め定められた密度で配置され、また、それらの特性の予め定められたばらつきを有する複数の量子ドットを有している場合には、有利であると考えられる。
【００３６】
特に好ましい方法では、サブグループの量子ドットの放射スペクトル−少なくともそれらのうちの一つ、好適にはそれらの全部−が、単一光子源の動作温度において自由に重なり合うことができるように、量子ドットの励起されるサブグループは、非常に小さく、また、量子ドットの特性の予め定められたばらつきは、非常に大きい。
【００３７】
例えば、量子ドットの密度は、［５×１０９／ｃｍ２］より小さい。特に好適な範囲は、［１×１０８／ｃｍ２］と［５×１０９／ｃｍ２］の間である。
【００３８】
単一光子源の特に好ましい実施例では、単一光子源を動作させるために、単一光子源の温度を、キャビティ内に位置する量子ドットの放射スペクトル−これらのうちの少なくとも一つ、好適にはそれらの全部−が自由に重なり合う、予め定められた動作温度に低下させる温度調節装置が設けられる。
【００３９】
加えて、単一の線形に偏光された光子あるいは転換光子対を放射するため−特に量子暗号化に使用するため−の単一光子源は、独立発明であると考えられる。本発明では、単一光子源の動作中、一つの放射周波数を有する光子を発生する少なくとも一つの量子ドットと、内部に少なくとも一つの量子ドットが配置され、また、量子ドットのうちの一つとキャビティの間に一つの共振結合のみが発生する濾過特性を有するキャビティと、単一光子源の動作中、少なくとも一つの量子ドットを光子の発生内に励起する励起装置により構成されている。そして、高反射層、特に、金属の層が、キャビティの側壁に、光子の放射方向に対して長手方向に延びるように設けられている。
【００４０】
前述したように、高反射層によって、キャビティの光学損失を大幅に増大させることなく、キャビティの径を減少させ、また、パーセル係数を増大させることができる。
【００４１】
単一光子源を駆動する方法も、独立発明であると考えられる。本発明では、単一光子源の温度は、全ての励起される量子ドットのうち最も低い放射周波数を有する量子ドットの放射周波数が、単一光子源のキャビティの長手方向の自然周波数に対応するように、設定される。
【００４２】
加えて、単一光子源を駆動する方法が、独立発明であると考えられる。本発明では、光励起するために用いられる励起装置の放射スペクトルは、放射スペクトルが、活性な量子ドットの状態よりエネルギー的に上位にあり、また、単一光子源のキャビティが透明である範囲内となるように、設定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
明瞭にするために、図１〜１２では、同一あるいは同等の要素に対して同一の参照符号が用いられている。
図１は、量子ドット内の励起子(exciton)Ｘと双励起子(biexciton)ＸＸに対する概略エネルギー図を示している。励起子状態の微細構造分裂ＦＳＳは、［ＦＳＳ＝Ｅ２−Ｅ１］で得られる。放射される光子の、２つの相互に直角な偏光方向（π＋、π−）が図示されている。
【００４４】
図２は、励起エネルギーと量子ドットのサイズの関数として測定された、［ＩｎＡｓ／ＧａＡＳ］の例の通常状態における発光励起子の微細構造分裂を表している。微細構造分裂は、２つの励起子放射ライン間のエネルギー距離として図式的に示されている。堆積されたエピタキシャル量子ドットのサイズが、それらの歪と直接に相関すること、また、歪が、逆に、微細構造分裂を決定することが分かる。図２では、例として、量子ドット材料の原子２４００個からなる小さいＩｎＡｓ量子ドットが、参照符号１０で示されており、また、量子ドット材料の原子４００００個からなる大きいＩｎＡｓ量子ドットが、参照符号１５で示されている。これらの関係により、それぞれ対応するサイズの量子ドット１０と１５を製造することによって、微細構造分裂のサイズを調整することができる。図２に概略的にのみ示されている量子ドットは、好適には、正方形のベース領域を有する円錐のピラミッド形状を有している。
【００４５】
量子ドットに基づいて放射される単一光子放射は、例えば、原理的に、要求に応じて光子を製造することができる、最初に説明した弱められたレーザのような、現存の解決と比べて、重要な利点を提供する。これは、各パルスが、１００％の量子効率を有する一つの光子を正確に発生することを意味する。量子暗号化に用いられる単一光子源は、定められた偏光状態の光子あるいは要求に応じた転換された偏光性を有する光子対のいずれかを放射することができなければならない。定められた偏光性を有する単一の光子を発生するためには、微細構造分裂は、エネルギーフィルタ、例えば、整合されたキャビティを有する単一の励起子状態を選択することができるようにするために、できるだけ大きくなければならない。転換された偏光性を有する光子対を発生するためには、微細構造分裂は、少なくともおおよそ、なくならなければならない。これに関連して、双励起子→励起子→０の１０回の段階からの光子が用いられる（図１参照）。対照的に、２つの存在する励起子状態間のエネルギー距離が大きすぎると、放射される光子対の転換状態が妨げられる。
【００４６】
このように、量子ドットに基づく、対応する単一光子源を製造するための決定量は、微細構造分裂である。それは、通常の励起子状態の、互いに直角に偏光されている２つの状態へのエネルギー分裂を決定する。微細構造分裂は、最初は、９０秒の間にエピタキシャル量子ドット中で観察される。しかしながら、制御することができないが、今日まで、それは、転換された光子対を妨げる妨害パラメータであると考えられていた。ここに新しく説明されている方法により、いまや、微細構造分裂のサイズを選択的に制御することが可能である。ここに提案されている方法によって、量子ドットの製造中、量子ドットのサイズを直接に調節することが可能である。微細構造分裂を制御可能とする。微細構造分裂は、量子ドットの電子ポテンシャルの空間の対称性に依存する。量子ドット中の歪によって、ポテンシャルの対称性、したがって、微細構造分裂に影響を与える圧電フィールドが発生する。これに関連して、歪が大きくなればなるほど、微細構造分裂が大きくなる。歪は、量子ドットのサイズに依存するため、微細構造分裂のサイズは、特別の量子ドットのサイズを選択することによって直接に選択可能である。
【００４７】
これに関連して、図３Ａおよび３Ｂは、２つの実施例の概略図を示している。大きな微細構造分裂が選択されると（図３Ａ）、キャビティは、パーセル係数を介して一つの励起子の放射を増幅し、また、他の一つを抑制する。これにより、光子は、高放射比を有する定められた方法で偏光される。これにより、電気ポンピングは、定められた偏光方向および高放射比（例えば、ＢＢ８４（量子暗号化伝送プロトコル）の適用に対して）の光子の制御された発生を提供する。
【００４８】
転換された偏光性を有する光子対が発生可能であるのは、微細構造分裂がない時（図３Ｂ参照：ＦＳＳ＝０を有する量子ドット）のみである。対応する放射は、双励起子→励起子→０の１０回の段階(decade  cascade)の転換された光子のそれぞれを、各場合においてそれぞれ一つのレシーバ１および２に送る（図３Ｂ参照）。転換された光子対の場合、一つの光子の偏光性の測定は、他の光子の偏光性の測定結果を直接的に決定する。この量子−機械効果を用いることにより、情報は、一つのレシーバから他のレシーバに伝送される。この場合、２つのレシーバの一つは、その光子の測定を実行し、それによって、第２のレシーバの測定結果を決定する。
【００４９】
図４は、本発明に対応する単一光子源１００の第１実施例の詳細を示している。例えば、ＧａＡｓ材料の基板１０５が、異なる屈折率のミラー層の対１１５を有する（好適には、酸化金属の）下部ブラッグミラーパケット(束)(lower  Bragg  mirror  packet)１１０に設けられる。下部ブラッグミラーパケット１１０には、下部の、例えば、ピンダイオード構造１３０によって形成された、電荷キャリア注入装置のｎ型のドーピングされた電気接触層１２０が配置される。例えば、ピンダイオード構造１３０のｐ型のドーピングされた上部の電気接触層１４０と下部の電気接触層１２０の間には、（例えば、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓの）多数の量子ドット１６０を有する活性層１５０が、単一の層およびｎ型のドーピングされた中間層１６５内に配置されている。量子ドット１６０は、予め定められた密度、したがって、予め定められた互いの平均距離を有している。ピンダイオード構造１３０の上部の電気接触層１４０の上には、上部ブラッグミラーパケット(upper  Bragg  mirror  packet)１７０が配置される。これにより、光子１８０は、上部ブラッグミラーパケット１７０を通って、単一光子源１００から上方に現れる。上部ミラーパケット１７０は、好適には、酸化金属により構成される。
【００５０】
参照符号１９０と１９５は、単一光子源１００の電気接続接触子を示す。接触子１９０と１９５は、特に好適には、内部キャビティ接触子(intracavity  contact)である。内部キャビティ接触子は、２つのミラーパケット１１０と１７０の間に配置される。
【００５１】
活性層１５０の上部、下部あるいは内部には、量子ドットの領域内の材料の歪を、所望の微細構造分裂に関しておよび放射波長の設定に関して調節可能な方法を用いることにより、歪整合層が存在可能である。
【００５２】
加えて、図４は、開口部２１０を有する非導電層２００を示している。非導電層２００は、ピンダイオード構造１３０の電流Ｉが流れる電流穴２２０を形成する。
【００５３】
電流Ｉは、図５に、より詳細に示されている。図５は、底部右側に、図４に対応する単一光子源１００の上部を示している。上部左側には、電流の流れが、図５に３次元表示で表されている。電流穴２２０は、量子ドット１６０のサブグループ１６０’のみが励起されるように電流を制限する、単一光子源１００の電流通路制限装置を形成していることが分かる。残りの量子ドット１６０”は、適切な電流がその領域内に流れないため、励起されない。
【００５４】
図５に対応する実施例では、電流Ｉの電流通路は、ｎ型のドーピングされた中間層１６５とｐ型のドーピングされた接触層１４０内の適切なドーピングプロファイルによっても制限される。ドーピングは、各場合において、両方の層内で接触子の方向に増加し、また、対応して、活性層１５０の方向および量子ドット１６０の方向に低下する。これは、図５中に、矢印Ｐ１とＰ２によって示されている。一般に、以下のことは正しい。ドーピングのレベルが高いほど、電流通路の広さが小さくなり、また、電流は、より不均質に、穴を通って流れる。これに関連して、量子ドットの全体１６０からできるだけ少ない量子ドット１６０’を電気的に励起し、また、できるだけ多くの量子ドット１６０”を非励起とすることが電流通路制限の目的である。
【００５５】
図６は、下部ブラッグミラーパケット１１０および上部ブラッグミラーパケット１７０の反射スペクトルを示している。各ミラーパケットは、基本的に、波長λに対して設計される。ミラーパケットは、高屈折率を有する材料の層と低屈折率を有する材料の層の対により構成されている。各層の光学厚さは、それぞれλ／４である。屈折率コントラスト(refractive  index  contrast)（高屈折率コントラストに対する曲線２５０と低屈折率コントラストに対する曲線２５５参照）が高いほど、停止帯域△λが広くなり、ミラー内への波長の浸透の深さが短くなり、また、高反射性に対して必要とされるミラー対が少なくなる。
【００５６】
下部ブラッグミラーパケット１１０および上部ブラッグミラーパケット１７０は、マイクロキャビティ２６０（図４参照）を形成する。マイクロキャビティという用語は、μｍの範囲のサイズを有するキャビティを意味するものとして用いられる。図７は、キャビティ２６０の反射スペクトルの詳細を示している。キャビティの質が高いほど、キャビティ２６０の、いわゆるキャビティディップ（キャビティ降下）(cavity  dip)２６５のスペクトル幅△λｃが小さくなる。キャビティディップは、キャビティの長手方向のモード(longitudinal  mode)である。キャビティディップ２６５のスペクトル幅△λｃは、キャビティの質を定める。質が高いほど、キャビティディップは狭くなる。キャビティディップ間の自由スペクトル範囲△λｆは、キャビティの長さＬに依存する。キャビティディップの長さが長いほど、キャビティディップ２６５はより接近する。キャビティのモードは、存続する空間フィールド分布(spatial  field  distribution)を形成する、キャビティの長さＬは、好適には、できるだけ短く、理想の長さは、［Ｌ＝λ／２］である。なお、λは、放射される光子の波長を示す。
【００５７】
最初に説明したように、量子ドットは、別個のエネルギー状態、したがって、別個のルミネセンススペクトルを有している。量子ドットの状態、したがって、量子ドットのルミネセンス特性は、３つのパラメータ［材料成分、量子ドットのサイズと形状、温度］に決定的に依存する。構成要素の完成後、温度は、依然として可変である唯一のパラメータであるため、特別な重要性が与えられる。このため、この点においてより詳細に説明する。温度が増大する場合には、ルミネセンスのラインの広さおよび赤色シフトが発生する。これは、図８に示されている。
【００５８】
図８は、２つの個々の量子ドットのルミネセンスを示している。曲線２７０と２７０’は、室温におけるルミネセンスを示し、曲線２７５と２７５’は、低音（〜４Ｋ）におけるルミネセンスを示している。温度の増大により、ラインの広がりおよび赤色シフトが発生する。温度が低下する場合には、ルミネセンスのライン幅が低下し、ルミネセンスが青色にシフトし、ピーク間の間隔は一定に保持されている。
【００５９】
量子ドットのエピタキシャル成長では、サイズと成分に関する変動が、平均値の近傍で発生する。これは、ルミネセンス特性に直接影響を与える。平均光子エネルギーの近傍での分布が発生する。低温では分離している、同じサイズおよび同じ材料組成の量子ドット全体のルミネセンススペクトルは、高温では融合し、広く、赤色シフトされた放射スペクトルとなる。これは、図９に例示されている。
【００６０】
図９は、同じサイズおよび同じ材料組成の量子ドット全体のルミネセンススペクトルを、室温時（曲線２８０）と低温時（曲線２８５）で示している。放射スペクトルの密度分布は、量子ドットの分布機能に影響する。量子ドットのサイズおよび組成がそれらの平均値から離れるほど、励起される量子ドットの数が減少することが容易に理解できる。したがって、量子ドットの放射ピークが重なり合わない場合には、個々の量子ドットの共振励起のみが実行される。これは、放射ラインが互いに離れるように、量子ドット間の適切なエネルギー距離によってあるいは動作温度の低下によって実行される。
【００６１】
図４に示されている単一光子源１００は、２つの基本要素内に分離可能である。第１の基本要素は、量子ドット１６０の単一の層が配置されるピンダイオード構造１３０によって形成される。第２の基本要素は、マイクロキャビティ２６０に共振結合される単一の量子ドットによって形成される。図に対応する、励起される量子ドット１６０’のうちのただ一つのみが実際に光子を外部に放出するようにするために、キャビティディップ２６５の効果が選択される。この目的のために、単一光子源１００は、ルミネセンススペクトルが個々の非重なり放射ラインからなる温度範囲内で動作する。
【００６２】
電流通路制限装置は、すでに、量子ドット１６０の総数に関連する励起量子ドット１６０’の数をかなり制限している。前述したように、残りの電気的に励起される量子ドット１６０’は、それらのエネルギー状態に関する分布に左右される。温度を変えることによって、十分に小さいキャビティディップ幅△λｃを有することが可能となり、単一量子ドットのみがキャビティ２６０に共振結合されることを達成することができる。
【００６３】
原理的には、図１０（ａ）に示されている状態は、垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ：vertical  cavity  surface  emitting  laser）構造内の状態に対応する。キャビティディップ２６５’は、量子ドットの、温度的に広げられたルミネセンス分布３００のピークに存在する。個々の量子ドットの大部分の状態は、そこで重なり合っている。これにより、多くの量子ドットは、同時にキャビティに共振結合される。これは、量子ドットの大部分が誘導放射に寄与するため、レーザ構造において歓迎される。状態は、基本的に、温度が降下すると変化する。
【００６４】
図１０（ｂ）では、マイクロキャビティと共振状態にある量子ドット状態は存在していない。キャビティディップ２６５’は、量子ドット全体のルミネセンス分布の端に位置している。より正確に置くためには、より長い波を有する側（すなわち、図中において、低周波数あるいは低エネルギー側に）である。
【００６５】
図１０（ｃ）中のセクションの拡大図は、ルミネセンスライン３０５の一つが、さらなる冷却によって、キャビティとの共振状態となることが可能であることを示している。これが発生すると、単一量子ドットのみが、キャビティと共振状態となる。ピンダイオード構造１３０の周りの他の量子ドットに対する励起エネルギーはより高いため、キャビティと共振状態にあるこの量子ドットの光子の再吸収は、不可能である。
【００６６】
したがって、図４に対応する構造は、単一の電気的に励起される量子ドット１６０’をマイクロキャビティ２６０に共振結合することができる。
【００６７】
単一光子源１００の動作を説明するために、従来公知のＶＣＳＥＬレーザ構造と図４に示されている単一光子源１００の間の違いを、再度簡単に要約する。ＶＣＳＥＬとここに提案されている構造との間の大きな類似性に拘らず、２つの構成要素の完全に反対の適用に由来する多くの基本的な差が存在する。一方では、設計上の違いが存在し、他方では、個々の構成要素の特性が、異なる目的で使用されている。単一光子源１００では、活性層は、量子ドットを有する単一の層により構成されているだけである。この単一の層を成長させる目的は、量子ドット１６０のサイズおよび材料組成に関して、最も低い密度と高い変動を達成することである。これは、結晶成長を適切に案内することによって保証される。両方とも、単一のラインの選択、したがって、単一の量子ドットの共振結合が達成可能であるように、量子ドットの個々のルミネセンスライン間のエネルギー間隔の最大化をねらっている。ＶＣＳＥＬレーザの場合には、対照的に、これを正確に避けることができる。この理由のため、量子ドット層の数は、キャビティ内に最大密度を有して配置される。この配置では、成長の間、量子ドットの変動が最小となる。これにより、できるだけ多くの量子ドットが、室温におけるルミネセンスラインを広げることによってキャビティと共振結合され、そして、その後、重なり合う。この理由のため、ＶＣＳＥＬ構造は、キャビティディップが、動作温度におけるルミネセンス分布のピークに配置されるように、設計される。
【００６８】
対照的に、非励起量子ドットによる再吸収は、両方の構成要素における負の効果を有している。ＶＣＳＥＬでは、これらを避けるためのアプローチは、可能であれば、キャビティ内に配置される、電気的に励起される全ての量子ドットにより構成される。この目的のために、穴を通る電流は、できるだけ均質にされる。これにより、穴の中央に配置されていない量子ドットもポンピングされる。前述したように、この場合、もっとも可能性がない数、理想的には、単一の量子ドットのみが電気的に励起されるため、後者は、図４に対応する単一光子源１００では望まれない。非励起量子ドットにおける再吸収損失を防止するために、単一光子源１０は、好適には、キャビティディップ２６５が、動作温度におけるルミネセンス分布の低エネルギー側に存在するように、設計される。キャビティが、全ての他の量子ドットより低い再結合エネルギーを有する量子ドットと共振状態にある場合には、それによって放射される光子は、それらのエネルギーも、他の量子ドットによる吸収に対して低いため、構造内ではもはや吸収されない。
【００６９】
ＶＣＳＥＬレーザと図４に対応する単一光子源１００の間の差が、キャビティの長さＬの選択に関して存在する。ＶＣＳＥＬでは、キャビティ内の空間フィールド分布のピークにおける層の最大数の光学位置は、主要な関心点である。一般的に、ＶＣＳＥＬのキャビティの長さは、レーザの放射波長の１〜５倍である。単一光子源１００の設計における主要な目的の一つは、対照的に、パーセル係数の最適利用および自然放射比における増大である。モードのボリュームは、これに関連して、重要な役割を果たすため、キャビティの長さは、できるだけ短く選択される。理想的には、キャビティの長さは、小さい平均屈折率（隣接する上部および下部ミラー層の屈折率より小さい）を選択することによって可能な［λ／２］である。
【００７０】
説明した単一光子源１００は、量子暗号化に使用可能な構成要素に対して、最初に示した全ての要求を満たしている。第一に、可能性が、電気信号の直接の処理について言及される。これは、システムの統合をかなり簡略化する。量子ドットの共振結合は、マイクロキャビティのモードは、パーセル効果を用いることによって適切な自然放射比を保証することを言明している。これにより、キャビティによって与えられる放射の好適な方向と共同して、効率は、現実的な構成要素の要求と整合される。光ファイバーへの注入中に発生する光学損失も、最小である。この原因は、小さい穴の角度および丸いビームプロファイルによって区別され、ＶＣＳＥＬと同一である放射特性にある。原理上では、量子ドットの使用によって、構成要素は、遠距離通信に重要である１．３μｍおよび１．５５μｍの波長を使用することができる。ＶＣＳＥＬと同様の構造により、追加して提供される単一光子源１００は、その製造が、すでに確立されている方法と処理で実行可能であるという利点を提供する。
【００７１】
図４に対応する単一光子源１００が、転換された光子対を発生するものである場合には、量子ドット１６０は、好適には、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓの場合には、量子ドット材料の原子８００〜５０００個で形成される。このような量子ドットのサイズを有する場合、微細構造分裂は、一般的に、転換された光子対を発生することができるように十分小さい。微細構造分裂は、好適には、−１００μｅＶと＋１００μｅｖ、より好適には、−５０μｅＶと＋５０μｅＶの間の間隔内である。量子ドットの通常のエネルギーレベルは、例えば、１．２７ｅＶと１．３３ｅｖの間である。
【００７２】
対照的に、図４に対応する単一光子源１００が、定められた偏光性を有する単一の光子を発生するものである場合には、量子ドット１６０は、好適には、量子ドット材料の原子４００００〜１２５００個で形成される。このような量子ドット１６０のサイズを有する場合、微細構造分裂は、一般的に、非所望の方法で発生される光子も濾過することができるほど十分大きくなる。好適には、少なくとも＋４００μｅＶ、特に好適には、少なくとも＋５００μｅＶあるいはそれ以上の微細構造分裂が設定される。量子ドットの通常のエネルギーレベルは、例えば、１．１ｅＶ以下である。
【００７３】
図１１は、単一光子源１００の更なる実施例を示している。下部ブラッグミラーパケットあるいはＤＢＲ（分配されたブラッグ反射鏡）(distributes  Bragg  reflector)ミラーパケット５０５、ＯＥＤ構造５１０の上に配置されているＬＥＤ構造５１０およびマイクロキャビティ５１５を有する基板５００が示されている。図４に対応する単一光子源１００と違って、図１１に対応するキャビティ５１５は、非常に少数の量子ドットのみを含んでいる。以下の説明では、キャビティが、接触子５２５と５３０を介して電気的に駆動可能なＬＥＤ構造５１０によって光学的に励起される、単一の量子ドット５２０のみを含む例を想定している。ＬＥＤ構造５１０の下部に配置されているブラッグミラーパケット５０５は、ポンピングＬＥＤとして動作するＬＥＤ構造５１０の放出効率を増大させる。
【００７４】
キャビティ５１５は、パーセル効果を使用する。パーセル効果は、量子ドット５２０のエネルギー状態の、自然放射比におけるキャビティ５１５のモードへの共振結合の影響を記述する。この効果を定量化するパラメータは、パーセル係数Ｆｐである。これは、キャビティの質とモードボリュームに依存し、また、キャビティの外側および内側の量子―機械状態の寿命比を記述する。パーセル係数Ｆｐは、以下のように表される。
Ｆｐ＝τｆｒｅｅ／τｃａｖ
パーセル係数とキャビティパラメータとの間の関係は、以下のように表される。
Ｆｐ−３Ｑ（λｃ／ｎ）３／４π２Ｖ
ここで、λcは波長であり、ｎは屈折率であり、Ｖはモードボリュームである。
【００７５】
これに関連して、キャビティ５１５の設計に対する重要なパラメータは、キャビティ５１５のモードボリュームＶと質係数Ｑである。キャビティ５１５を設計する際の要求は、主に、十分に小さいモードボリュームＶを達成することからなる。パーセル効果による自然放射比における異なる効果を達成するためには、０．５μｍから３μｍまでの小さなキャビティ径ｄが価値がある。直ちに理解することができるように、パーセル係数は、Ｆｐ〜１／Ｖが適正であるため、キャビティ径を減少させることによって容易に増大させることができる。
【００７６】
質係数Ｑは、キャビティ５１５の内部および外部の光学損失に依存する。内部損失は、光吸収によって生成され、外部損失は、共振ミラーの限定された反射率と種々の散乱機構により、共振器ミラーによって部分的な放出されることによって生成される。キャビティの外部の光学損失は、キャビティ５１５のコラム（列）径ｄの減少により増大する。この原因は、増大する曲線波面、減少する水平波ガイダンス、キャビティのコラムジャケット（カバー）５４０における荒さによって発生される増大する光の散乱による、ミラー反射率の減少である。キャビティの質は、パーセル係数に直接に含まれているため、パーセル係数内の増加は、キャビティ径ｄを減少させることによって制限されるだけであることが容易に理解できる。しかしながら、小さいコラム径ｄに対する要求は、光学損失が、径の減少とともに大きく増大し、結果的に、キャビティの質係数Ｑがかなり減少するという問題を伴う。
【００７７】
コラム径ｄの減少によるキャビティの光学損失の増大に対抗するために、図１１に示されている単一光子源１００のコラムジャケット５４０には、高反射膜５５０が設けられている。高反射膜５５０は、例えば、金の層によって形成される。この構成を備える場合、パーセル係数は、膜が形成されていないキャビティあるいは異なる覆が形成されているキャビティを有する単一光子源１００の場合より明確に高い。
【００７８】
加えて、キャビティ５１５内のフィールド分布は、キャビティのコラムエッジ（列縁）５４０からできるだけ離して光学フィールド分布を保持することにより、図１１に参照符号５６０によって示されているＡｌＯｘの穴を介して、最小損失および最小モードボリュームに関しても最適化される。加えて、ＡｌＯｘの層は、例えば、ＧａＡｓからなり、上部と下部を結合するミラー層の屈折率より小さい、キャビティ内の実効屈折率を減少させる。λ／２の最小キャビティ長は、この手段によってのみ達成される。
【００７９】
光励起に対して使用されるＬＥＤ５１０の放射スペクトルは、好適には、励起が、量子ドット５２０の状態よりエネルギー的に上位にあるように選択される。キャビティ５１５は、好適には、この波長範囲内で透明である。
【００８０】
図１２の曲線６００は、低温における量子ドット５２０のルミネセンススペクトルを示している。曲線６１０は、励起ＬＥＤのエレクトロルミネセンスを示している。参照符号２６５、２６５’および２６５”は、キャビティ５１５の長手方向のモードを指示している。
【００８１】
図１１に示されている単一光子源１００は、また、量子暗号化に使用可能な構成要素に対して最初になされる全ての要求を満たしている。最初に、単一光子源１００は、直接に電気信号を処理可能である。パーセル効果を使用することによって、自然放射比は、十分に高く、また、キャビティジャケット５４０のミラー化よる光学損失の効果的な抑制によってさらに増大する。また、キャビティ５１５は、放射特性に対して正の効果を有している。これにより、丸いビームプロファイルが、ファイバーへの注入の間、全ての光学損失が減少するように、得られる。光子の放射内に光学的に励起される多数の量子ドットがキャビティ５１５内に存在している場合でも、キャビティの濾過特性は、非常に狭い周波数帯内の光子のみ、すなわち、単一の量子ドットの光子がキャビティから放出されるのを保証する。この場合、それぞれ１．３μｍおよび１．５５μｍの放射波長を有する量子ドットを実現可能である。これにより、すでに装着されている光ファイバーネットワークは、この単一光子源１００とともに使用可能である。単一光子源１００は、すでに確立されている方法によって製造される。同様に、十分に成長した技術が、システム統合のために使用可能である、
【００８２】
図１１に対応する単一光子源１００が、転換された光子対を発生するものである場合には、量子ドット５２０は、好適には、量子ドット材料の原子８００〜５０００個で形成される。量子ドット５２０のサイズを選択することによって、−１００μｅＶと＋１００μｅＶの間、より好適には−５０μｅＶと＋５０μｅＶの間の微細構造分裂が、好適に設定される。理想的には、正確に０に設定される。量子ドット５２０の通常のエネルギーレベルは、例えば、１．２７ｅＶと１．３３ｅＶの間である。量子ドットの高さｈは、この場合、好適には、０．３ｎｍと０．９ｎｍの間である。
【００８３】
対照的に、図１１に対応する単一光子源１００が、定められた偏光性を有する光子を発生するものである場合には、量子ドット５２０は、好適には、量子ドット材料の原子４００００〜１２５０００個で形成される。量子ドット５２０のこのようなサイズを有している場合、微細構造分裂は、一般的に、非所望の方法で発生される光子も濾過することができるように十分に大きくなる。好適な方法では、少なくとも＋４００μｅｖ、特に好適には、少なくとも＋５００μｅＶあるいはそれ以上の微細構造分裂が設定される。量子ドット５２０の通常のエネルギーレベルは、例えば、１．１ｅＶ以下である。量子ドットの高さｈは、好適には、この場合、２ｎｍ以上である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、励起子Ｘと双励起子ＸＸに対する概略エネルギー図を用いて量子ドットによる光子の発生を示す図である。
【図２】図２は、励起子エネルギーと量子ドットのサイズの関数として測定した、通常状態における発光励起の微細構造分裂を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、高放射比を有する定められた偏光性を有する光子の放射と転換された偏光性を有する光子対の放射を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、高放射比を有する定められた偏光性を有する光子の放射と転換された偏光性を有する光子対の放射を示している。
【図４】図４は、本発明に対応する単一光子源の第１の実施例を示している。
【図５】図５は、図４に対応する単一光子源内の電流の流れを示している。
【図６】図６は、図４に対応する単一光子源の下部ブラッグミラーパケットと上部ブラッグミラーパケットの反射スペクトルを示している。
【図７】図７は、図４に対応する単一光子源のキャビティの反射スペクトルの詳細を示している。
【図８】図８は、異なる温度における、図４に対応する単一光子源の２つの量子ドットのルミネセンス特性を示している。
【図９】図９は、異なる温度における、図４に対応する単一光子源における量子ドット全体のルミネセンス特性を示している。
【図１０】図１０ａ、ｂ、ｃは、選択的な温度制御によって、最も低い放射周波数を有する量子ドットの光子の放出を示している。
【図１１】図１１は、本発明に対応する単一光子源のさらに他の実施例を示している。
【図１２】図１２は、低温における、図１１に対応する単一光子源の量子ドットのルミネセンスのスペクトルと励起ＬＥＤのエレクトロルミネセンスを示している。
【符号の説明】
【００８５】
１０  小さい量子ドット
１５  大きい量子ドット
１００  単一光子源
１０５  基板
１１０  下部ブラッグミラーパケット
１１５  ミラー層対
１２０  下部電気接触層
１３０  ピンダイオード構造
１４０  上部電気接触層
１５０  活性層
１６０  量子ドット
１６０’  励起量子ドット
１６０“  非励起量子ドット
１６５  中間層
１７０  上部ブラッグミラーパケット
１８０  光子
１９０、１９５  電気接続接触子
２００  非導電層
２１０  開口部
２２０  電流穴
２５０  高反射率コントラストに対する曲線
２５５  低反射率コントラストに対する曲線
２６０  マイクロキャビティ
２６５、２６５’、２６５“  キャビティディップ
２７０、２７０’  曲線
２８０、２８５  曲線
５００  基板
５０５  下部ブラッグミラーパケット
５１０  ＬＥＤ構造
５１５  マイクロキャビティ
５２０  単一量子ドット
５２５、５３０  接触子
５４０  コラムエッジ
５５０  高反射膜
６００、６１０  曲線
Ｘ  励起子
ＸＸ  双励起子
ＦＳＳ  微細構造分裂
ｎ＋、ｎ−  相互に直角な偏光方向
Ｐ１、Ｐ２  ドーピングプロファイル
△λｃ  キャビティディップの特別幅
△λｆ  キャビティディップ間の自由スペクトル範囲
Ｌ  キャビティの長さ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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