(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットに励起光を照射して前記量子ドットのs-シェル励起子分子状態を共鳴励起する励起光源と、
前記s-シェル励起子分子状態を形成する２つのｓ-シェル励起子のうち、s-シェル励起子の再結合エネルギーに共鳴し、かつs-シェル励起子分子の再結合エネルギーに共鳴しない共振エネルギーを有する共振器と、
前記励起光と前記s-シェル励起子分子の再結合発光から、前記s-シェル励起子の再結合発光を分離する光学フィルタと、
を備えることを特徴とする光子発生装置。
【請求項２】
前記s-シェル励起子の前記再結合エネルギーをＥＸ、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エＥネルギーをＥＢＸ、前記励起光のエネルギーをＥＰとすると、前記励起光は、
ＥＰ＝（ＥＸ＋ＥＢＸ）／２
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光子発生装置。
【請求項３】
前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しいエネルギーの制御光を生成する制御光源、
をさらに有し、前記制御光源は、前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記制御光を前記量子ドットへ照射することを特徴とする請求項１または２に記載の光子発生装置。
【請求項４】
前記励起光源は、前記s-シェル励起子分子状態を共鳴励起する前記励起光と、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御光とを切り換え可能な可変光源であり、
前記励起光源は、前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記制御光で前記量子ドットを照射することを特徴とする請求項１または２に記載の光子発生装置。
【請求項５】
単一の量子ドットの周囲に、前記量子ドットのs-シェル励起子の再結合エネルギーに共鳴し、かつ前記量子ドットのs-シェル励起子分子の再結合エネルギーに共鳴しない共振エネルギーを有する共振器を配置し、
前記量子ドットを、励起光で照射してs-シェル励起子分子状態に共鳴励起し、
前記励起光と前記s-シェル励起子分子の再結合発光から、前記s-シェル励起子の再結合発光を分離する、
ことを特徴とする光子発生方法。
【請求項６】
前記s-シェル励起子の前記再結合エネルギーをＥＸ、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーをＥＢＸ、前記励起光のエネルギーをＥＰとすると、前記励起光は、
ＥＰ＝（ＥＸ＋ＥＢＸ）／２
を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光子発生方法。
【請求項７】
前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記量子ドットに、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御パルスを照射し、
その後に、前記励起光と前記s-シェル励起子分子の前記再結合発光から、前記s-シェル励起子の前記再結合発光を分離する、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の光子発生方法。
【請求項８】
エネルギー可変の光源を用いて、前記量子ドットに前記励起光を照射し、
前記励起光の照射の後に前記光源のエネルギーを切り換え、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御パルスを前記量子ドットに照射し、
その後に、前記励起光と前記s-シェル励起子分子の前記再結合発光から、前記s-シェル励起子の前記再結合発光を分離する、
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光子発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一光子を生成する光子発生装置と光子発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光や物質の間の相互作用を精緻に制御することで、それらの量子的な状態を操作し、情報処理に活用する量子情報技術への期待が高まっている。量子情報技術の代表的なアプリケーションは、量子暗号通信（量子鍵配布）や量子演算である。これらを実現することで安全性が高い情報通信や、特定アルゴリズムでの高速演算が実現可能となる。量子情報技術の基盤となる技術は、制御された量子状態を作り出すことである。特に単一光子およびもつれ光子対を制御性良く発生させることは、量子暗号通信などへの適用の可能性が拡がり、重要である。
【０００３】
単一光子発生器として、固体材料、安定動作、発光波長制御の観点から、半導体量子ドットを用いたものが多く研究されている。現在までのところ、近紫外の波長領域から光ファイバー通信の波長帯まで、主に光励起によって単一光子発生器が実現されている。
【０００４】
最も基本的な量子鍵配布に単一光子発生器を用いる場合に、その性能指標として、複数光子発生の程度を反映する二次光子相関値g(2)(0)や、光取り出し効率h、繰り返し周波数、ジッターなどのパラメータが用いられる。中でもg(2)(0)は、単一光子発生器とその他の光源との差を端的に表すパラメータである。一般的な光源ではg(2)(0)は１を下回ることがないが、単一光子発生器では１を下回り、理想的な単一光子発生器では０となる。しかし実際には量子ドットなどの量子二準位系を用いて単一光子を発生させたとしても、g(2)(0) = 0となることは困難である。その原因として、所望の量子ドット以外の何かからの除去しきれない発光（バックグラウンド発光）が発生し、複数光子が発生したかのように観測される場合と、および１回の光励起で一つの量子ドットから複数回光子が発生する場合が挙げられる。
【０００５】
単一光子性を高めてg(2)(0)= 0に近づける手法として、準共鳴励起が有効であることが知られている（たとえば、非特許文献１〜４参照）。準共鳴励起とは、量子ドットのp-シェル励起子(伝導体の第一励起準位の1個の電子と価電子帯の第一励起準位の1個の正孔からなる励起子)などの励起状態のエネルギーや、s-シェル励起子(伝導体の基底準位の1個の電子と価電子帯の基底準位の1個の正孔からなる励起子)からＬＯフォノン一個分高いエネルギーに共鳴する励起光を照射し、これらの準位から基底状態へと緩和したs-シェル励起子を単一光子として使用する手法である。
【０００６】
図１では一例として、p-シェル状態を共鳴的に光励起する場合の準共鳴励起による単一光子発生器の動作を示す。p-シェル励起子のエネルギーＥexと同じエネルギーの励起パルスを照射すると、励起パルスの時間幅τpulseで量子ドットにp-シェル励起子が生成される。その後、緩和時間τrelax程度でp-シェル励起子がs-シェル励起子に緩和し、再結合寿命τX程度の時間で単一光子を発生する。この手法によって余剰なキャリア生成を抑え、単一光子発生器として使用する量子ドットのみを選択的に光励起することが可能となる。量子ドットを光励起する際に同時に励起されてしまうその他の発光源（別の量子ドットなど）からの発光が抑制され、バックグラウンド発光が低減される。
【０００７】
なお、量子ドットを共振器中に配置して放出光子を単一空間モード化し、光ファイバーなどの光学素子との結合効率を高める手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、エネルギー調整が可能な励起レーザを使用して、p-シェルなどの励起状態の励起子を光励起し、基底状態にエネルギー緩和したs-シェル励起子の再結合発光を、単一光子またはもつれ光子対の発生に用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５１８２７５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Santori et al., Phys. Rev. Lett. 86, 1504 (2001)
【非特許文献２】Malko et al., APL 88 081905 (2006)
【非特許文献３】Kumano et al., J. Nanoelectron. Optoelectron. 1 p.39 (2006)
【非特許文献４】K. Takemoto、 et al., phys. stat. sol. (c) 5, No. 9, 2699 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
p-シェル励起子状態などへの準共鳴励起を用いても実際の単一光子発生ではg(2)(0) = 0とはならず、複数光子の発生が起きる。この複数光子発生を抑制することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
準共鳴励起を用いても複数光子が発生する原因は、単一光子として用いるs-シェル状態から一回の励起光照射イベントにつき２個以上の光子が生成されるためと考えられる。単一光子発生器で、１回の励起パルス照射イベントで２個以上の光子が生成される理由としては、１回の励起パルス照射内で起きる再励起の過程が考えられる。再励起の過程とは、特定の時間幅τpulseを有する励起パルスの一回の照射が完了しないうちに、励起光の吸収による励起状態の励起子（例えばp-シェル励起子）生成、励起状態の励起子のs-シェル状態の励起子への緩和、s-シェル励起子の再結合発光、励起光の再吸収によるp-シェル励起子生成、が起こる過程である。この再励起の過程は確率的に発生するので、励起イベントによっては、１回または複数回この過程が発生する可能性が残り、複数個の光子発生の原因となる。バンド内遷移（例えばp-シェルからs-シェルへの緩和）の遷移時間τrelaxが１０ｐｓ程度であるのに対して、励起パルスの時間幅τpulse（典型値は１０〜２０ｐｓ）もそれと同程度あるいはそれ以上であることから、再励起の過程が生じうる。再励起が起きると、単一光子の発生純度が低下する。
【００１２】
そこで課題解決の手段としては、再励起の過程を抑制するために、s-シェル励起子分子状態（伝導帯の基底準位の２個の電子と価電子帯の基底準位の２個の正孔からなる２個のs-シェル励起子状態）と共振器効果を利用する。外部からの励起パルスのエネルギーを、後述する二光子吸収によるs-シェル励起子分子生成を可能とするエネルギーに調整し、照射する。共振器効果を用いて、光励起されたs-シェル励起子分子状態にある２個のs-シェル励起子のうち、最初に起きるs-シェル励起子分子発光の再結合寿命を長く制御し、引き続いて起きるs-シェル励起子発光の再結合寿命を短く制御することで、励起パルスの照射時間と比較して十分に長いs-シェル励起子分子発光の再結合寿命が実現されるので、再励起の効果を抑制可能となる。これにより、１回の励起パルス照射イベント内での単一光子の発生純度を高める。
【００１３】
なおこの明細書および特許請求の範囲で、「s-シェル励起子分子状態」というときは、２つの励起子が量子ドットのs-シェル状態に存在することをいい、「s-シェル励起子状態」というときは、１つの励起子が量子ドット内のs-シェル状態に存在することをいう。s-シェル励起子分子状態が再結合発光する際は、s-シェル励起子分子の再結合エネルギーであるEBXの光子が発生し、その後にs-シェル励起子の再結合エネルギーであるEXの光子が発生する。これをs-シェル励起子の再結合発光と呼ぶ。量子ドット中の電子と正孔などのキャリア間に働くクーロン相互作用によってs-シェル励起子分子再結合エネルギーEBXとs-シェル励起子再結合エネルギーEXは異なる値を取るので、発生するs-シェル励起子分子再結合発光とs-シェル励起子再結合発光は異なる波長となる。励起パルスのエネルギーEpはEXとEBXの中間のエネルギーであるので、励起パルス中の２つの光子を量子ドットが吸収することによって、s-シェル励起子分子状態が生成される。この時、EXとEBXおよびEpがそれぞれ異なるエネルギーを取るので、それぞれの光子の波長が異なることからフィルタで識別可能となる。
【００１４】
上記より、光子発生装置は、
半導体基板上に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットに励起光を照射して前記量子ドットのs-シェル励起子分子状態を共鳴励起する励起光源と、
前記s-シェル励起子分子状態を形成する２つのｓ-シェル励起子のうち、s-シェル励起子の再結合エネルギーに共鳴し、かつs-シェル励起子分子の再結合エネルギーに共鳴しない共振エネルギーを有する共振器と、
前記励起光と前記s-シェル励起子分子の再結合発光から、前記s-シェル励起子の再結合発光を分離する光学フィルタと、
を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】準共鳴励起による単一光子発生過程を示す図である。
【図２】第１実施形態の単一光子発生の原理を説明する図である。
【図３】第１実施形態の単一光子発生装置の概略図である。
【図４】単一光子発生装置で用いられる共振器の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態の単一光子発生の原理を説明する図である。
【図６】第２実施形態の単一光子発生装置の概略図である。
【図７】第１実施形態および第２実施形態の変形例１を示す図である。
【図８】変形例１で用いられる素子構造を示す図である。
【図９】第１実施形態および第２実施形態の変形例２で用いられる素子構造を示す図である。
【図１０】変形例２で用いられる素子構造の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態の単一光子発生の原理を説明するための図である。図２（Ａ）において、s-シェル励起子分子状態を共鳴励起する励起パルスを照射による単一量子ドットへのs-シェル励起子分子状態生成を示す。励起パルスのエネルギーＥpは、s-シェル励起子の再結合エネルギーＥXと、s-シェル励起子分子の再結合エネルギーＥBXの中間のエネルギーであり、Ｅp＝（ＥX＋ＥBX）／２を満たす。
【００１７】
実施形態では、後述するように、単一の量子ドットの周囲に微小な共振器を配置して、光閉じ込めを実現する。共振器は、s-シェル励起子エネルギーＥXに共鳴する共振エネルギーを有する。共振器の共振エネルギーをＥcavityとすると、Ｅcavity = ＥX、かつＥcavity≠EBXの条件を満たす。
【００１８】
図２（Ｂ）で、s-シェル励起子分子状態に励起されたs-シェル励起子対のうち、最初に再結合するs-シェル励起子分子（再結合エネルギーはEBX）は、再結合寿命（あるいは発光寿命）ＴBXで再結合して単一光子を発生する。s-シェル励起子分子の再結合寿命ＴBXは、共振器効果により、共振器がない場合のs-シェル励起子分子の再結合寿命τBXに比べて数倍程度長くなる。どの程度長くできるかは、励起光のパルス幅τpulseや量子ドットの材料、共振器の構成にもよるが、実施形態では、ＴBXはtBXの３倍程度とする。s-シェル励起子分子の再結合寿命ＴBXを長くすることで、照射時間τpulse内での再励起を抑制する。
【００１９】
図２（Ｃ）および図２（Ｄ）で、再結合寿命ＴXで再結合エネルギーＥXのs-シェル励起子が再結合して、２つ目の単一光子を発生する。s-シェル励起子の再結合寿命ＴXは、共振器効果により、共振器がない場合のs-シェル励起子の再結合寿命τXと比較して短くなる。実施形態では１／５程度とする。異なるエネルギーを有する２つの単一光子を光学フィルタで弁別することで、所望のエネルギーを有する単一光子だけを取り出すことができる。実施形態では、２番目に再結合するs-シェル励起子発光を単一光子として取り出す。
【００２０】
伸長されたs-シェル励起子分子の再結合寿命ＴBXの直後に、迅速に励起子発光を生じさせることで、１回の励起パルス照射イベント内での再励起を抑制し、単一光子を高い純度で生成することができる。
【００２１】
次に、共振器の効果について説明する。s-シェル励起子の再結合エネルギーＥXに共鳴する共振器を単一の量子ドットの周囲に配置することで、エネルギーＥBXを有する光子の状態密度が低減する。他方、エネルギーＥXを有する光子の状態密度が増大する。その結果、s-シェル励起子分子の発光寿命ＴBXは長く、s-シェル励起子の再結合寿命ＴXは短くなる。
【００２２】
共振器効果がない場合、代表的なs-シェル励起子の再結合寿命τXは１ｎｓ程度、s-シェル励起子分子の再結合寿命τBXは０．５ｎｓ程度である。共振器の共振エネルギーＥcavityを、Ｅcavity =ＥX、かつＥcavity≠ＥBXを満たすように設計することで、s-シェル励起子の再結合寿命ＴXを０．２ｎｓ程度に短縮させ、s-シェル励起子分子の再結合寿命ＴBXを、１．５ｎｓ程度に延長することができる。
【００２３】
共振器効果により、s-シェル励起子分子からs-シェル励起子への遷移時間ＴBXが１．５ｎｓまで延びると、一般的な励起パルス光の時間幅τpulse=１０〜２０ｐｓと比較して十分に大きな値になる。励起パルスが残っている時間内で再励起される可能性は無視できる程度に小さくなり、単一光子純度が改善される。
【００２４】
図３は、s-シェル励起子分子状態と共振器効果を利用した単一光子発生装置１０Ａの概略構成図である。単一光子発生装置１０Ａは、単一の量子ドット１５および共振器１４を有する素子部１３と、量子ドット１５に励起光を照射する励起パルス発生器１１と、量子ドット１５から発生する単一光子の中から所望のエネルギーを有する単一光子を取り出す光学フィルタ１２を有する。
【００２５】
励起光のエネルギーＥpは、上述のようにs-シェル励起子分子状態のs-シェル励起子の再結合エネルギーＥXとs-シェル励起子分子の再結合エネルギーＥBXの中間であり、Ｅp＝（ＥX+ＥBX）／２である。励起パルス発生器１１の光学パスと、単一光子を検出する光学フィルタ１２の検出パスとの間の角度θは、光励起が実現される角度であれば任意の角度に設定できる。θ＝０°のように、励起パスと検出パスが同軸になってもかまわない。励起パルス発生器１１は、たとえば、半導体レーザダイオードによるパルス光源である。
【００２６】
光学フィルタ１２は、図３の例では、エネルギーＥXの単一光子だけを取り出す。その結果、単一光子発生装置１０Ａの出力は、エネルギーＥXの単一光子となる。
【００２７】
図４は、素子部１３の構成例を示す。素子部１３は、共振器１４としてポスト型共振器１４を有する。ポスト型共振器１４は、ＧａＡｓ基板３１上で、下部ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）３５ａと上部ＤＢＲ３５ｂの間に、共振器層（キャビティ層）３２を挟み込んだ構成を有する。量子ドット１５を有する量子ドット層３３は、共振器層３２の中心部の最も電場強度が大きくなる箇所に位置する。
【００２８】
量子ドット層３３は、たとえばＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット１５を有する。ＧａＡｓ基板３１に替えてＩｎＰ基板を用い、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドット１５を用いてもよい。
【００２９】
下部ＤＢＲ３５ａおよび上部ＤＢＲ３５ｂは、屈折率の異なる結晶膜を交互に積層したものである。下部ＤＢＲ３５ａおよび上部ＤＢＲ３５ｂの積層は、エピタキシャル成長されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜であってもよいし、Ｓｉ／ＳｉＯ2や、ＳｉO2／ＴｉＯ2のような酸化膜との多層膜構造を用いてもよい。適切なマスクとドライエッチング条件を用いて、積層を円柱形のポストに加工する。ポスト構造の直径（Ｘ−Ｙ面内の径）は、たとえば２μｍ以下である。
【００３０】
共振器層３２の膜厚は、s-シェル励起子の発光波長（１波長）に一致する厚さである。下側ＤＢＲ３５ａと上部ＢＤＲ３５ｂの膜数も、量子ドット１５のs-シェル励起子エネルギー（再結合エネルギー）Ｅxに共振し、かつ、反射率が９９％程度を超える高反射率を実現できる数に設定される。
【００３１】
ポスト型共振器１４に課される条件としては、共振エネルギーＥcavityが量子ドット１５のs-シェル励起子エネルギーＥXに等しく、s-シェル励起子分子エネルギーＥBXとは異なっていることである。量子ドット１５中に励起されたs-シェル励起子はキャリア間のクーロン相互作用の影響を受けるので、s-シェル励起子状態にあるときと、s-シェル励起子分子状態にあるときでは発光再結合エネルギーが変化する。このエネルギー変化量を、s-シェル励起子分子束縛エネルギー（ΔＥBX）と呼ぶ。代表的なＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットやＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットでは、ΔＥBXは１ｍｅＶから数ｍｅＶ程度のエネルギーとなる。
【００３２】
エネルギー差ΔＥBXの存在により、s-シェル励起子の再結合エネルギーからΔＥBX／２だけ離れたエネルギーで、s-シェル励起子分子状態の共鳴励起が可能となる。上述のように、s-シェル励起子分子状態への励起には、s-シェル励起子発光とs-シェル励起子分子発光の中間のエネルギーＥｐ＝（ＥX＋ＥBX）／２の励起パルスを使用する。共振器１４を用いることで、s-シェル励起子状態への遷移時間ＴBX（図２参照）を長く、s-シェル励起子状態からの遷移時間（再結合寿命）ＴXを短く制御することができる。これにより、１回の励起パルス照射で生成される単一光子の純度が向上する。
【００３３】
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の単一光子発生の原理を説明する図である。第２実施形態では、励起光（Ｅp）の照射の後に（図５（Ａ））、パルス幅τpulseの数倍程度の時間をあけて（図５（Ｂ））、制御パルスを照射する（図５（Ｃ））。制御パルスのエネルギーＥcは、s-シェル励起子分子の再結合エネルギーEBXに等しい（Ｅc＝EBX）。制御パルスＥcの照射を受けて、s-シェル励起子分子状態にある励起子対のうちs-シェル励起子分子が再結合して、ひとつ目の単一光子を発生する。制御パルスの持続時間（パルス幅）は、たとえば励起パルスと同じτpulseである。
【００３４】
励起パルスＥpの照射後に、τpulseの数倍の時間をあけて制御パルスＥcを照射することで、制御パルスの照射時間内（典型値は、τpulse＝１０〜２０ｐｓ程度）に、s-シェル励起子分子状態（図５（Ｂ））からs-シェル励起子状態（図５（Ｄ））へ、コヒーレントに遷移する。
【００３５】
第１実施形態では、s-シェル励起子分子からs-シェル励起子状態への遷移時間ＴBXは、励起パルスＥpの照射後１．５ｎｓ程度の時定数で確立的に遷移していた。第２実施形態では、s-シェル励起子分子からs-シェル励起子状態への遷移時間ＴBXは、制御パルスＥcの照射時間τpulseで確定的に決定される。
【００３６】
図６は、第２実施形態の単一光子発生装置１０Ｂの概略構成図である。単一光子発生装置１０Ｂは、第１実施形態の単一光子発生装置１０Ａに制御パルス発生器１６を追加したものである。第１実施形態の単一光子発生装置１０Ａと同じ構成要素には、同じ符号を付けてその説明を省略する。
【００３７】
制御パルス発生器１６は、s-シェル励起子分子の再結合エネルギーＥBXのレベルの制御パルスＥcを照射する。制御パルス発生器１６の光学パスと再結合発光による光子の検出パスの間の角度φに課される条件は、光照射が実現されればよく、φ＝０のように励起パスと検出パスが同軸となってもかまわない。また、励起パルス発生器１１と制御パルス発生器１６と１つのレーザで兼用してもよい。この場合、出力レベルが可変のレーザを使用して、S-シェル励起子分子状態を励起する励起光（Ｅp）と、制御パルス（Ｅc＝ＥBX）を切り換える構成としてもよい。共振器１４は、第１実施形態と同様にポスト型共振器１４としてもよい。
【００３８】
第２実施形態の方法では、s-シェル励起子分子の再結合寿命をＴBX（たとえば１．５ｎｓ程度）から、制御パルスの時間幅τpulse（たとえば１０〜２０ｐｓ）に低減することができる。したがって、繰り返しレートが向上する。
【００３９】
また、単一光子発生装置１０Ｂのジッターを低減することができる。単一光子のジッターは、確率的に決まる単一光子の発光時刻のイベントごとのズレであり、通常の単一光子発生ではs-シェル励起子の発光寿命τX程度である。第１実施形態では、共振器効果によって短くなったs-シェル励起子の寿命ＴXと、共振器効果によって長くなったs-シェル励起子分子の寿命ＴBXの和が単一光子発生装置１０Ａのジッターとなる。第２実施形態では、制御パルスＥcの導入によって、コヒーレントにs-シェル励起子状態への遷移が起きる。したがって、単一光子発生装置１０Ｂのジッターは、共振器効果によって短くなったs-シェル励起子の寿命ＴX程度で済む。
【００４０】
＜変形例１＞
図７は、第１実施形態および第２実施形態の単一光子発生装置の変形例１を示す。図７（Ａ）は、第１実施形態の単一光子発生装置１０Ａの変形例である単一光子発生装置１０Ｃの概略構成図、図７（Ｂ）は、第２実施形態の単一光子発生装置１０Ｂの変形例である単一光子発生装置１０Ｄの概略構成図である。
【００４１】
これらの変形例では、素子部２３は、量子ドット１５と、共振器１４と、量子ドット１５を挟んで配置される一組の電極２７を有する。電極２７は、量子ドット１５のs-シェル励起子のエネルギーを電場制御する。
【００４２】
一組の電極２７に電圧を印加することで、シュタルク効果を利用して、量子ドット１５中のs-シェル励起子エネルギーを微調整する。適切な電場を印加することによって、s-シェル励起子エネルギーと共振器１４の共振エネルギーを合致させ、共振器効果（s-シェル励起子分子の再結合寿命を長引かせ、s-シェル励起子の再結合寿命を短くする）を確実にする。
【００４３】
Stranski krastanow法などの手法によって自己形成的に形成された量子ドット１５では、サイズばらつきに起因してエネルギーが不均一になる。この場合、量子ドット１５のs-シェル励起子の再結合エネルギーに合わせて設計された共振器１４を配置しても、量子ドット１５のサイズばらつきによって、s-シェル励起子の再結合エネルギーＥXと、共振器１４の共振エネルギーＥcavityの間に若干のエネルギー差が存在する可能性がある。そこで外部からの電場印加によってs-シェル励起子エネルギーを微調整し、共鳴条件を実現する。
【００４４】
図８は、図７の電極２７構造を用いた素子部２３の構成例を示す図である。図８（Ａ）は断面図、図８（Ｂ）は平面図である。
【００４５】
素子部２３では、ＧａＡｓ基板４１上にドープ層４２を介して、ポスト型共振器１４が形成されている。ドープ層４２は、ｎ型またはｐ型の不純物がドープされた半導体層である。ポスト型共振器１４の中央に量子ドット１５が配置される。
【００４６】
ポスト型共振器１４の周囲に低屈折率の絶縁膜４３を成膜し、所定の形状に加工する。絶縁膜４３上に、トップ電極２７ａを形成する。トップ電極２７ａは、ポスト型共振器１４にコンタクトするリング電極２７ｂを有する。光を基板４１の垂直方向（紙面の上方向）に取り出す場合、電場強度が強いポスト型共振器１４の中心軸周辺での反射や遮蔽を取り除くのが望ましい。そのため、上部電極２７ａに接続するリング電極２７ｂを設ける。ドープ層４２上にボトム電極２７ｃを配置する。ポスト型共振器１４のＤＢＲ部（図４参照）の上端や下端の誘電体層に、ｐ型またはｎ型の不純物をドープしてもよい。
【００４７】
トップ電極２７ａとボトム電極２７ｃの間に電圧を印加して、Ｅcavity＝ＥXとなる電圧値を検知する。検知された電圧値で単一光子発生器１０Ｃ、１０Ｄを動作させる。これにより、素子部２３の作製誤差による共振エネルギーＥcavityのズレや、量子ドット１５の形状ばらつきによる再結合エネルギーＥX、ＥBXのズレが生じても、外部電場によってＥXを調整することでＥcavity＝ＥX、Ｅcavity≠ＥBXの条件を実現できる。
【００４８】
＜変形例２＞
図９は、第１実施形態および第２実施形態の変形例２を示す。変形例２では、共振器１４として二次元スラブスラブ形状のフォトニック結晶５０を用いる。フォトニック結晶５０は周期的な穴５２を有する。穴５２の径と間隔、および欠陥構造の形状・サイズを設計することでＥcavity＝ＥX、Ｅcavity≠ＥBXの条件が達成可能である。
【００４９】
フォトニック結晶５０は、共振器層５１を有する。共振器層５１は、p-i-nのドープ構造を有する。図示はしないが、フォトニック結晶５０中の欠陥構造が共振器１４として機能する。同じく図示はしないが、共振器層５１内で電場強度が最大になると考えられるｉ層の中心に、量子ドット１５を有する量子ドット層を配置する。
【００５０】
共振器層５１として、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系の材料を用いることができる。基板７１とp-i-n型の共振器層５１の間に異種半導体材料のエッチング犠牲層７２を配置する。エッチング犠牲層７１は、たとえば共振器層５１がＧａＡｓ系材料ならばＡｌＧａＡｓ層、共振器層５１がＩｎＰ系材料ならＩｎＧａＡｓ層を用いることができる。電子線ビーム露光によるレジストパターニングの後に、エッチング犠牲層７２を選択エッチングして、空気部（キャビティ）７４を作り、スラブ型構造を実現することが可能である。
【００５１】
図１０は、フォトニック結晶６０に電極構造７５を設けた構成例を示す。フォトニック結晶６０は、共振器層６１として、ｎ型ドープ層６１ｎ、ノンドープ層６１ｉ、ｐ型ドープ層６１ｐがこの順で積層された構成を有する。共振器層６１内で電場強度が最大となると考えられるノンドープ層６１ｉの中心に、量子ドット１５を有する量子ドット層を配置する。共振器層６１の材料や、エッチング犠牲層の配置は、図９と同様である。
【００５２】
フィトニック結晶６０の欠陥（不図示）の周囲に、トップ電極としてリング型電極７５ｂと、これに接続する電極線７５ａを形成する。また、ｎ型ドープ層６１ｎ上の共振器から離れた場所にボトム電極７５ｃを配置する。リング型電極７５ａとボトム電極７５ｃの間に電場を印加して、Ｅcavity＝ＥXとなる電圧値を検知し、その電圧値で単一光子発生器１０Ｃ、１０Ｄを動作させることができる。
【００５３】
上述した実施形態および変形例により、純度が高い単一光子発生器が実現される。
【００５４】
本発明は上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく多様な変形が可能である。たとえば、光学フィルタ１２は、s-シェル励起子の再結合発光（２番目に発生する単一光子）を、励起光およびs-シェル励起子分子の再結合発光（１番目の単一光子）から分離して取り出す構成としてもよい。また、s-シェル励起子分子の再結合発光（１番目に発生する単一光子）を、励起光およびs-シェル励起子の再結合発光（２番目の単一光子）から分離して取り出す構成としてもよい。
【００５５】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
半導体基板上に形成された単一の量子ドットと、
前記量子ドットに励起光を照射して前記量子ドットのs-シェル励起子分子状態を共鳴励起する励起光源と、
前記s-シェル励起子分子状態を形成する２つのs-シェル励起子のうち、s-シェル励起子の再結合エネルギーに共鳴し、かつs-シェル励起子分子の再結合エネルギーに共鳴しない共振エネルギーを有する共振器と、
前記励起光と前記s-シェル励起子分子の再結合発光から、前記s-シェル励起子の再結合発光を分離する光学フィルタと、
を備えることを特徴とする光子発生装置。
（付記２）
前記s-シェル励起子の前記再結合エネルギーをＥＸ、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エＥネルギーをＥＢＸ、前記励起光のエネルギーをＥＰとすると、前記励起光は、
ＥＰ＝（ＥＸ＋ＥＢＸ）／２
を満たすことを特徴とする付記１に記載の光子発生装置。
（付記３）
前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーEBXに等しいエネルギーの制御光を生成する制御光源、
をさらに有し、前記制御光源は、前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍程度の時間をおいた後に、前記制御光を前記量子ドットへ照射することを特徴とする付記１または２に記載の光子発生装置。
（付記４）
前記励起光源は、前記s-シェル励起子分子状態を共鳴励起する前記励起光と、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御光とを切り換え可能な可変光源であり、
前記励起光源は、前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記制御光で前記量子ドットを照射することを特徴とする付記１または２に記載の光子発生装置。
（付記５）
前記量子ドットに電場を印加するための一対の電極、
をさらに有することを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の光子発生装置。
（付記６）
前記共振器はポスト型共振器であり、前記量子ドットは、前記ポスト型共振器内の最も電場強度が強くなる位置に配置されることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光子発生装置。
（付記７）
前記共振器はフォトニック結晶を用いた共振器であり、前記量子ドットは、前記フォトニック結晶中の最も電場強度が強くなる位置に配置されることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光子発生装置。
（付記８）
単一の量子ドットの周囲に、前記量子ドットのs-シェル励起子の再結合エネルギーに共鳴し、かつ前記量子ドットのs-シェル励起子分子の再結合エネルギーに共鳴しない共振エネルギーを有する共振器を配置し、
前記量子ドットを、励起光で照射してs-シェル励起子分子状態に共鳴励起し、
前記励起光と前記s-シェル励起子分子の再結合発光から、前記s-シェル励起子の再結合発光を分離する、
ことを特徴とする光子発生方法。
（付記９）
前記s-シェル励起子の前記再結合エネルギーをＥＸ、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーをＥＢＸ、前記励起光のエネルギーをＥＰとすると、前記励起光は、
ＥＰ＝（ＥＸ＋ＥＢＸ）／２
を満たすことを特徴とする付記８に記載の光子発生方法。
（付記１０）
前記励起光の照射の後、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記量子ドットに、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御パルスを照射し、
その後に、前記励起光と前記s-シェル励起子分子の前記再結合発光から、前記s-シェル励起子の前記再結合発光を分離する、
ことを特徴とする付記８または９に記載の光子発生方法。
（付記１１）
エネルギー可変の光源を用いて、前記量子ドットに前記励起光を照射し、
前記励起光の照射の後に前記光源のエネルギーを切り換え、前記励起光のパルス幅の数倍の時間をおいた後に、前記s-シェル励起子分子の前記再結合エネルギーに等しい制御パルスを前記量子ドットに照射し、
その後に、前記励起光と前記s-シェル励起子分子の前記再結合発光から、前記s-シェル励起子の前記再結合発光を分離する、
ことを特徴とする付記８〜１０のいずれかに記載の光子発生方法。
（付記１２）
前記量子ドットに電場を印加し、前記量子ドットの前記s-シェル励起子の再結合エネルギーと前記共振器の前記共振エネルギーを一致させる、
ことを特徴とする付記８〜１１のいずれかに記載の光子発生方法。
【符号の説明】
【００５６】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  単一光子発生装置
１１  励起パルス発生器（励起光源）
１２  光学フィルタ
１３、２３  素子部
１４  共振器
１５  量子ドット
１６  制御パルス発生器
２７、７５電極
２７ａ  トップ電極
２７ｂ、７５ｂ  リング電極
２７ｃ、７５ｃ  ボトム電極
３１、４１、７１  半導体基板
３２、５１，６１  共振器層
３３  量子ドット層
５０、６０  フォトニック結晶
【図１】
0006296548.tif 000002
【図２】
0006296548.tif 000003
【図３】
0006296548.tif 000004
【図４】
0006296548.tif 000005
【図５】
0006296548.tif 000006
【図６】
0006296548.tif 000007
【図７】
0006296548.tif 000008
【図８】
0006296548.tif 000009
【図９】
0006296548.tif 000010
【図１０】
0006296548.tif 000011