(57)【要約】  デバイスが単一光子発生器(201)と導波路(203)とを備え、単一光子発生器(201)によって生成された単一光子が導波路(203)に結合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子発生器（201）と、
導波路（203）とを備え、
前記単一光子発生器（201）によって生成された単一光子が前記導波路（203）に結合される、デバイス。
【請求項２】
前記単一光子発生器（201）がナノワイヤレーザである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記単一光子発生器が基板（207）内に封入され、前記導波路（203）が、前記基板（207）内にエッチングされた位置合わせリセス（204）を介して、前記単一光子発生器（201）と位置合わせされる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記基板がフォトニック結晶である、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記結合がエバネッセントモード結合である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記導波路が光ファイバである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ファイバがフォトニック結晶ファイバである、請求項６に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光子ナノテクノロジの分野に関し、より具体的には、単一光子を導波路に結合するための新規で有用な方法に関する。
【０００２】
背景
ナノテクノロジ及び量子情報技術は、分子レベルにおいて構築される極めて小さな電子回路及び光学回路の設計を含む、新たに現れた科学の部門である。従来の光電子回路は、チップを形成するために半導体ウェーハを用いて製造される。複数の回路が、半導体ウェーハ又はチップの中にエッチングされる。そのエッチング工程は、チップの特定の領域又は層から材料を除去する。対照的に、ナノテクノロジは一般に、材料、多くの場合に１つずつ原子を追加することによって、上に向かって構築されるデバイスを扱う。この技術により、あらゆる粒子が、目的を有することができるデバイスという結果になる。かくして、極めて小さなデバイス、即ちエッチングによって形成されるデバイスよりもはるかに小さなデバイスを実現することができる。例えば、わずか数個の原子から論理ゲートを構成することができる。単一原子の厚さである「ナノワイヤ」から、電気導体を構築することができる。単一陽子の存否によって、１ビットのデータを表すことができる。
【０００３】
量子情報技術は、より小型で、潜在的にはさらに強力なコンピュータを作り出すための新たな手段を提供する。現在、より小型で、より強力なコンピューティングデバイスを作り出す可能性を探るために、量子重ね合わせ及び量子エンタングルメントのような科学理論が用いられている。この分野の進歩により、情報を伝達するために光の粒子、即ち光子が用いられようになってきた。光は、種々の状態に偏光される能力を有する（例えば、水平偏光、垂直偏光）。この特性を利用することによって、単一光子が、１量子ビットの情報を表現することが可能になる。
【０００４】
概要
単一光子を導波路に結合するための方法及び装置が提供される。例示的な具現化形態では、単一光子発生器及び導波路を含むデバイスが提供され、単一光子発生器によって生成された単一光子が導波路に結合される。
【０００５】
本発明を例示するために、図面において、例示的な一具現化形態が示される。しかしながら、本発明は、図示されたそのものずばりの構成及び手段には限定されないことは理解されたい。
【０００６】
詳細な説明
概説
量子ビットの使用は、研究者たちがコンピューティング技術を大きく前進させる可能性を与える。光子の重ね合わせ及びエンタングルメントの理論を理解して利用し、情報を生成する能力は、大きな関心のある新たな分野である。しかしながら、光子を量子ビットとして使用する可能性に関わる１つの重要な問題は、所望される場所において要求に応じて１つの光子を生成する必要があることである。
【０００７】
使用可能な光子を生成することは、基本的には２つのステップのプロセスである。最初に、要求に応じて１つの光子を放出するシステム又は素子が必要とされる。電気的に駆動されるか、又は光学的に駆動される量子ドットを用いることによって、この分野は最近になって進歩を遂げている。量子ドットは、電荷又は光学レーザによって励起される場合に、単一光子を生成することができる。量子ドットはナノワイヤレーザに組み込まれることができ、ナノワイヤレーザはエネルギー源に電気的又は光学的に結合され得る。これにより、量子ドットを励起することが可能になり、ひいては１つの光子が生成される。ナノワイヤレーザにおいて量子ドットを用いて単一光子を生成するための技術は、２００５年３月２１日に出願された「A nano-VCSEL Device and Fabrication Thereof Using Nano-Colonnades」と題する米国特許出願第１１／０８４，８８６号に開示されており、その特許出願は参照により全体が本明細書に援用される。
【０００８】
図１は、１つの光子を生成するために使用され得る例示的なナノワイヤレーザ１０１を示す。ナノワイヤレーザ１０１は一般に、ナノワイヤ１０７と、活性領域１０３とからなる。ナノワイヤ１０７は一般に、半導体基板に成長する。ＩＶ族半導体材料、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料又はＩＩ−ＶＩ族半導体材料が使用され得る。典型的な材料は、Ｓｉ又はＧａＡｓを含むことができる。ナノワイヤ１０７は、活性領域１０３のいずれかの面上に成長する。ナノワイヤ１０７は、活性領域によって生成される光の波長に比べて、直径が非常に小さい。一般に、ナノワイヤレーザ１０１のナノワイヤ部分１０７は、直径が約１０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【０００９】
活性領域１０３は、ナノワイヤ１０７の中に存在する。活性領域１０３は量子ドットを含む。量子ドットは一般に、ナノワイヤを構成する材料のバンドギャップとは異なるバンドギャップを有する材料から形成される。これにより、光子を放出するために量子ドットが励起されることが可能になり、電流供給リード線１１５ａ、１１５ｂを介して電荷を供給することによって電気的に励起されるか、又はレーザ（図示せず）によって光学的に励起されることが可能になる。例えば、ＩｎＧａＡｓのような半導体材料を用いて、ＩｎＰを含むナノワイヤ内に量子ドットを形成することができる。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰに比べて低いバンドギャップを有する。
【００１０】
一般に、ナノワイヤレーザ１０１の構造により、生成された光子は概して第１の端部１０９又は第２の端部１１１に向かって長手方向にレーザ内を進行するという結果になる。レーザ１０１の各端部では、結晶材料内にブラッグミラー１１３ａ、１１３ｂが成長している。ブラッグミラーは当該技術分野において知られており、高い反射率が要求される用途において用いられる。レーザの一端部（図１において第２の端部１１１として示される）にあるブラッグミラー１１３ｂは、レーザの反対側の端部（図１において第１の端部１０９として示される）にあるブラッグミラー１１３ａよりも高い反射率を有するように構成される。結果として、生成された光子が第１の端部１０９からレーザを出射することになる確率が高くなる。
【００１１】
光子が生成されると、その光子は依然として捕捉され、その光子を用いることができる場所まで伝達されなければならない。従って、光子を使用する第２のステップは、光子を検出して捕捉する能力である。従来の光学レーザに比べて、ナノワイヤレーザのサイズが小さいことを考えると、単一光子を検出して捕捉することは難しい作業である可能性がある。従来では、光子の存在を検出することができる光検出器上に光子を送ることによって、生成された光子が検出されていた。光検出器が光子の存在を判定することを可能にするために、大きなレンズを光子源に非常に接近して配置することによって、光子が光検出器上に集束することができる。そのレンズは、任意の光子の経路を向け直して、光検出器上に光子を衝突させるための役割を果たす。しかしながら、光子がナノワイヤレーザの特定の端部（例えば、第１の端部１０９）を出射することになる確率が高くなる場合であっても、ナノワイヤから生成された光子の方向は多くの場合に予測不可能である。レンズを使用することによって、生成された光子が光検出器によって検出されることになる確率を高めることはできるが、レンズが光子を捕捉し損なうか、又は検出器の像平面の中央に光子を集束し損なうかのいずれかのために、多くの光子は依然として単に失われることがある。さらに、生成された光子が、量子計算のためにより効率的に使用され得る場所に（例えば、導波路を介して）容易に伝達されることができないので、この技術はいくらか制限される。
【００１２】
光子結合技術
図２を参照すると、本発明による、単一光子を光ファイバに結合するためのデバイスの例示的な一実施形態が示される。図２に示される例示的な実施形態は、別個のレンズ又は光検出器を組み込むことなく、ナノワイヤレーザ２０１と導波路２０３との間で単一光子を結合することができる。使用される結合技術は、ナノワイヤレーザ２０１によって生成され、ナノワイヤレーザ２０１の一端２０６から放出された１つの光子を光ファイバ導波路２０３の中に捕捉することを含む。例示的な一実施形態では、光ファイバ導波路２０３は、レーザ２０１に面する端部２０２上に研磨されたレンズ２０５を有する。レンズ２０５は、ファイバ端部２０２の受光角を大きくすることによって、光子がファイバに入るのを容易にする。ファイバ端部に反射防止コーティングを塗布して、その反射率を小さくすることができる。いくつかの既知の技術のうちの１つを用いて、例えば、ＣＯ２レーザを用いることにより、ファイバの先端部を溶融して、再形成することによって、レンズ２０５を形成することができる。
【００１３】
この技術は、レーザ２０１によって生成された光子を捕捉する可能性を高めるが、レーザ２０１とファイバ２０３との間の所望の機械的な位置関係を維持することが難しい。この難しさを克服するために、ファイバ２０３を基板２０７の表面上に正確に配置することができる。一般に、ナノワイヤレーザ２０１は、シリコンのような基板２０７内に成長する。位置合わせ基準２１１、２１３が基板２０７の表面へエッチングされ得る。これは、ファイバ２０３を配置することができる位置合わせリセス２０４を形成する。ファイバ２０３をレーザ２０１の場所に正確に位置合わせすることによって、レーザ２０１とファイバ２０３との間の機械的な位置決めがさらに良好に維持されることができ、結果として、生成された光子を捕捉する確率が高くなる。位置合わせされた状態を維持するために、接着剤を用いるなどの既知の技術を用いて、ファイバ２０３を所定位置に固定することができる。
【００１４】
場合によっては、上述されて図２に示されたような、結合を実行するための構造を製造することが難しい可能性がある。図３に示されるような構成を用いることによって、直に結合するプロセスを改善することができる。ナノワイヤレーザ３０１は、２次元のフォトニック結晶３０２を含む基板３００内に埋め込まれることができる。２次元のフォトニック結晶は、２次元の平面内で、ブラッグ反射及び大きな屈折率分散を提供することができる。結晶内の各界面において、光が部分的に反射され、且つ部分的に透過される。フォトニック結晶のこの特性を用いることによって、レーザにより放出された光子のモードが、ファイバ２０３の基本モードに対して、さらに良好に整合することができる。
【００１５】
さらに、２次元のフォトニック結晶３０２にナノワイヤレーザ３０１を埋め込むことによって、レーザによって放出されたエバネッセント場が制御される。エバネッセント場は、レーザの表面（laser sides）を通ってレーザから漏出するエネルギー場である。例えば、光は、全反射の平面、この場合にはナノワイヤレーザ３０１の周辺部（edge：エッジ）を越えて短い距離だけ伝搬する。ナノワイヤレーザ３０１を、ＩｎＧａＡｓコーティング又はＳｉ／ＳｉＯ２コーティングを塗布されたガラスのような、２次元のフォトニック結晶３０２の基板に埋め込むことによって、レーザ３０１からエバネッセント場が放射されないようにする。ファイバ端部にレンズ３０７が形成されているファイバ３０３が、レーザ３０１に非常に接近して（例えば、１ミクロン未満に）配置され、生成された光子を捕捉する。穴３０９のパターンを２次元のフォトニック結晶内にエッチングすることができ、それらの穴は、レーザ３０１に対してファイバを正確な機械的位置に位置合わせするために使用され得る。
【００１６】
ナノワイヤレーザを導波路に直に結合することを可能にするための代替の実施形態が図４に示される。図４に示された実施形態では、先細のファイバの代わりに、フォトニック結晶ファイバ４０３が使用される。フォトニック結晶ファイバは、「ホーリー」ファイバとも呼ばれ、ファイバ４０３の中に存在する複数の中空通路４０２を含む。１つのナノワイヤレーザ４０１が、ファイバ４０３の１つの中空通路４０２の中に延在するように配置される。ナノワイヤレーザ４０１は基板４００に成長する。位置合わせ穴４０８が、レーザ４０１の周囲の基板４００内にエッチングされる。レーザ４０１がファイバ４０３の中に含まれる選択された中空通路４０２の中に延在するように、フォトニック結晶ファイバ４０３が位置合わせ穴４０８の中に配置される。この構成を用いることは、いくつかの利点を提供する。ナノワイヤレーザ４０１は、ファイバ４０３に対して正確に配置され得る。さらに、フォトニック結晶ファイバは一般に、電気通信産業において一般的に使用されるような従来の単一モードファイバよりも大きな開口数を有するという事実に加えて（例えば、単一モードファイバは一般に、約０．２〜０．５の範囲の開口数を有するが、フォトニック結晶ファイバは一般に、約０．７〜０．９の範囲の開口数を有する）、ナノワイヤレーザ４０１のエバネッセントモードとファイバ４０３のエバネッセントモードとの間のモード整合によって、結合効率を改善することができる。
【００１７】
また、ナノワイヤレーザとファイバとの間の結合は、エバネッセントモード結合を用いて達成され得る。２つの隣接する導波路間のエバネッセント結合は、一方の導波路から他方の導波路にエネルギーが伝達される速度によって決定され、それはさらに、２つの導波路の電界の重なりに比例する。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
ここで、ｃ（ｚ）は２つの導波路間のモードの重なりであり、ｚは導波路の軸に対して平行な座標軸であり、Ｅ１（ｒ）は、点ｒ＝｛ｘ，ｙ，ｚ｝における導波路１内の固有モードの電界プロファイルであり、Ｅ２（ｒ）は、同じ点における導波路２内の固有モードの電界プロファイルである。導波路の主な伝搬軸はｚ方向に向けられており、１つの導波路の存在が他の導波路のモードに影響を及ぼさない弱結合極限を仮定して、横断する座標｛ｘ，ｙ｝にわたって２次元の積分が実行される。結合される波動方程式は一般に、波長に比べて長い距離ｚにわたって積分され、実質的に積分されたモードの重なりが与えられる。原理的には、ナノワイヤレーザは非常に短いので、エバネッセント場の積分されたモードの重なりは小さいが、実際には、高いＱの共振器のブラッグミラー間で電磁場が何度も行き来することによって、光路長を十分に増やすことが可能になる。
【００２０】
ナノワイヤレーザとファイバとのエバネッセント結合を例示する例示的な一実施形態が図５に示される。エッチングされた位置合わせ基準５０２を用いて、先細のファイバ５０３が基板５００の中に配置される。ファイバ５０３は、ナノワイヤレーザ５０１に隣接して配置される。レーザ５０３によって生成されるエバネッセント場が、上記の式（１）に従って、ファイバ５０１に結合される。
【００２１】
上記の構成に基づいて、他のエバネッセント構成を構成することもできる。例えば、ナノワイヤレーザの集合体を、先細のファイバの周りに円周方向に配列することができる。図６は、基板５００内に配置されたファイバ６０３を示しており、２つのナノワイヤレーザ６０５、６０７がファイバ６０３に隣接して配置されている。簡単にするために、２つのナノワイヤレーザ６０５、６０７が示されるが、任意の数のナノワイヤレーザを用いることができる。ナノワイヤレーザ６０５、６０７が同一であり、協力して動作する場合には、同じ波長の単一光子が生成される速度を上げることができる。代案として、ファイバがそれぞれ異なる波長において伝搬するモードに対応することを条件として、活性材料及び／又は構造が異なるナノワイヤレーザを用いることによって、異なる波長の単一光子を１つのファイバの中に結合することが可能になる。さらに、ファイバと導波路との間に存在する領域６０８を屈折率整合材料で満たして、ナノワイヤレーザとファイバとの間の結合を高めることができる。
【００２２】
本明細書において提供される開示から、当業者には、説明された実施形態に対する種々の変更形態が明らかになるであろう。従って、本発明の思想又は不可欠な属性から逸脱することなく、本発明は他の具体的な形態において具現化されることができ、それ故に、本発明の範囲を示すものとして、上述の明細書ではなく、添付の特許請求の範囲が参照されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の例示的な一実施形態によるナノワイヤレーザを示す図である。
【図２】本発明の例示的な一実施形態による、導波路に結合されたナノワイヤレーザを示す図である。
【図３】本発明の例示的な一実施形態による、導波路に結合されたナノワイヤレーザを示す図である。
【図４】本発明の例示的な一実施形態による、導波路に結合されたナノワイヤレーザを示す図である。
【図５】本発明の例示的な一実施形態による、導波路に結合されたナノワイヤレーザを示す図である。
【図６】本発明の例示的な一実施形態による、導波路に結合されたナノワイヤレーザを示す図である。
【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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【国際調査報告】
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