(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴閉じ込め構造に提供される量子ドットと、
前記閉じ込め構造からの出力と、
前記量子ドットのためのパルス励起源と、を具備し、
前記量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にし、前記共鳴閉じ込め構造は光学的な閉じ込めを提供し、
前記第１エネルギーは前記共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーとは異なり、
タイミングユニットをさらに具備し、
前記タイミングユニットは、パルスによる励起によって量子ドットから放射される複数の光子を選択し、
前記タイミングユニットは、複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間の後に放射された複数の光子を選択し、
前記共鳴閉じ込め構造及び前記出力は、導波管によって提供される、光学デバイス。
【請求項２】
共鳴閉じ込め構造に提供される量子ドットと、
前記閉じ込め構造からの出力と、
前記量子ドットのためのパルス励起源と、を具備し、
前記量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にし、前記共鳴閉じ込め構造は光学的な閉じ込めを提供し、
前記第１エネルギーは前記共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーとは異なり、
タイミングユニットをさらに具備し、
前記タイミングユニットは、パルスによる励起によって量子ドットから放射される複数の光子を選択し、
前記タイミングユニットは、複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間の後に放射された複数の光子を選択し、
前記共鳴閉じ込め構造は、量子ドットに結合した共振器を具備し、前記出力は導波管によって提供される、光学デバイス。
【請求項３】
前記第１エネルギーは、前記共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーのエネルギーよりも小さい、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項４】
第１エネルギーに対応する波長と、共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーに対応する波長との間に少なくとも５ｎｍの差がある、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項５】
前記タイミングユニットは、パルスの終了後１００ピコ秒に放射された光子を選択するように構成される、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項６】
前記出力は、ナノピラー、リッジ導波管、あるいは光子バンドギャップ構造から選択された少なくとも１つを具備する、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項７】
前記出力は第１及び第２の導波管を具備し、前記第１及び第２の導波管は、同じ面内に位置し、かつ互いに垂直であり、前記量子ドットは両方の導波管に光学的に結合している、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項８】
前記パルス励起源は光源である、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項９】
前記導波管から放射された複数の光子を検出するように構成された検出器をさらに具備し、
前記タイミングユニットは、前記検出器による検出の後に複数の光子を選択するように構成される、請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
前記複数の光子が前記検出器に到達する以前に、前記量子ドットによって放射された前記複数の光子を操作するように構成されたコンポーネントをさらに具備する、請求項９の光学デバイス。
【請求項１１】
前記コンポーネントは、音響光学変調器、シャッター、あるいは位相変調器の少なくとも１つを具備する、請求項１０の光学デバイス。
【請求項１２】
前記タイミングユニットは位相変調器を具備する、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項１３】
前記パルス励起源は電気的なパルスを供給する、請求項１または請求項２の光学デバイス。
【請求項１４】
請求項７の光学デバイスを具備し、
前記光学デバイスは、エンタングルされた光子ペアを出力するように構成され、
前記ペアのうちの１つの光子は、第１ユニットへ導かれ、前記エンタングルされたペアのうちの別の光子は、第２ユニットへ導かれ、
前記第１ユニットへの、ターゲット状態を備えた光子のための入力をさらに具備し、
前記第１ユニットは、干渉計と測定セクションとを具備し、
前記干渉計は、前記ターゲット状態を有する入力された光子と、前記エンタングルされた光子ペアのうちの１つの光子とを干渉するように構成され、
前記測定セクションは、前記ターゲット状態が前記エンタングルされたペアのうちの他の光子へテレポートされるように、干渉された複数の光子を測定するように構成される、量子中継器。
【請求項１５】
パルス励起源を使用して、共鳴閉じ込め構造の中へ、量子ドットから複数の光子を放射することを具備し、
前記量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にし、前記共鳴閉じ込め構造は光学的な閉じ込めを提供し、
前記第１エネルギーは、前記共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーとは異なり、
パルスによる励起によって、前記量子ドットから放射される複数の光子を選択することを具備し、複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間の後に放射された複数の光子を一時的に選択し、
前記共鳴閉じ込め構造及び該共鳴閉じ込め構造からの出力は、導波管によって提供される、複数の光子を生成する方法。
【請求項１６】
パルス励起源を使用して、共鳴閉じ込め構造の中へ、量子ドットから複数の光子を放射することを具備し、
前記量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にし、前記共鳴閉じ込め構造は光学的な閉じ込めを提供し、
前記第１エネルギーは、前記共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーとは異なり、
パルスによる励起によって、前記量子ドットから放射される複数の光子を選択することを具備し、複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間の後に放射された複数の光子を一時的に選択し、
前記共鳴閉じ込め構造は、量子ドットに結合した共振器を具備し、該共鳴閉じ込め構造からの出力は導波管によって提供される、複数の光子を生成する方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は、２０１２年３月３０日に出願された英国特許出願第１２０５７８７．３号からの優先権の利益に基づき、かつ利益を要求する。この出願の全内容は、参照によってここに組込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書で説明する実施形態は、一般に光子源に関係する。
【背景技術】
【０００３】
光源のコヒーレンス時間は、光子波束の本質を説明する、よく知られた特性である。コヒーレンス時間が重要である主な理由のうちの１つは、高い可視性の２光子干渉を可能にすることである。複数の量子ドット光子源を備えたこの技術の応用は、量子鍵配布用の光学の量子計算及び量子中継器を含んでいる。
【０００４】
現在、量子ドットにおけるコヒーレンス時間を改善する標準のアプローチは、以下に示す事項のうちの１つまたは両方を行うことである。第１は、量子ドットの外で生成された電荷量は、好ましくは完全に量子ドットと共鳴して、あるいは量子ドットと準共鳴することにより、減少させることができる。第２は、マイクロピラー及び光結晶のような光共振器設計は、量子ドットの近くにある小体積に、光学モードを閉じ込めるために使用されてもよく、この結果、パーセル効果によって放射速度を向上する。この場合、光子は、より少ない期間に放射され、変動させるために局所的な電場に少ない時間を与えて、２光子干渉を改善する寿命比へコヒーレンス時間を増大させる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、コヒーレンスを示す、時間に対する光子振幅のプロットである。
【図２】図２は、単一光子エミッタの基本的な概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従う光子源の概略図である。
【図４】図４は、単一光子源での励起の後、時間に対する正規化された母集団のプロットである。
【図５】図５は、実施形態の本発明に従う導波管及び量子ドットの概略図である。
【図６ａ】図６ａは、ナノピラーを有する本発明の実施形態に従うデバイスの概略図である。
【図６ｂ】図６ｂは、図６ａのデバイスを形成するために用いられる層状構造の概略図である。
【図７ａ】図７ａは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｂ】図７ｂは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｃ】図７ｃは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｄ】図７ｄは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｅ】図７ｅは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｆ】図７ｆは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｇ】図７ｇは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｈ】図７ｈは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図７ｉ】図７ｉは、図６ａのデバイスを形成するための、様々な製造段階を示すダイヤグラムである。
【図８】図８の（ａ）はナノピラーの写真であり、図８の（ｂ）は放射波長に対するナノ秒での励起子寿命のプロットである。
【図９】図９は、光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を用いて、導波管が形成される場合での本発明の実施形態に従うデバイスである。
【図１０】図１０は、被覆導波管を備えた本発明の実施形態に従うデバイスである。
【図１１】図１１は、互いに直交に形成された導波管を具備する本発明の実施形態に従うデバイスである。
【図１２ａ】図１２は、リッジ導波管がある本発明の実施形態に従うデバイスの概略図であり、図１２ａは、上からの平面図である。
【図１２ｂ】図１２ｂは側面図である。
【図１３】図１３は、光共振器に結合され、互いに直交に形成された導波管を具備する本発明の実施形態に従うデバイスである。
【図１４】図１４は、導波管内の電気的に駆動された活性領域を具備する本発明の実施形態に従うデバイスである。
【図１５】図１５は、量子中継器としての機能を果たすように構成されてもよい本発明の実施形態に従うシステムである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
共鳴閉じ込め構造に提供される量子ドットと、前記閉じ込め構造からの出力と、前記量子ドットに関するパルス励起源と、を具備し、量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にし、前記閉じ込め構造は、光学的な閉じ込めを提供し、第１エネルギーは共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーと異なり、光学デバイスはタイミングユニットをさらに具備し、前記タイミングユニットは、パルスによる励起により量子ドットから放射された複数の光子を選択し、前記タイミングユニットは、複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間の後に放射された複数の光子を選択する。
【０００７】
いくつかの実施形態では、第１エネルギーは、共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーのエネルギー未満である。
【０００８】
その出力は導波管によって提供されてもよい。一実施形態において、前記共鳴閉じ込め構造は、導波管が閉じ込めと出力との両方を提供するように、導波管によって提供される。別の実施形態において、前記共鳴閉じ込め構造は、量子ドットに結合する共振器を具備し、出力は導波管によって提供される。この実施形態では、共振器は第１エネルギーには共鳴しない。
【０００９】
実施形態においては、第１エネルギーに対応する波長と、導波管または閉じ込め構造の共鳴エネルギーに対応する波長との間に少なくとも５ｎｍの差異がある。
【００１０】
導波管に関する様々な配置、例えば、ナノピラー、リッジ導波管、または光子バンドギャップ構造から選択された少なくとも１つ、が可能である。
【００１１】
別の実施形態においては、光子源は、第１及び第２の導波管を具備し、第１及び第２の導波管は同じ面内に位置し互いに垂直であり、量子ドットは両方の導波管に提供されるか、両方の導波管に結合される。
【００１２】
２つの導波管を有する上記の光学デバイスを使用する量子中継器が提供されてもよく、光学デバイスはエンタングルされた光子対を出力するように構成され、対のうちの１つの光子は第１ユニットの方へ導かれ、エンタングルされた対の別の光子は第２ユニットの方へ導かれ、中継器は、前記第１ユニットへのターゲット状態を備えた光子に関する入力をさらに具備し、第１ユニットは干渉計と測定セクションとを具備し、干渉計は、エンタングルされた光子対のうちの１つの光子と、ターゲット状態を有する入力した光子とを干渉させ、測定セクションは、ターゲット状態が前記エンタングルした対のうちの他の光子へテレポートされる（teleported）ように、干渉した光子を測定する。
【００１３】
パルス励起源は、光源または電源でもよい。
【００１４】
複数の光子が源を出た直後に、複数の光子の選択が行なわれてもよいし、または複数の光子は後に選択されてもよい。したがって、実施形態では、デバイスは、導波管から放射された複数の光子を検出するように構成された検出器をさらに具備し、タイミングユニットは、検出器による検出の後に、複数の光子を選択するように構成される。
【００１５】
別の実施形態においては、光学デバイスは、光子が検出器に達する前に、量子ドットによって放射された複数の光子を操作するように構成されたコンポーネントをさらに具備する。例えば、コンポーネントは、干渉計、偏光回転子、音響光学変調器、シャッターでもよく、あるいは位相変調器を組み込んでもよい。
【００１６】
タイミングユニットは、複数の光子を選択する多くの異なるコンポーネントを具備してもよく、例えば、時間間隔弁別器、高速光学スイッチ、時間依存減衰器などである。
【００１７】
別の実施形態においては、タイミングユニットは、パルスが終了後の１００ピコ秒に放射された複数の光子を選択するように構成される。
【００１８】
別の実施形態において、光子を生成する方法が提供され、  
パルス励起源を用いて、共鳴閉じ込め構造の中へ、量子ドットからの複数の光子を放射することと、  
前記量子ドットは、前記励起源からのパルスに応じて、第１エネルギーを有する複数の光子の放射を可能にするように構成され、前記共鳴閉じ込め構造は光学的な閉じ込めを提供し、第１エネルギーは共鳴閉じ込め構造の共鳴エネルギーとは異なり、  
複数の光子の放射をもたらしたパルスの持続期間後に放射された複数の光子を一時的に選択することによって、パルスの励起による量子ドットから放射されている複数の光子を選択すること、  
を具備する方法。
【００１９】
図１は、時間に対する、受信した放射線の振幅のプロットである。プロットは、コヒーレンス時間が、一例の単一光子波束にどのように影響するか示す。光子波束は、電場を時間の関数と見なすことにより、視覚化することができる。上部のトレースに示されるように、小さい量だけ光子波束の開始が遅延される場合は、電場は遅延していない光子と同様な割合で振動する。したがって、複数の光子はコヒーレントであり、強い干渉効果を観測することができる。
【００２０】
しかしながら、下部のトレースに示されるように、大きな量だけ一例の光子波束が遅延される場合は、振動は遅延していない光子と必ずしも一致せず、電場の振動は同相から同相でない位相へ移る。したがって、この遅延に関するこれらの光子波束間のコヒーレンスは不十分であり、全体の波束に渡って平均した不十分な干渉を生じさせる。１／ｅまで下がるために干渉の可視化に必要な遅延は、光子のコヒーレンス時間である。
【００２１】
光子源は、量子ドットから作り上げられてもよい。そのような配置は図２に示される。ここで、量子ドット１は、上層５と下層７との間の界面３で、物質３の薄層によって形成される。量子ドット１は、放射線（図示せず）で照射され、単一光子は量子ドットから放射される。
【００２２】
そのような配置において、複数の量子ドットが複数のバルク半導体において形成され、観測されたコヒーレンス時間は典型的には、放射寿命の最大２倍に制限される理論的な時間帯域幅からかけ離れている。その値は、可能な最大値の２×１ナノ秒と比較して、数百ピコ秒であり得る。ここで１ナノ秒は、バルク半導体での量子ドットの典型的な放射寿命である。観測されるコヒーレンス時間でのこの低下は通常、環境効果（励起の光学的または電気的なパルスによって生成された特に変動する局所的な電荷環境（図２で９として示される））によって引き起こされた量子ドット励起子状態の周波数ゆらぎに起因する。
【００２３】
本発明の実施形態に従う光子源は、図３に示される。
【００２４】
図３の光子源は、導波管２３のような閉じ込め構造において形成された量子ドット２１を具備する。タイミングゲート２５は導波管２３の出力で提供される。タイミングゲート２５の提供は、図３のシステムが、光子が導波管２３から出力される時を測定することを可能にする。これは、システムが時間に基づいて光子を識別することを可能にする。
【００２５】
レーザー２７は、パルス放射線源を備えた量子ドット２１を照射するために提供される。この特定の実施形態では、光源は用いられる。しかしながら、量子ドット２１からの出力を生成するために、パルス電源が用いられることも可能である。これがどのように達成されるかは、図１４を参照して説明される。
【００２６】
タイミングゲート２５及びレーザー２７の及び、タイミング制御２９を介して制御される。タイミング制御装置２９は、タイミングゲート２５によって測定されるタイミングが、レーザー２７の出力に同期されることを可能にする。
【００２７】
導波管は、それが量子ドットの放射速度を抑制するように、構成される。これはパーセル抑制によって達成することができる。
【００２８】
図４は、時間に対する、励起された電荷の正規化された母集団のプロットである。下のトレースは、量子ドット近くの励起された電荷に対応し、中央のトレースは、パーセル抑制がない構造での量子ドットの放射に対応し、上のトレースは、パーセル抑制がある構造での量子トッドの放射に対応する。
【００２９】
パーセル抑制によって量子ドットの放射速度を抑えることによって、放射寿命は著しく増加する。これは、光子放射が、スイッチを切られる電気的または光学的な励起パルスに必要な時間を超えて拡大することを可能にし、散逸するために生成した量子ドットの近くの局所的なキャリアに必要な時間を超えて拡大することを可能にする。したがって、拡張された光子波束の多くについては、ドットの近くに局所的な電荷はほとんどなく、そのため、強いコヒーレンスをもたらし、励起子のエネルギーは安定する。局所的に生成された電荷が消された後、パーセル抑制が存在する状態で長寿命の輝線が主に存在することが理解される。
【００３０】
励起パルスによって生成された局所的な電荷が存在すると、波動関数の初期部分が生成される。波動関数のこの部分は、全光子波束のごく一部分だけである可能性があるが、この実施形態では、タイミングゲート２５は本質的に出力のこの部分を阻むために用いられる。
【００３１】
図４の垂直の破線は、出力から望まれない光子を取り除くために設定することができる閾値の例を示す。
【００３２】
上記実施形態は、自然放射を抑える。別の実施形態においては、パルス放射または他のパルス源の反復期間は、放射寿命を超える。
【００３３】
さらに別の実施形態では、光子は、集光系（図示せず）の方へよく導かれる。集光系の考えられる例は、光ファイバーに結合されたレンズである。
【００３４】
図３を参照して説明される実施形態に従うデバイスは、光子放射よりも高い共鳴エネルギーを有する導波管内に量子ドットを配置することによって達成される。この状況においては、電場は、量子ドットとの相互作用を減少させ、放射減衰率の抑制を引き起こすので、導波管コア内に十分に閉じ込められない。しかしながら、放射される光子は一般に、集光系へ導波管に沿って導かれる。
【００３５】
図５は、量子ドット３３と非共鳴である導波管３１に基づく実施形態を示す。光子がすべて同じ方向へ導かれるために、金の反射器３５は量子ドットの一側面に提供される。したがって、放射された光子３７は、導波管３１によってある程度は導かれる。タイミングゲート（図示せず）は、光子を励起させるために使用される放射パルスが量子ドットによって受け取られた後のある時間後に、またはそのある時間に放射している光子を選択するために、導波管の一端に置かれてもよい。
【００３６】
図６ａは、本発明のさらなる実施形態に従う光子源の概略図である。図６ａの実施形態においては、非共鳴の導波管は、半導体ナノピラーから形成された。一実施形態において、これは、図６ｂに示されるような分子線エピタキシーによって平面構造を育てることにより形成される。構造は、ＧａＡｓ １０７の層内に埋設した並んだ量子ドット１０５を具備する。特にこの例においては、ＧａＡｓ層は、２．５μｍの厚さで、３００ｎｍ厚のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの犠牲層１０３及びＧａＡｓ基板１０１の上にある。
【００３７】
図７は組立て工程フローを示す。図７ａでは、ＳｉＯ２（１４ｎｍ）１０９と、３００ｎｍを超える金１１１を具備する複合ミラーは、図６ｂを参照して説明されるエピタキシャルサンプルの上に置かれる。不必要な反復を回避するために、同じ参照は同じ特徴を示す。
【００３８】
図７ｂでは、フリップチップステップが行なわれ、図７ａの構造の金層１１１が、金１１２で表面が覆われているＧａＡｓキャリアウェーハ１１３上に熱により接合される。形成される構造は図７ｃに示される。次に、成長ウェーハ１０１及び犠牲層１０３の基板は、図７ｄに示されるようなミラー平面を残して、機械的な研磨及び選択的なウェットエッチングによって取り除かれる。
【００３９】
Ｓｉ３Ｎ４の固いマスク１１５は、図７ｅに示されるような接合したチップの上面に置かれた。電子線リソグラフィステップは、図７ｆ内のプロファイルにおいて示される、並んだアルミニウムディスク１１７を定義するために用いられる。
【００４０】
ＣＨＦ３＋Ｏ２に基づいた固いマスクのドライエッチングは、アルミニウム１１７で定義されたパターンを、ステップ７（ｈ）において示されるようなＳｉ３Ｎ４層１１５へ転写するために用いられる。その後、構造は、ステップ７（ｉ）において示されるようなピラー１１８を形成するために、ＳｉＣｌ４化学に基づいたプラズマエッチングを用いて、最後にエッチングされる。ナノピラー１１８は量子ドット１０５を含む。
【００４１】
その後、Ｓｉ３Ｎ４の固いマスク１１５はナノピラーを形成するために削除される。実施形態においては、ナノピラー１１８の先端は、図８ａに示されるように、次第に細くなる。これは、光子が、半導体／空気界面での反射を受けるのではなく、空きスペースへ断熱的に逃げることを助長する。テーパーの形状は、腐食作用反応を制御することにより規定することができる。
【００４２】
図８ｂは、放射波長に対する励起子寿命を示すプロットである。結果は、複数の量子ドットを含む、２００ｎｍの公称直径を備えたナノピラーから収集される。ナノピラー内の量子ドットの放射寿命は、量子ドット放射エネルギーの関数として示される。より長い波長の量子ドットがより長い寿命を有する、強い傾向がある。それは、小さすぎて、〜９０５ｎｍの波長をはるかに越えた光子を閉じ込めることができない導波管コアに起因する。
【００４３】
図９は、本発明のさらなる実施形態に従う光子源の概略図である。ここで、量子ドット５１は光結晶構造５３において形成される。光結晶構造５３は、空であるか、または周囲の物質５７の誘電率とは異なる誘電率を有する材料で満たされている複数の孔５５を具備する。チャネル５７あるいは行欠陥は、量子ドットから集光系（図示せず）まで形成され、チャネルは図３を参照して説明されるタイプの導波管を形成する。導波管の共鳴エネルギーは、量子ドット５１の共鳴エネルギーとは異なる。したがって、パーセル抑制が起こる。
【００４４】
図１０は、本発明の別の実施形態に従う光子源である。光子源は、導波管６３内に位置する量子ドット６１を具備する。上記のように、導波管６３の共鳴エネルギーは、量子ドット６１の放射エネルギーより高い。誘電性のクラッディング６５は、導波管６３に閉じ込めを提供するために設置されている。一実施形態において、誘電性クラッド導波管は、図６のナノピラーに窒化ケイ素のコーティングを加えることにより製作される。
【００４５】
図１１は、本発明のさらなる実施形態に従う光子源の概略図である。ここでは、２つの交差する導波管が提供される。
【００４６】
ここで、量子ドット７１は光結晶７３に提供される。図８の通りに、光結晶構造７３は、空であるか、または周囲の物質７７の誘電率とは異なる誘電率を有する材料で満たされている複数の孔７５を具備する。
【００４７】
量子ドットから集光系（図示せず）まで形成されるように、２つのチャネル７９、８１、あるいは行欠陥が形成される。２つのチャネル７９及び８１は、量子ドット７１と同じ面において形成され、互いに直角に伸長している。
【００４８】
この配置では、水平に変更した「Ｈ」光子及び垂直に変更した「Ｖ」光子（それぞれチャネル７９及び８１に平行なダイポールモーメントを有する）はそれぞれ、直交する導波管のうちの１つだけに結合し、この結果、空間モードでのエンタングルされた光子対を分離する。
【００４９】
図１２はリッジ導波管の概略図である。図１２ａは上からの平面図である。また、図１２ｂは側面図である。量子ドット９１は隆起部９３に提供される。導波管は、ＧａＡｓのような半導体の層内の量子ドットを形成しさらに、量子ドット９１を組込む狭いストライプを除外して半導体をエッチングして取り除くことにより形成される。
【００５０】
垂直の閉じ込めは、ＡｌＧａＡｓ上に形成されたＧａＡｓ層内に量子ドット９１を持っていることにより改善され、次に、導波管領域は別としてＧａＡｓをエッチングして取り除き、次に、ＡｌＧａＡｓ層を酸化させる。これは、ＧａＡｓ基板９５に接触させる、酸化したＡｌＧａＡｓクラッディング領域９７に重なる導波管９３を示す図１２ｂとして示される側面図において示される。さらに、酸化したＡｌＧａＡｓに対して同様の屈折率を有する窒化ケイ素または類似のものを使用して、完全なクラッディングを提供する。
【００５１】
図１３は、導波管に結合して、量子ドットに近い共振器領域を含んでいるさらなる実施形態に従うデバイスである。この実施形態では、量子ドットが結合する光学モードは、共振器のモードである。そのモードはこの例では３次元で光を閉じ込める。共振器光学モードは、量子ドット放射エネルギーと非共鳴で、より高いエネルギーへ少なくとも１ｎｍ離調される。これは、量子ドットの自然放射率の抑制を引き起こし、放射光が共振器領域から導波管へ漏れることを引き起こす。
【００５２】
デバイスは図１１のデバイスに類似する。必要に応じて、同じ参照番号は同じ特徴を示すように使用される。この実施形態のデバイスは、以下のように配置される。量子ドット７１は、光結晶膜内に提供され、それは垂直方向（膜の平面に垂直）での光学的な閉じ込めを提供する。光の波長に相当する直径の円形の孔７５の三角格子の光結晶パターンは、標準のリソグラフィ及びエッチングの技術を用いて製作される。欠落した孔７９及び８１の行は、結晶格子の直交方向で２つの導波管を定義する。変更された孔８３及び８５は、導波管７９及び８１の交差位置で、量子ドットを含んでいる共振器領域８７を定義するために、選択された位置及びサイズを有している。共振器及び導波管の領域は、境界の近くの孔を取り除くか、サイズ変更するか、置き換えることにより調整されてもよい。
【００５３】
図１４は、非共鳴の導波管に結合される量子ドットが、どのように電気的に駆動される可能性があるかを例証する本発明のさらなる実施形態に従うデバイスである。
【００５４】
ＧａＡｓ内に埋め込まれ、それぞれｎ型及びｐ型にドープした層１３１と１３３との間に挟まれた、量子ドットを有するウェーハは、図１４に提示される電気的に駆動されるナノピラーを製造するために用いられる。製造工程は、上に説明した工程とそれほど異ならない。ｎ型にドープした層１３１は、ＡｕＧｅＮｉに置かれ、良い質のオーム接触を提供するためにアニールされる。キャリアウェーハ１３７へのボンディング層としての機能を果たすために、金１３５はチップの表面上に蒸着させる。アニールされたオーム接触によって導入された任意の粗さが取り除かれるように、金層１３５の厚さは十分でなければならない。厚さは２５０ｎｍ以上である。その後チップは、キャリアウェーハと、図７との関連で上に説明したように取り除かれた基板とに接合される。
【００５５】
ナノピラーがエッチングされた後、全体のチップは誘電体として働くベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）１３９で平坦化される。ＢＣＢの厚さは、せいぜいナノピラーの高さであるべきである。ＢＣＢは、金層１３５へのアクセスを提供するためにパターン化される。これが下部電極１４５が形成される場所である。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）がナノピラーのｐ型の層に直接接触するように、ＢＣＢの上面はＩＴＯ１４１でスパッタリングされる。最後に、上部金電極１４３は、ＩＴＯの上部上で蒸着される。
【００５６】
デバイスは信号発生器１４５を用いて操作される。実施形態において、これは、量子ドット放射の放射寿命よりも短い持続時間の電圧パルスを供給し、さらなる実施形態では、（１００ピコ秒でもよい）一時的な棄却域よりも短い。パルス間の「オフ」電圧が、量子ドットへの注入が発生するには不十分であるように（例えば約１．４Ｖ）、パルスの振幅及び直流オフセットは選択される。電圧パルスの間に印加される「オン」電圧は、キャリアを量子ドットへ注入するために十分であるべきである（例えば１．５Ｖを上回る）。
【００５７】
図１５は、さらなる実施形態に従うデバイスに関する応用の一例を示す。図１５の量子中継器は、１対のエンタングルされた光子を使用して、遠隔の受信機への入力量子ビット光子に保持される量子情報を、テレポーテーションを介して、中継することができる。そのようなシステムは、安全な量子鍵配布システムの一部を形成してもよく、その機能はしばしば量子中継と呼ばれ、それは安全な鍵を形成することができる距離を延長する可能性がある。それは分散した量子計算システムの一部として用いられてもよく、量子コンピュータの一部からの量子ビットを別の遠隔な部分へ送信することができる。
【００５８】
図１５のシステムは以下のように用意されてもよい。テレポーテーションを促進するために、１対のエンタングルされた光子１８１及び１８３は、中間局１８５と受信機１８７との間に分布する。
【００５９】
エンタングルされた光子１８１及び１８３は、量子ドット１８９によって生成され、それは、図１４のデバイスに類似する、電気的に駆動され非共鳴の導波管デバイス内に組込まれる。量子ドットは、信号発生器１９１で電気的に励起され、一連のエンタングルされた光子のペアを生成する。エンタングルされた光子１８１及び１８３は、量子ドットの励起子及び２励起子の光子に対応し、エネルギーにおいて区別されてもよい。分配ユニット１９３は、源からの放射をとらえ、光子の異なる放射エネルギーに基づいて、光子１８１及び１８３を分離し、それらを光ファイバー１９５及び１９７を介して、それぞれ中間局１８５及び受信機局１８７へ、分配する。分配ユニット１９３は、源からの放射をとらえるレンズ、及び波長分割多重ファイバコンポーネントが提供されてもよい。これとは別に、それは、光子１８１及び１８３の波長を区別するために、格子のまたは２色性（dichroic）のミラーを使用してもよい。
【００６０】
入力光子１９９は、相互作用光学系２０１を使用して、中間局１８５で、エンタングルされた光子１８１と相互作用する。相互作用光学系２０１は、２光子干渉が光子１９９と１８１との間に起こることを可能にするために、偏光コントローラーと、非分極性のビームスプリッターを具備してもよい。相互作用光学系２０１の出力は、２つの単一光子検出器２０３に送られる。同時検出器２１３で測定される、２つの検出器２０３で同時の光検出は、テレポーテーションが生じることを可能にする２光子ベル状態（｜ＨＶ＞−｜ＶＨ＞）／√２が検出されていることを示す。検出器２０３は、ゲート入力２０５を用いて、電気的にゲート制御される。ゲート入力は、信号発生器１９１に同期され、エンタングルされた光源からの最初の１００ピコ秒の放射後にだけ検出器２０３が動作するように設定される。したがって、ゲート入力２０５と検出器２０３とは、放射された光子をそれらの放射時間に基づいてフィルタし、より良いコヒーレンスを備えた光子を選択するタイミングユニットを提供する。これは次々に、より良い２光子干渉が分解されることを可能にし、より高いフィデリティ（fidelity）のテレポーテーションが達成されることを可能にする。
【００６１】
ネットワーク２１１へのネットワーク接続２０７及び２０９を使用する、中間局と受信機局との間の古典通信は、どの光子サイクルが操作、記憶、測定、または選択することを要求されているかを、どの光子受信機局１８７が決定することができるかに基づいて、成功したベル状態測定でのサイクルが行なわれたことについての情報を送信する。送信局と受信局との間でのさらなる古典通信は、送信者が、例えば共有鍵の基盤（basis）を形成するために、量子ビットデータのどの部分が成功して受信されたかを知るように、必要とされてもよい。
【００６２】
ある実施形態は説明されているが、これらの実施形態はほんの一例として示されており、発明の範囲を制限するようには意図されていない。実際、本明細書で説明する新規な方法及び装置は、様々な他の形式で具体化されてもよい。さらに、本明細書で説明する方法及び装置の形式での様々な省略、置換及び変更は、発明の精神から逸脱することなくなされてもよい。添付のクレーム及びその均等物は、発明の範囲及び精神に内にあるような変更の形式をカバーする（cover）ように意図される。
【図１】
0005694407.tif 000002
【図２】
0005694407.tif 000003
【図３】
0005694407.tif 000004
【図４】
0005694407.tif 000005
【図５】
0005694407.tif 000006
【図６ａ】
0005694407.tif 000007
【図６ｂ】
0005694407.tif 000008
【図７ａ】
0005694407.tif 000009
【図７ｂ】
0005694407.tif 000010
【図７ｃ】
0005694407.tif 000011
【図７ｄ】
0005694407.tif 000012
【図７ｅ】
0005694407.tif 000013
【図７ｆ】
0005694407.tif 000014
【図７ｇ】
0005694407.tif 000015
【図７ｈ】
0005694407.tif 000016
【図７ｉ】
0005694407.tif 000017
【図８】
0005694407.tif 000018
【図９】
0005694407.tif 000019
【図１０】
0005694407.tif 000020
【図１１】
0005694407.tif 000021
【図１２ａ】
0005694407.tif 000022
【図１２ｂ】
0005694407.tif 000023
【図１３】
0005694407.tif 000024
【図１４】
0005694407.tif 000025
【図１５】
0005694407.tif 000026