(57)【要約】【課題】単一光子の波長変換において、信号対雑音比の低下を防ぐこと。【解決手段】波長変換装置は、第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、結合量子ドットを内包する光共振器と、結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、第１の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、光共振器の共鳴エネルギーに等しい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第１の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
前記第２の量子ドットに正孔を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記第２の量子ドットに電子を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記第２の量子ドットに正孔を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記第２の量子ドットに電子を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項８】
前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むｉ型半導体層は、屈折率の異なる２種類の半導体多層膜を有するｐ型分布ブラッグ反射鏡とｎ型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたｎ型又はｐ型分布ブラッグ反射鏡と、
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットに印加する電圧を制御する工程と、
前記第１の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を１個ずつ生成する工程とを含み、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長変換装置及び波長変換方法に関し、特に、単一光子の波長変換装置及び波長変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子情報化社会の浸透に伴い、情報通信技術に関する研究が盛んに行われている。しかし、電子化された情報は複製が容易であり劣化もしないため、盗聴及び複製に対する安全性が問題となる。したがって、電子政府、電子商取引を含む次世代情報化社会を実現するには、安全で確実な暗号通信が必要となる。
【０００３】
暗号通信として、公開暗号鍵方式及び秘密暗号鍵方式が用いられている。一例として、ＲＳＡ公開暗号鍵方式においては、非常に大きな数の素因数分解には膨大な時間を要するという計算量的側面に基づいて安全性が保証されている。ところが、現在研究が進められている量子計算機を用いると、Ｓｈｏｒのアルゴリズムに基いて、素因数分解を並列計算できることが証明されている。量子計算機が実用化のレベルに達した合には、ＲＳＡ暗号を解読するのに要する時間が飛躍的に短縮され、ＲＳＡ暗号の安全性は保証されなくなる。したがって、現在用いられている公開暗号鍵方式及び秘密暗号鍵方式の安全性は完全なものとは言えない。
【０００４】
このような安全性に関する問題を解決する手段として、量子暗号通信に対する期待が高まっている。量子暗号としてよく知られている方式は、“ＢＢ８４型”プロトコルである。このプロトコルでは、光子１つの量子状態（例えば、偏光状態）に情報を載せて伝送する。これを盗聴するには、１光子状態を観測し、観測後の光子を伝送路に戻さなければならない。ところが、量子複製不可能定理（ｎｏ−ｃｌｏｎｉｎｇ定理）によると、量子状態を破壊することなく、情報を取り出したり、又は複製したりすることは不可能である。したがって、正しいビット情報を取り出した場合には、盗聴されたこと（すなわち、光子状態が破壊されたこと）が判明してしまう。
【０００５】
量子暗号通信を実用化するには、情報媒体である光子１個を規則正しく生成する単一光子発生器を実現することが重要となる。単一光子発生器として利用可能な物理系の候補として、例えば、ＩｎＡｓ自己形成量子ドット（非特許文献１）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献２）、ＣｄＳｅコロイド量子ドット（非特許文献３）が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０９８１３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐ．  Ｍｉｃｈｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈｏｔｏｎ  Ｔｕｒｎｓｔｉｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ，”  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９０，  ２２８２  （２０００）．
【非特許文献２】Ｃ．  Ｋｕｒｔｓｉｅｆｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｔａｂｌｅ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎｓ，”  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８５，  ２９０  （２０００）．
【非特許文献３】Ｘ．  Ｂｒｏｋｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｈｉｇｈｌｙ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｓ  ｂｙ  ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ＣｄＳｅ／ＺｎＳ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８５，  ７１２  （２００４）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
量子暗号通信に用いられる単一光子の伝送経路として、現在の情報ネットワークの基幹を成す光ファイバ網を利用することが考えられる。光ファイバにおける伝送損失を少なくするために、単一光子の波長を、１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯（以下「通信波長帯」という）とすることが望ましい。
【０００９】
通信波長帯の量子暗号においては、単一光子という微弱光を効率よく検出する技術も必要とされる。一般的な検出技術として、ＩｎＧａＡｓのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を用いた技術が挙げられる。
【００１０】
しかし、この手法によると、（１）量子効率が１０％程度と低い、（２）ゲートパルスに同期した光子しか検出できない、（３）光子が来ていなくても誤ってカウントしてしまう暗計数が多い、（４）光子検出後のアフターパルスと呼ばれる過電流により、高速に検出を繰り返すことができない、等の問題がある。
【００１１】
これらの問題を解決する方法として、波長変換に基づく光子検出法が挙げられる。この方法は、光通信波長帯の単一光子を、シリコンＡＰＤで検出感度がある波長に変換するものである。具体的には、波長は１μｍ以下とし、量子効率を勘案すると、７００〜８００ｎｍ程度とする。この方法によると、（１）量子効率を５０％以上とすることができる、（２）ゲート動作は不要である、（３）暗計数は１秒間に数１０カウント程度と非常に低い、（４）アフターパルスの発生確率は無視できるほど小さい。したがって、波長変換に基く光子検出方法によると、上述の諸問題を解消することができる。
【００１２】
なお、波長変換について、一例として、通信波長帯から８００ｎｍ程度に変換する場合について述べたが、これに限られるものではない。一般に長距離伝送における伝送路は、光ファイバとすることが好ましい。しかし、数ｍ〜数十ｍ程度の近距離においては、伝播損失は小さく、むしろ光ファイバに基く計測機器の接続損失が大きい場合があり得る。したがって、空間光学系に基く測定器又は空間伝送を用いた方がよい場合もあり、この場合における波長として、可視光が用いられることが多い。このような短い距離の空間伝送と、長い距離の光ファイバ伝送とをつなぐ部分においては、単一光子レベルでの波長変換機能が必要とされる。
【００１３】
量子暗号の帯域を広げるため、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式も検討されている。Ｎ個の波長を利用した場合には、１波長の場合と比較して、帯域をＮ倍とすることができるからである。この場合においても、チャネル（波長）間において信号を変換する際に、波長変換技術が必要とされる。
【００１４】
以上より、量子情報通信において単一光子の波長変換装置が必要とされることが分かる。
【００１５】
単一光子の波長変換に関する従来技術として、非線形光学結晶を用いた方法が知られている（特許文献１）。図８は、特許文献１に記載された波長変換方法を実現するための構成を示す。入力単一光子（周波数ωＩＮ、波長にして１５５０ｎｍに相当する）とポンプ光（周波数ωｐ）とを、ビームスプリッタや光カプラ等を用いて同軸上に重ね合わせ、非線形光学結晶４０に入射する。非線形光学結晶４０として、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）等が用いられる。結晶中の２次非線形光学効果である和周波発生により、通信波長帯の入力単一光子４３は、可視光の領域の出力単一光子４４（周波数ωＯＵＴ）に波長変換される。ここで、エネルギー保存則より、各周波数は、ωＯＵＴ＝ωＩＮ＋ωｐを満たす。
【００１６】
波長変換の効率は、非線形光学結晶４０の分極反転の最適化により、８０％以上にもなることが知られている。このようにして可視光波長帯に波長を変換することで、上述のシリコンＡＰＤを用いた高量子効率・低暗計数の単一光子検出が可能となる。
【００１７】
しかし、この方法によると、変換後の信号光とポンプ光の分離に関して問題が生じる。和周波発生の効率は、ポンプ光強度と入力単一光子強度の積に比例するが、単一光子は非常に弱い強度であるため、８０％以上の量子効率を実現するためにはポンプ光強度を相当強くする必要がある。しかしながら、ポンプ光４５が波長変換した出力単一光子４４に混ざると、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を低下させてしまうため、ポンプ光４５の混入を避ける必要がある。
【００１８】
信号光とポンプ光４５は、図８に示すように同一の方向に伝搬するため、非線形光学結晶４０の後段において、プリズム４１及びバンドパスフィルタ４２を複数用いて、強いポンプ光４５を除去しなければならない。ポンプ光４５が出力単一光子４４に混入するとＳ／Ｎ比が低下するため、精密な光学経路の調整が必要となる。また、フィルタ等の光学部品は出力単一光子４４に対しても有限の光学損失を持つため、結果として、装置全体としての波長変換効率が低下する。
【００１９】
さらに、光ファイバに基いた装置においては、ポンプ光のラマン散乱によるＳ／Ｎ比の低下も起こり得る。強いポンプ光が光ファイバ中を伝播すると、ラマン散乱と呼ばれるフォノンを介した非弾性散乱によって、出力単一光子と同一の波長の光に散乱される。プリズムやバンドパスフィルタによって同一の波長の光を取り除くことはできないため、本来発生すべきでない光子が生ずることによりＳ／Ｎ比が低下する。
【００２０】
このように、装置の複雑化、Ｓ／Ｎ比の低下等を招くことなく、１光子レベルの微弱光の波長変換を行う方法は、これまでに知られていない。
【００２１】
そこで、単一光子の波長変換において、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下を防ぐことが課題となる。本発明の目的は、かかる課題を解決する波長変換装置及び波長変換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の第１の視点に係る波長変換装置は、
互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第１の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しい。
【００２３】
本発明の第２の視点に係る波長変換方法は、
互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットに印加する電圧を制御する工程と、
前記第１の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を１個ずつ生成する工程とを含み、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る波長変換装置及び波長変換方法によると、単一光子の波長変換において、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の動作について説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。
【図６】本発明の第７の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。
【図７】本発明の第１０の実施形態に係る波長変換装置の構成を概略的に示す図である。
【図８】特許文献１に記載された波長変換装置の構成を一例として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の第１の展開形態によると、上記第１の視点に係る波長変換装置が提供される。
【００２７】
ここで、結合された量子ドット（結合量子ドット）とは、一方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数と、他方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数とが重なる程度互いに近接した、複数の量子ドットのことをいう。
【００２８】
入力単一光子が結合量子ドットに吸収されると、通常は１ｎｓ程度の時間スケールで同じ波長の単一光子が放出される。ところが、内部に結合量子ドットを含む光共振器がこの波長での発光を抑制し、光吸収により生成された電子と、光吸収の前に注入された正孔、もしくは、光吸収により生成された正孔と光吸収の前に注入された電子との発光再結合を促進するため、入力単一光子とは異なる波長の出力単一光子が得られる。
【００２９】
本発明の第２の展開形態によると、前記第２の量子ドットに正孔を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３０】
本発明の第３の展開形態によると、前記第２の量子ドットに電子を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３１】
本発明の第４の展開形態によると、前記第２の量子ドットに正孔を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３２】
結合量子ドット中に光吸収によって電子・正孔を生成した後、電子をドット間で共鳴トンネルにより移動させ、光共振器との共鳴によって同じドット内の電子・正孔の発光再結合を促進させることにより、入力単一光子とは別の波長の出力単一光子を得ることができる。
【００３３】
結合量子ドットを構成する量子ドットは２個に限られるものではなく、３個以上で以上であっても構わない。このとき、電子は隣接する量子ドット間を順次共鳴トンネルさせる。
【００３４】
本発明の第５の展開形態によると、前記第２の量子ドットに電子を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３５】
本発明の第６の展開形態によると、  前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３６】
本発明の第７の展開形態によると、前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する、波長変換装置が提供される。
【００３７】
本発明の第８の展開形態によると、前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むｉ型半導体層は、屈折率の異なる２種類の半導体多層膜を有するｐ型分布ブラッグ反射鏡とｎ型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれている、波長変換装置が提供される。
【００３８】
本発明の第９の展開形態によると、前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたｎ型又はｐ型分布ブラッグ反射鏡と、前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えている、波長変換装置が提供される。
【００３９】
本発明の第１０の展開形態によると、上記第２の視点に係る波長変換方法が提供される。
【００４０】
本発明によれば、結合量子ドットと光共振器との組合せにより、入力単一光子とは波長の異なる出力単一光子を発生させることができ、従来技術のように強いポンプ光の影響で出力単一光子のＳ／Ｎ比が低下することが原理的にないため、従来よりも通信速度を速く、高い信頼性をもつ量子暗号通信が可能となる。本発明によれば、Ｓ／Ｎ比を低下させることなく単一光子の波長変換装置を得ることができ、量子暗号通信の帯域を拡大することができる。
【００４１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４２】
（実施形態１）
図１は、第１の実施形態である波長変換装置を示した模式図である。
【００４３】
図１において、波長変換装置は、ｎ型ＤＢＲ（ｎ型にドープされた分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ））１４、第１の量子ドット１０と第２の量子ドット１１とを含むｉ型（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）共振器層１５、ｐ型ＤＢＲ１６と、これらを挟むようにして配置された下部電極１３と、上部電極１７により構成される。上部電極には、レンズ１９を介して単一光子を入出力するための微小開口１８が形成されている。ここに示した半導体部分は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって、ｎ型基板１２上に図面下の部分から成膜される。
【００４４】
図１を参照すると、積層平面内に光を閉じ込めるために、半導体はピラー型の形状を有し、その直径は２〜１０μｍ程度である。電子線リソグラフィー又は光学露光法と、ドライエッチング技術とによって、このような形状に加工することができる。
【００４５】
一例として、ｎ型基板はＳｉはドープされたＧａＡｓとし、ｎ型ＤＢＲはＳｉがドープされたＧａＡｓとＡｌＡｓが交互に積層された多層膜とし、ｉ型共振器はノンドープのＧａＡｓとし、量子ドットはＩｎＡｓとし、ｐ型ＤＢＲはＢｅがドープされたＧａＡｓとＡｌＡｓが交互に積層された多層膜とすることができる。
【００４６】
第１の量子ドット１０は、ｉ型共振器層１５のほぼ中央部分に自己成長により形成され、さらにその上に、第２の量子ドット１１が、自己成長により形成される。第１の量子ドット１０と第２の量子ドットとは近接して互いに結合しており、結合量子ドット１００を形成する。ここで、２つの量子ドットが結合されているとは、一方の量子ドットに束縛されている電子又は正孔の波動関数と、他方の量子ドットに束縛された電子又は正孔の波動関数との間に有限の重なりが生じる程度、量子ドットが近接していることをいう。典型的な量子ドット間の距離は５〜１０ｎｍ程度である。
【００４７】
また、ＤＢＲは、屈折率の異なる媒質を（ｎ１、ｎ２とする）、反射させたい光波長λに対してそれぞれλ／４ｎ１、λ／４ｎ２の膜厚で交互に積層した構造である。積層数を増やすにつれて高い反射率が得られる。本実施形態において、ＧａＡｓとＡｌＡｓを構成媒質と想定すると、１０〜２０対（２０〜４０層）程度が必要とされる。
【００４８】
ｎ型ＤＢＲ１４とｐ型ＤＢＲ１６は、ｉ型共振器層１５に光を強く閉じ込める光共振器を構成し、そのピラーの直径とｉ型共振器層の厚さ等によって決まる共振器エネルギーは、後述する出力単一光子のエネルギーに一致するように設計される。このとき、共振器電場と結合量子ドット１００とが相互作用をするように、電場振幅の最大の位置付近に結合量子ドットを配置する必要がある。
【００４９】
上部電極１７は、ｐ型ＤＢＲ１６の上に金属蒸着等によって作製される。下部電極１３は、ｎ型基板１２にコンタクトされている。上部電極１７と下部電極１３の間に印加する電圧を適切に制御することにより、ｎ型ＤＢＲ１４から第１の量子ドット１０に電子を１個注入する、又はｐ型ＤＢＲ１６から第２の量子ドット１１に正孔を１個注入することが可能となる。また、この印加電圧制御により、第１の量子ドット１０と第２の量子ドット１１の電子エネルギー又は正孔エネルギーを一致させることもできる。さらには、波長変換後結合量子ドット内に残った電子又は正孔を除去（すなわち、結合量子ドット内のキャリアを初期化）することもできる。
【００５０】
次に、動作原理を説明する。量子ドットの電子又は正孔のエネルギーと入力単一光子のエネルギーとの間の関係、及び、キャリアの量子ドット間の移動の有無によって、様々なバリエーションが考えられる。
【００５１】
図２は、第１の実施形態に係る波長変換装置の動作について説明する図である。図２は、結合量子ドット１００近傍における電子及び正孔のエネルギーダイアグラムを示す。なお、動作を説明するために必要とされない部分については、エネルギーダイアグラムの構造を簡略化して示した。価電子バンド２０及び伝導バンド２１が斜めになっているのは、ｐ−ｉ−ｎ構造におけるビルトイン電圧と、上部電極１７と下部電極１３間への印加電圧によるものである。白丸は正孔２２を、黒丸は電子２３を示す。
【００５２】
第１の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ１及びＥＶ１とする。また、第２の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ２及びＥＶ２とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣ１−ＥＶ２とする。
【００５３】
単一光子の波長変換（エネルギー変換）動作は、次の手順で行う。
【００５４】
（ａ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第２の量子ドット１１に正孔を１個注入する。
【００５５】
（ｂ）エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子２４が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００５６】
（ｃ）光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーＥＣ１−ＥＶ１の発光を抑制し、共鳴するエネルギーＥＣ１−ＥＶ２の発光を促進する（パーセル効果）ため、第１の量子ドット１０内の電子と第２の量子ドット１１内の正孔とが再結合して、エネルギーＥＣ１−ＥＶ２の出力単一光子２５を発生する。
【００５７】
（ｄ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０内に残っている正孔１個を結合量子ドット１００から除去するか、又は第２の量子ドット１１に移動させる。
【００５８】
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子が、エネルギーＥＣ１−ＥＶ２の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＶ１−ＥＶ２となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００５９】
上記の動作によると、従来のような強いポンプ光は使用とされないことから、Ｓ／Ｎ比の低下を防ぐことができる。また、共振器構造を採用することにより、入力光子が量子ドットに吸収される効率、及び出力光子が取り出される効率を高くすることができる。
【００６０】
動作原理から分かるように、波長変換の波長は量子ドットのエネルギー準位によって決定される。量子ドットのエネルギー準位は、ドットを構成する物質、大きさ等によって決まる。したがって、物質の選定や形状の設計によって、波長変換装置の動作波長を制御することができる。
【００６１】
（実施形態２）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図３は、結合量子ドット１００近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態の波長変換方法は、第１の実施形態に係る波長変換装置の動作とは、電子と正孔の役割が入れ替わっている点で相違する。
【００６２】
第１の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ１及びＥＶ１とする。また、第２の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ２及びＥＶ２とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣ１−ＥＶ２とする。
【００６３】
（ａ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第２の量子ドット１１に電子を１個注入する。
【００６４】
（ｂ）エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子２４が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００６５】
（ｃ）光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーＥＣ１−ＥＶ１の発光を抑制し、共鳴するエネルギーＥＣ２−ＥＶ１の発光を促進するため、第２の量子ドット１１内の電子と第１の量子ドット１０内の正孔とが再結合して、エネルギーＥＣ２−ＥＶ１の出力単一光子２５を発生する。
【００６６】
（ｄ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０内に残っている電子１個を、結合量子ドット１００から除去するか、又は第２の量子ドット１１に移動させる。
【００６７】
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子が、エネルギーＥＣ２−ＥＶ１の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＣ２−ＥＣ１となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００６８】
（実施形態３）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図４は、結合量子ドット１００近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。
【００６９】
第１の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ１及びＥＶ１とする。また、第２の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ２及びＥＶ２とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣ２−ＥＶ２とする。
【００７０】
（ａ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第２の量子ドット１１へ正孔を１個注入する。
【００７１】
（ｂ）エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子２４が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００７２】
（ｃ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０及び第２の量子ドット１１の電子エネルギーを一致させ、第１の量子ドット中にある電子を共鳴トンネル現象によって第２の量子ドットに移動させる。
【００７３】
（ｄ）光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーＥＣ１−ＥＶ１及びＥＣ１−ＥＶ２の発光を抑制し、共鳴するエネルギーＥＣ２−ＥＶ２の発光を促進するため、第２の量子ドット１１内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーＥＣ２−ＥＶ２の出力単一光子２５を発生する。
【００７４】
（ｅ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０内に残っている正孔１個を、結合量子ドット１００から除去するか、又は第２の量子ドット１１に移動させる。
【００７５】
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子が、エネルギーＥＣ２−ＥＶ２の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＣ２−ＥＣ１＋ＥＶ１−ＥＶ２となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００７６】
（実施形態４）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図５は、結合量子ドット１００近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態の波長変換方法は、第３の実施形態に係る波長変換方法とは、電子と正孔の役割が入れ替わっている点で相違する。
【００７７】
第１の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ１及びＥＶ１とする。また、第２の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ２及びＥＶ２とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣ１−ＥＶ１とする。
【００７８】
（ａ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第２の量子ドット１１へ電子を１個注入する。
【００７９】
（ｂ）エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子２４が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００８０】
（ｃ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０及び第２の量子ドット１１の正孔エネルギーを一致させ、第１の量子ドット１０中にある正孔を共鳴トンネル現象によって第２の量子ドット１１に移動させる。
【００８１】
（ｄ）光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーＥＣ１−ＥＶ１及びＥＣ１−ＥＶ２の発光を抑制し、共鳴するエネルギーＥＣ２−ＥＶ２の発光を促進するため、第２の量子ドット１０内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーＥＣ２−ＥＶ２の出力単一光子２５を発生する。
【００８２】
（ｅ）上部電極１７と下部電極１３間への印加電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０内に残っている電子１個を結合量子ドット１００から除去するか、又は第２の量子ドット１１に移動させる。
【００８３】
上記の動作を繰り返すことで、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子が、エネルギーＥＣ２−ＥＶ２の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＣ２−ＥＣ１＋ＥＶ１−ＥＶ２となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００８４】
（実施形態５）
実施形態３においては、結合量子ドット１００を構成する量子ドットは２個としていたが、３個以上の隣接する量子ドットが互いに結合した系でも同様の動作が可能である。量子ドットをｎ型ドープ層側から第１、第２、…、第Ｎの量子ドットとする。ただし、Ｎは３以上の整数である。
【００８５】
第Ｎの量子ドット中の電子エネルギーをＥＣＮとし、正孔エネルギーをＥＣＶとする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣＮ−ＥＶＮとする。
【００８６】
（ａ）第Ｎの量子ドットに正孔を注入した状態を準備し、エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００８７】
（ｂ）共鳴トンネル現象を利用して、第１の量子ドット中にある電子を第２の量子ドット、第３のドット、…、と繰り返し移動させて、第Ｎの量子ドットまで移動させる。
【００８８】
（ｃ）光共振器は、共鳴するエネルギーＥＣＮ−ＥＶＮの発光のみを促進するため、第Ｎの量子ドット内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーＥＣＮ−ＥＶＮの出力単一光子を発生する。
【００８９】
したがって、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子は、エネルギーＥＣ２−ＥＶ２の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＣＮ−ＥＣ１＋ＥＶ１−ＥＶＮとなり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００９０】
（実施形態６）
本発明の第６の実施形態に係る波長変換方法について説明する。本実施形態の波長変換方法は、第５の実施形態に係る波長変換方法において、電子と正孔の役割を入れ替えることによって得られる。なお、本実施形態は、第４の実施形態に係る波長変換方法において、結合量子ドットを構成する量子ドットを２個から３個以上の量子ドットに拡張したものと考えることもできる。
【００９１】
（実施形態７）
図６は、本発明の第７の実施形態に係る波長変換方法について説明するための図である。図６は、結合量子ドット１００近傍における電子と正孔のエネルギーダイアグラムを示す。本実施形態においては、第１乃至第６の実施形態とは異なり、結合量子ドットに予め電子又は正孔を注入する必要はない。
【００９２】
第１の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ１及びＥＶ１とする。また、第２の量子ドットに束縛される電子及び正孔のエネルギーを、それぞれＥＣ２及びＥＶ２とする。ここでは、光共振器の共鳴エネルギーを、ΔＥ＝ＥＣ２−ＥＶ１とする。
【００９３】
（ａ）エネルギーがＥＣ１−ＥＶ１に一致する入力単一光子２４が第１の量子ドット１０に吸収されることで、電子と正孔が１個ずつ生成される。
【００９４】
（ｂ）上部電極１７と下部電極１３との間に印加する電圧を適切な値に設定することで、第１の量子ドット１０及び第２の量子ドット１１の電子エネルギーを一致させ、第１の量子ドット中にある電子を共鳴トンネル現象によって第２の量子ドットに移動させる。
【００９５】
（ｃ）光共振器は、共振器共鳴から外れているエネルギーＥＣ１−ＥＶ１やの発光を抑制し、共鳴するエネルギーＥＣ２−ＥＶ１の発光を促進するため、第１の量子ドット１０内の電子と正孔とが再結合して、エネルギーＥＣ２−ＥＶ１の出力単一光子２５を発生する。
【００９６】
この動作により、エネルギーＥＣ１−ＥＶ１の入力単一光子が、エネルギーＥＣ２−ＥＶ１の出力単一光子に変換される。このとき、単一光子のエネルギー変化量はＥＣ２−ＥＣ１となり、これに対応した単一光子の波長変化が実現される。
【００９７】
（実施形態８）
本実施形態７において、第１の量子ドットと第２の量子ドットの役割を入れ替えてもよい。また、共鳴トンネルによって移動させるキャリアは電子であっても正孔であってもよい。このとき、光共振器の共鳴エネルギーは、所望の出力単一光子のエネルギーに一致するように設計しなければならない。
【００９８】
（実施形態９）
第１乃至第８の実施形態において、入力を単一光子としていた。２個以上の入力光子がある場合には、光子１個は量子ドットに吸収されて電子・正孔を生成するが、それ以上に入力光子が吸収されることはない。これは、電子や正孔といったフェルミ粒子はパウリの排他律によって同一の量子状態を占有することができないからである。したがって、吸収される光子以外は量子ドットを透過することになる。この場合であっても、出力は波長変換された単一光子となる。したがって、第１乃至第８の実施形態において、入力光子は単一光子に限定されるものではない。
【００９９】
（実施形態１０）
図７は、本発明の第１０の実施形態に係る波長変換装置の構成を模式的に示す図である。
【０１００】
図７を参照すると、波長変換装置は、ｎ型ＤＢＲ１４、第１の量子ドット１０と第２の量子ドット１１とを含むｉ型共振器層１５、これらを挟むようにして配置された下部電極１３と、上部電極１７、及び反射鏡３０により構成される。上部電極には、入出力単一光子が透過するための微小開口１８が形成されている。第１の実施の形態との相違点は、ｉ型共振器層１５と一体となったｎ型ＤＢＲ１４と、これらとは一体ではない（独立な）反射鏡３０により光共振器が構成されている点である。本実施形態の波長変換装置においても、電子又は正孔を結合量子ドットに注入し、入力単一光子を吸収させることによって、上記の第１乃至第９の実施形態に示された手法と同様に、波長変換された出力単一光子が得られる。
【０１０１】
共振器の共鳴周波数は、結合量子ドットの所定のエネルギー差に一致させなければならない。本実施形態の波長変換装置によると、結合量子ドット１００と同一の基板上に形成されたｎ型ＤＢＲ１４とは独立に、反射鏡３０を動かすことができ、反射鏡３０とｎ型ＤＢＲ１４との間の距離を機械的に微調整することができる。したがって、本実施形態の波長変換装置によると、製造過程等で生じた誤差を微調整することができる。
【０１０２】
本実施形態は、ｎ型基板とｎ型ＤＢＲを用いているため、結合量子ドット内に電子を注入する必要のある、第２、第４及び第６の実施形態に適用することができる。結合量子ドット内に正孔を注入する必要のある第１、第３及び第５の実施形態に適用する場合には、ｎ型基板及びｎ型ＤＢＲの代わりに、ｐ型基板、ｐ型ＤＢＲを用いればよい。
【０１０３】
なお、上記の非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明に係る単一光子の波長変換装置及び波長変換方法は、量子暗号通信において用いることができる。
【０１０５】
なお、本発明は以下に付記する発明をも包含するものである。
【０１０６】
（付記１）互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記結合量子ドットを内包する光共振器と、
前記結合量子ドットに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記第１の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は入射単一光子のエネルギーに一致し、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換装置。
【０１０７】
（付記２）前記第２の量子ドットに正孔を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１０８】
（付記３）前記第２の量子ドットに電子を１個注入するとともに、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成した場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１０９】
（付記４）前記第２の量子ドットに正孔を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１１０】
（付記５）前記第２の量子ドットに電子を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１１１】
（付記６）前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットに結合した第３の量子ドットをさらに備え、
前記第３の量子ドット中の電子のエネルギー準位を前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位と一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって、前記第３の量子ドットを経由して前記第２の量子ドットに移動させることを特徴とする、付記４に記載の波長変換装置。
【０１１２】
（付記７）前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットに結合した第３の量子ドットをさらに備え、
前記第３の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位と一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって、前記第３の量子ドットを経由して前記第２の量子ドットに移動させることを特徴とする、付記５に記載の波長変換装置。
【０１１３】
（付記８）前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１１４】
（付記９）前記入力単一光子を吸収させて第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする、付記１に記載の波長変換装置。
【０１１５】
（付記１０）前記正孔の注入は、前記結合量子ドットに近接するｐ型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、該ｐ型半導体層に存在する正孔を前記結合量子ドットに移動させることによって行われることを特徴とする、付記２、４又は６のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１１６】
（付記１１）前記電子の注入は、前記結合量子ドットに近接するｎ型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、該ｎ型半導体層に存在する電子を前記結合量子ドットに移動させることによって行われることを特徴とする、付記３、５又は７のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１１７】
（付記１２）前記結合量子ドットの結合方向と平行な方向に電界を印加することによって、各量子ドット中の電子又は正孔のエネルギー準位を一致させることを特徴とする、付記４乃至１１のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１１８】
（付記１３）前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むｉ型半導体層は、屈折率の異なる２種類の半導体多層膜を有するｐ型分布ブラッグ反射鏡とｎ型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれていることを特徴とする、付記１乃至１２のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１１９】
（付記１４）前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたｎ型又はｐ型分布ブラッグ反射鏡と、
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、付記１乃至１２のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１２０】
（付記１５）互いに結合した第１の量子ドット及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットに印加する電圧を制御する工程と、
前記第１の量子ドットに入射単一光子を吸収させて、電子及び正孔を１個ずつ生成する工程とを含み、
前記第２の量子ドットにおける極性の異なるキャリアのうちの一方のキャリアのエネルギー準位と他方のキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差、又は、前記第１の量子ドットにおけるキャリアのエネルギー準位と前記第２の量子ドットにおける該キャリアとは極性の異なるキャリアのエネルギー準位との間のエネルギー差は、前記結合量子ドットを内包する光共振器の共鳴エネルギーに等しいことを特徴とする波長変換方法。
【０１２１】
（付記１６）前記第２の量子ドットに正孔を１個注入する工程と、
前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２２】
（付記１７）前記第２の量子ドットに電子を１個注入する工程と、
前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２３】
（付記１８）前記第２の量子ドットに正孔を１個注入する工程と、
前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２４】
（付記１９）前記第２の量子ドットに電子を１個注入する工程と、
前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２５】
（付記２０）前記第１及び第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程とを、さらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２６】
（付記２１）前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させて、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させる工程と、
前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、付記１５に記載の波長変換方法。
【０１２７】
（付記２２）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第２の量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第１の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第２の量子ドットに正孔を１個注入するとともに、前記入力単一光子を前記第１の量子ドットに吸収させて電子及び正孔を１個ずつ第１の量子ドット中に生成した場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１２８】
（付記２３）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第２の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第１の量子ドット中の正孔のエネルギー準位と前記第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第２の量子ドットに電子を１個注入するとともに、前記入力単一光子を前記第１の量子ドットに吸収させて電子及び正孔を１個ずつ第２の量子ドット中に生成した場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１２９】
（付記２４）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第２の量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記第１及び第２の量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第２の量子ドットに正孔を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３０】
（付記２５）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第１の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記第１及び第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第１の量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第２の量子ドットに電子を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第２の量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３１】
（付記２６）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
隣接する量子ドットが互いに結合した第１乃至第Ｎ（Ｎは３以上の自然数）の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第Ｎの量子ドットに正孔を注入する手段と、
前記隣接する量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第Ｎの量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第Ｎの量子ドットに正孔を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって第２の量子ドット、第３の量子ドットを経て最終的に第Ｎの量子ドットへ移動させた場合には、前記第Ｎの量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３２】
（付記２７）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
隣接する量子ドットが互いに結合した第１乃至第Ｎ（Ｎは３以上の自然数）の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第１の量子ドットに電子を注入する手段と、
前記隣接する量子ドットの正孔のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第Ｎの量子ドット中の電子のエネルギー準位と正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記第Ｎの量子ドットに電子を１個注入し、前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって第２の量子ドット、第３の量子ドットを経て最終的に第Ｎの量子ドットへ移動させた場合には、前記第Ｎの量子ドット中の電子と正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３３】
（付記２８）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第１及び第２の量子ドットの電子のエネルギー準位を一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第２の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第１の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の電子を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の正孔と前記第２の量子ドット中の電子とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３４】
（付記２９）入力単一光子に対して、波長の異なる出力単一光子を生成する波長変換装置であって、
互いに結合した第１及び第２の量子ドットを有する結合量子ドットと、
前記第１及び第２の量子ドットの正孔エネルギーを一致させる手段と、
前記結合量子ドットを内部に含む光共振器とを備え、
前記光共振器の共鳴エネルギーは、前記第１の量子ドット中の電子のエネルギー準位と前記第２の量子ドット中の正孔のエネルギー準位との間のエネルギー差に一致し、
前記入力単一光子を吸収させて前記第１の量子ドット中に電子及び正孔を１個ずつ生成するとともに、前記第１の量子ドット中の正孔を共鳴トンネルによって前記第２の量子ドットへ移動させた場合には、前記第１の量子ドット中の電子と前記第２の量子ドット中の正孔とが再結合して、前記共鳴エネルギーに等しいエネルギーを有する出力単一光子を生成することを特徴とする波長変換装置。
【０１３５】
（付記３０）前記正孔を注入する手段は、前記結合量子ドットに近接するｐ型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、前記ｐ型半導体層に存在する正孔を前記結合量子ドットに移動させることを特徴とする、付記２２、２４又は２６のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１３６】
（付記３１）前記電子を注入する手段は、前記結合量子ドットに近接するｎ型半導体層と前記結合量子ドットを挟むように設けられた電極間の電圧を制御し、前記ｎ型半導体層に存在する電子を前記結合量子ドットに移動させることを特徴とする、付記２３、２５又は２７のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１３７】
（付記３２）前記結合量子ドットの結合方向と平行な方向に電界を印加することによって、各量子ドット中の電子又は正孔のエネルギーを一致させることを特徴とする、付記２４乃至２９のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１３８】
（付記３３）前記光共振器において、前記結合量子ドットを含むｉ型半導体層は、屈折率の異なる２種類の半導体多層膜を有するｐ型分布ブラッグ反射鏡と、ｎ型分布ブラッグ反射鏡とによって挟まれていることを特徴とする、付記２２乃至３２のいずれか一に記載の波長変換装置。
【０１３９】
（付記３４）前記光共振器は、前記結合量子ドットと一体化されたｎ型又はｐ型分布ブラッグ反射鏡と、
前記結合量子ドットとは独立に移動させることのできる反射鏡とを備えていることを特徴とする、付記２２乃至３２のいずれか一に記載の波長変換装置。
【符号の説明】
【０１４０】
１０  第１の量子ドット
１１  第２の量子ドット
１２  ｎ型基板
１３  下部電極
１４  ｎ型ＤＢＲ
１５  ｉ型共振器
１６  ｐ型ＤＢＲ
１７  上部電極
１８  微小円孔
１９  レンズ
２０  価電子バンド
２１  伝導バンド
２２  正孔
２３  電子
２４  入力単一光子
２５  出力単一光子
２６  光共振器の共鳴エネルギー
３０  反射鏡
４０  非線形光学結晶
４１  プリズム
４２  バンドパスフィルタ
４３  入力単一光子
４４  出力単一光子
４５  ポンプ光
１００  結合量子ドット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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