(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場を移動させるために並んだ量子ドットで構成された近接場導波部と、
前記近接場導波部の一端の量子ドットに電子をトンネル効果によって注入することによって、電子注入前と特性が異なる最外殻電子軌道を形成し、前記近接場導波部に電圧を印加し近接場を移動させるために近接場導波部の両端の外側に設けられた１対の電極と、
前記近接場導波部の一端の量子ドットの電子軌道に近接場を励起するための近接場励起部と、
前記近接場導波部の他端の量子ドットから近接場を出力する近接場出力部と
を有することを特徴とする近接場導波路。
【請求項２】
前記量子ドットは離散的なエネルギー準位をもつ有機材料または無機材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場導波路。
【請求項３】
前記量子ドットは、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、Ｃ60、カーボンナノチューブ、フェロセン、ニッケロセン、Ｎａ2ＳＯ4、ＣＨ3ＣＯＯＮａ、ＣＨ3ＣＯＯＫ、（ＣＯＯＮａ）2、ＣｕＣｌ、ＣＨ3ＣＯＯＡｇ、ＭｇＳＯ4、ＣａＳＯ4、（ＣＯＯ）2Ｃａ、ＺｎＳＯ4、ＺｎＣｌ2、（ＣＯＯ）2Ｚｎからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の近接場導波路。
【請求項４】
近接場を移動させるために並んだ量子ドットで構成された近接場導波部の一端の量子ドットに電子を注入し、
前記近接場導波部の一端の電子が注入された量子ドットの電子軌道に近接場を励起し、
前記近接場導波部に電圧を印加し、前記近接場導波部の前記量子ドットが配列する方向に沿って、局在化した近接場を電子軌道とともに移動させ、
前記近接場導波部の他端の量子ドットの電子軌道に移動した近接場を出力する
ことを特徴とする近接場導波方法。
【請求項５】
近接場を移動させるために並んだ量子ドットで構成された近接場導波部と、
前記近接場導波部の一端の量子ドットに電子を注入し、前記近接場導波部に電圧を印加し近接場を移動させるために近接場導波部の両端の外側に設けられた１対の電極と、
前記近接場導波部の一端の量子ドットの電子軌道に近接場を励起するための近接場励起部と、
前記近接場導波部の他端の量子ドットから近接場を出力する近接場出力部と、
前記近接場導波部中の量子ドットに保持されている近接場を読み出す近接場読出部と
を有することを特徴とする光シフトレジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場が導波される導波路、この導波路を用いた近接場導波方法、およびこの導波路を応用した光シフトレジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報伝達手段としては長距離通信から順に光を媒体とする傾向が見られ、光通信は基幹系光通信からＦＴＴＨ（Fiver To The Home）へと普及してきている。今後は装置間、ボード間、チップ間、チップ内へと光による情報伝達の採用が進むと考えられている。しかし、光は波長以下の領域へ閉じ込めることが難しく（回折限界）、チップ間またはチップ内で導波路を形成するには特別な技術が必要とされている。
【０００３】
従来、光を伝達するために、近接場を用いる技術（微小ドット列）、プラズモンを用いる技術（特許文献１）、励起子を用いる技術（特許文献２）が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２０７６６７号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、微小ドット列における近接場の伝達効率は近接場が進むにつれて指数関数的に減少する。プラズモンは金属による吸収が無視できない。励起子はエネルギー緩和が速いため、緩和時間内での伝達しかできないという寿命の問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、光の回折限界を超えた微小サイズの近接場導波路、この導波路を用いた近接場導波方法、およびこの導波路を応用した光シフトレジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る近接場導波路は、エネルギー準位が量子化された量子ドットを配列した近接場導波部と、前記近接場導波部の両端の外側に設けられた１対の電極と、前記近接場導波部の一端の量子ドットに近接場を導入する近接場励起部と、前記近接場導波部の他端の量子ドットから近接場を出力する近接場出力部とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の他の態様に係る近接場導波方法は、エネルギー準位が量子化された量子ドットを配列した近接場導波部の一端の量子ドットに電子を注入し、前記近接場導波路の一端の電子が注入された量子ドットの電子軌道に近接場を励起し、前記近接場導波路に電圧を印加し、前記近接場導波路の前記量子ドットが配列する方向に沿って、局在化した近接場を電子軌道とともに移動させ、前記近接場導波路の他端の量子ドットの電子軌道に移動した近接場を出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明のさらに他の態様に係る光シフトレジスタは、エネルギー準位が量子化された量子ドットを配列した近接場導波部と、前記近接場導波部の両端の外側に設けられた１対の電極と、前記近接場導波部の一端の量子ドットに近接場を導入する近接場励起部と、前記近接場導波部の他端の量子ドットから近接場を出力する近接場出力部とを有する近接場導波路と、前記近接場導波部中の量子ドットに保持されている近接場を読み出す近接場読出部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の近接場導波路および近接場導波方法によれば、近接場を高い伝播効率で導波させることが可能となり、光シフトレジスタも実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る近接場導波路および近接場導波方法を詳細に説明する。
【００１１】
近接場とは、伝播せず、物質表面に局在化した光である（「近接場光の基礎」大津元一・小林潔共著、オーム社、平成１５年１月５日発行）。近接場は回折限界の制限を受けず、波長以下の領域に局在化させることができる。近接場の強度は物質の表面から離れるに従って指数関数的に減少するため、近接場の存在範囲は物質表面から波長程度である。また、同程度のサイズの微小球が存在していれば、近接場によって微小球の結合状態が形成されるため、近接場のエネルギーを移動させることができる。しかし、表面が接していない限り、近接場の伝播効率は指数関数的に減少する。
【００１２】
表面に近接場が励起した微小球を移動させると、当然、局在化した近接場も移動する。ただし、微小球の物理的な移動を利用して近接場を移動させるのは、適切な方法とはいえない。ここで、近接場が局在化している物質表面とは物質の表皮に存在する電子軌道のことである、ということを考慮すべきである。すなわち、近接場が励起した微小球の表面の電子軌道を微小球と分離し、その電子軌道のみを移動させることができれば、近接場は電子軌道に付随して移動することになる。したがって、近接場導波路として、電子が注入可能であり、電子の注入前と注入後で最外殻電子軌道が大きく異なる物質系を利用すればよい。近接場が励起する前の電子軌道はＳＯＭＯ軌道（アニオン状態）であるため、ホールがなく、再結合によるエネルギー緩和が存在しない。従って、励起子のように電子が寿命を持たない。また、プラズモン励起には必ず吸収があるが、本提案は吸収係数が小さい材料を用うることが可能であり、従って金属のように信号強度が大きく減衰することもない。
【００１３】
次に、電子の注入前と注入後で最外殻電子軌道が大きく異なる物質について説明する。電子を注入することによって、電子軌道の状態を注入前と比較して大きく変えるためには、量子ドットを用いればよい。量子ドットとはｎｍオーダー以下のサイズを有し、エネルギー準位が離散化された微粒子をいう。量子ドットは、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、有機分子のいずれであってもよい。代表的な量子ドットの材料は、ナノ粒子材料である、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔなどの金属、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、ダイヤモンド、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＳｂなどのIII−V族半導体、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅなどのII−VI族半導体、ＴｉＯ2、ＺｎＯなどの酸化物、Ｃ60、カーボンナノチューブ、フェロセン、ニッケロセン、Ｎａ2ＳＯ4、ＣＨ3ＣＯＯＮａ、ＣＨ3ＣＯＯＫ、（ＣＯＯＮａ）2、ＣｕＣｌ、ＣＨ3ＣＯＯＡｇ、ＭｇＳＯ4、ＣａＳＯ4、（ＣＯＯ）2Ｃａ、ＺｎＳＯ4、ＺｎＣｌ2、（ＣＯＯ）2Ｚｎなどの有機分子、無機分子からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
【００１４】
量子ドットはサイズが小さいため、各エネルギー準位の状態密度がバルクより小さく、注入された１電子の影響が大きくなる。たとえば、ナノサイズの微粒子では１電子の注入でクーロンブロッケード現象が起こることが判明している（「単一電子トンネリング概論」春山純志著、コロナ社、２００２年初版）。単純化のために、量子ドットとしてＮａ+イオンおよびＮａ原子を例にとって説明する。Ｎａ+イオンは１Ｓ軌道、２Ｓ軌道、２Ｐxyz軌道が閉殻している。ここに電子を１つ注入すると１Ｓ、２Ｓ、２Ｐxyz軌道を覆う形で３Ｓ軌道が形成され、Ｎａ原子となる。このＮａ原子に近接場を励起した場合、３Ｓ軌道に励起され、１Ｓ、２Ｓ、２Ｐxyz軌道は３Ｓ軌道に静電遮蔽され、ほとんど影響を受けない。したがって、Ｎａ+イオンを配列し、一端のＮａ+イオンに電子を注入するとＮａ中性原子となってこの原子のみが３Ｓ軌道を持つことになり、その３Ｓ軌道に近接場を励起し、Ｎａ+イオンを配列した方向に電場を印加すれば、近接場が局在化した３Ｓ軌道が次々に移動し近接場が移動することになる。このとき、あたかもＮａ原子が移動しているように見える。
【００１５】
量子ドット間の電子の移動はトンネル効果で起こる。トンネル効果は、量子力学的な系でポテンシャルＶ0の高さがあるバリアに、Ｖ0よりも小さいエネルギーＥの電子が衝突した時にバリアを突き抜ける現象である。バリアの内側でも外側でも確率ｔがゼロでない場合に起こる。シュレーディンガー方程式に従って計算すれば、バリアを通り抜ける透過率すなわちトンネル効果の確率ｔは下記の式で表わされる（たとえば、「単一電子トンネリング概論」春山純志著、コロナ社、２００２年初版参照）。
【００１６】
【数１】
0004805663.tif 000002
【００１７】
この式によると、バリアの厚みａが薄いほどトンネリングが起こり易いことがわかる。  
また、量子ドットに電子が注入されると、クーロンブロッケードが起こる場合がある。クーロンブロッケードが起こる条件として以下の３つが挙げられる。
【００１８】
【数２】
0004805663.tif 000003
【００１９】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ＲTは接合トンネル抵抗、ＲQは抵抗量子（２５．８ｋΩ）、Ｒｅ（Ｚｔ（ω））は外場電磁場環境インピーダンスの実部、εは誘電率、Ｓは接合面積、ａはトンネリングバリアの厚みである。
【００２０】
まずバリアは電子がトンネルできるほど薄い必要があり、次にバリアの帯電エネルギー（量子ドットのエネルギー準位上昇分）が環境温度エネルギーｋＴ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度）より大きいことが条件である。したがって、バリアの静電容量が小さいという条件があるが、その静電容量を決める因子の１つである膜厚は上記のようにトンネリング可能な薄さにとどめるという制限がある。また、面積すなわち量子ドットの表面積の影響が決定的となり、必然的に量子ドットのサイズは小さいことが条件となる。以上のことから、注入電子軌道が存在する量子ドットと移動先の量子ドットとの間に、帯電エネルギーＥcに対応するクーロンブロッケード電圧Ｖc以上の電圧が印加されるように、全体の電圧を印加すればよい。電圧は１対の電極間で、電極−量子ドット間およびそれぞれの量子ドット−量子ドット間に分圧されるが、入力端の量子ドットとそれに隣接する電極との距離を量子ドット間の距離より離すことによって、電極−量子ドット間にクーロンブッケ−ド電圧Ｖcを印加しやすくすることができる。量子ドット−量子ドット間ではＳＯＭＯ（Single Occupied Molecular Orbital）準位が近くなるので、大きな電圧差を必要としない。したがって、入力端の量子ドットに電子が注入されれば、電子軌道に近接場を励起されて近接場を出力端の量子ドットまで順次移動させることができる。なお、複数の近接場を導波させる場合、複数の量子ドット列を並列に配置すればよい。
【００２１】
次に、上記の近接場導波路を適用した光シフトレジスタについて説明する。この光シフトレジスタでは、１つの量子ドットをメモリとして用いる。近接場が励起されている最外殻電子雲は外部電場によって量子ドット間を移動させたり、停止させたりすることができる。たとえば、量子ドットを８個直列に並べると、８ビットの光シフトレジスタとして用いることができる。ビットをシフトさせるためには、必要な外場を量子ドット列と平行に印加する。外場の方向を制御することにより、ビットを右または左にシフトすることができる。従来技術としては光シフトレジスタ（特許第２６１０２８７号）や光インバータ回路（特開平６−９５１９４号公報）が知られているが、いずれも双安定性素子を使用しており、構造も複雑である。これに対して、本発明の実施形態に係る、量子ドットを用いた光シフトレジスタはサイズも小さく、簡便な構造で構成することができる。
【実施例】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１（ａ）および（ｂ）に本実施例の近接場導波路を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｓｉを電子ビームリソグラフィーにより加工し、直径約１０ｎｍ、高さ約１０ｎｍの円柱状の量子ドット１を２ｎｍの間隔を隔てて一列に配列して、近接場導波部１０を形成した。量子ドット１間にはＳｉＯ2を形成した。近接場導波部１０の全長は約５μｍである。量子ドット列の一端（入力端）の量子ドット１と他端（出力端）の量子ドット１の外側に、それぞれ５ｎｍの間隔を隔てて１対の電極１１、１２を形成した。図１（ｂ）に示すように、入力端の量子ドット１の上方に近接場励起部１３として光ファイバープローブを配置し、出力端の量子ドット１の上方に近接場出力部１４として光ファイバープローブを配置した。各光ファイバープローブは先端部を先鋭化し先端部の側面に金属膜をコーティングしたものである。
【００２４】
図２（ａ）〜（ｅ）を参照して、上記の近接場導波路における近接場の伝播について説明する。図２（ａ）に示すように、電極１１、１２間に電圧を印加し、近接場導波路１０の入力端近傍の電極１１から入力端の量子ドット１へ電子を注入する。次に、近接場励起部１３によって、電子が注入された入力端の量子ドット１の電子軌道に近接場を励起する。図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、電極１１、１２により近接場導波路１０に電圧を印加し、近接場導波路１０に沿って、局在化した近接場を電子軌道とともに順次移動させ、最終的に出力端の量子ドット１まで移動させる。図２（ｅ）に示すように、近接場導波路１０の出力端の量子ドット１の電子軌道に移動した近接場を、近接場出力部１４によって出力する。
【００２５】
上記のように量子ドット１のサイズが約１０ｎｍのとき、クーロンブロッケード電圧は約５０ｍＶとなる。近接場導波部１０の両端に電圧を印加しない状態で、近接場励起部１３から波長５３２ｎｍの近接場を励起し続けても、近接場出力部１４で出力は観測されなかった。一方、出力端の電極１２に対して入力端の電極１１に、約−１Ｖの電圧を印加した状態で、近接場励起部１３から波長５３２ｎｍの近接場を励起し続けた場合、近接場出力部１４で近接場の出力が観測された。
【００２６】
（実施例２）
図３に、本実施例の近接場導波路の斜視図を示す。ガラス基板（図示せず）上に、ポリスチレン中に直径約４ｎｍのＡｕからなる量子ドット１を分散させた膜２０を約０．５μｍの厚さに塗布した。図３に示すように、複数の量子ドット１は、一列に配列されている必要はなく、集合体でもよい。この膜２０の両端にＡｕ膜をスパッタして電極２１、２２を形成した。電極２１、２２間の距離は約５０μｍである。膜２０の電極２１、２２間の領域を近接場導波路として用いる。入力端の上方に近接場励起部２３として光ファイバープローブを配置し、出力端の上方に近接場出力部２４として光ファイバープローブを配置した。
【００２７】
近接場出力部２４を電極２１、２２間の近接場導波路上の位置Ａに設置し、電極２１、２２間に約５００Ｖの電圧を印加して、近接場励起部２３により近接場を励起させたところ、位置Ａに設置した近接場出力部２４で近接場を観測することができた。電極２１、２２間での電圧の印加を止めたところ、近接場出力部２４で近接場を観測することはできなかった。次に、近接場出力部２４を電極２１、２２間の近接場導波路上からはずれた位置Ｂに設置したところ、電極２１、２２間に約５００Ｖの電圧を印加して、近接場励起部２３により近接場を励起させても、近接場出力部２４で近接場を観測することはできなかった。
【００２８】
Ａｕからなる量子ドットの代わりに、Ａｇ、Ｐｂ、Ｔｉ、ＴｉＯ2、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅからなる量子ドットを用いた場合にも、上記と同様な結果が観測された。
【００２９】
（実施例３）
図４（ａ）は本実施例に係る近接場導波路の斜視図である。図４（ｂ）は本実施例に係る近接場導波路と１対の平面導波路とを組み合わせた導波路の平面図である。ガラス基板３０上に電極３１、３２を形成した。これらの電極３１、３２間に、ポリスチレン中にＣ60からなる量子ドット１を分散させた膜４０を塗布した。この膜４０が近接場導波路として用いられ、その長さは約２μｍである。この膜４０の両端に、ガラス基板３０上の電極３１、３２と接続する電極４１、４２を形成した。さらに、膜４０の両端に、コアとクラッドを有し先端を先鋭化させた平面導波路４３、４４を設けた。平面導波路４３、４４は先端を先鋭化しているため、先端で近接場が発生する。入力端の平面導波路４３を近接場励起部として用い、出力端の平面導波路４４を近接場出力部として用いる。電極３１、３２間に約２ｋＶの電圧を印加し、平面導波路４３により近接場を励起させたところ、平面導波路４４で近接場を観測することができた。
【００３０】
Ｃ60からなる量子ドットの代わりに、カーボンナノチューブ、フェロセン、ニッケロセン、Ｎａ2ＳＯ4、ＣＨ3ＣＯＯＮａ、ＣＨ3ＣＯＯＫ、（ＣＯＯＮａ）2、ＣｕＣｌ、ＣＨ3ＣＯＯＡｇ、ＭｇＳＯ4、ＣａＳＯ4、（ＣＯＯ）2Ｃａ、ＺｎＳＯ4、ＺｎＣｌ2、（ＣＯＯ）2Ｚｎからなる量子ドットを用いた場合にも、近接場の導波を確認できた。
【００３１】
（実施例４）
８個の量子ドット１を配列した以外は実施例１と同様にして近接場導波路１０を形成し、８ビットのシフトレジスタとして用いた。図５に、本実施例の光シフトレジスタの概念図を示す。図６（ａ）および（ｂ）に、本実施例の光シフトレジスタの動作を模式的に示す。実施例１と同様に、Ｓｉを電子ビームリソグラフィーにより加工し、直径約１０ｎｍ、高さ約１０ｎｍの円柱状の８個の量子ドット１を２ｎｍの間隔を隔てて一列に配列して、近接場導波部１０を形成した。量子ドット１間にはＳｉＯ2を形成した。近接場導波部１０の全長は約５μｍである。量子ドット列の入力端の量子ドット１と出力端の量子ドット１の外側に、それぞれ５ｎｍの間隔を隔てて１対の電極１１、１２を形成した。入力端の量子ドット１の上方に近接場励起部１３として光ファイバープローブを配置し、出力端の量子ドット１の上方に近接場出力部１４として光ファイバープローブを配置した。
【００３２】
この光シフトレジスタでは、近接場の入力にタイミングを合わせて近接場導波路１０の列方向に電場を印加することによって最外殻電子雲と近接場をシフトさせ、任意の量子ビット１に近接場を記憶させる。ここでは、「１１０１１０００」という８ビットの情報を入力した状態を示している。図６（ｂ）に示すように、この情報の読み出しは、近接場読出部１５としての近接場光学顕微鏡のファイバープローブを用いて行う。
【００３３】
なお、情報の読み出しは、それぞれのビットに繋いだ近接場導波路によっても行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１の近接場導波路の平面図および断面図。
【図２】実施例１の近接場導波路における近接場の伝播を模式的に示す図。
【図３】実施例２の近接場導波路の斜視図。
【図４】実施例３の近接場導波路の斜視図、および実施例３の近接場導波路と１対の平面導波路とを組み合わせた導波路の平面図。
【図５】実施例４の光シフトレジスタの概念図。
【図６】実施例４の光シフトレジスタの動作を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１…量子ドット、１０…近接場導波部、１１、１２…電極、１３…近接場励起部、１４…近接場出力部、１５…近接場読出部、２０…膜、２１、２２…電極、２３…近接場励起部、２４…近接場出力部、３０…ガラス基板、３１、３２…電極、４０…膜、４１、４２…電極、４３、４４…平面導波路。
【図１】
0004805663.tif 000004
【図２】
0004805663.tif 000005
【図３】
0004805663.tif 000006
【図４】
0004805663.tif 000007
【図５】
0004805663.tif 000008
【図６】
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