(57)【要約】【課題】  ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなくＤ／Ａ変換、Ａ／Ｄ変換処理等をナノスケールで行う。【解決手段】  Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、当該供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドット１１〜１３を基板１０上に形成させた量子ドットグループ２０と、上記各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１１〜１３から基板１０を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各入力光より低周波数の出力光をＤ／Ａ変換されたアナログ信号として生成する出力側量子ドット３０とを備える。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電性の基板と、
Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、当該供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各入力光より低周波数の出力光をＤ／Ａ変換されたアナログ信号として生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とするナノ光Ｄ／Ａコンバータ。
【請求項２】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットと上記出力側量子ドットとの間隔は、上記出力光の光強度に応じてそれぞれ調整されてなること
を特徴とする請求項１記載のナノ光Ｄ／Ａコンバータ。
【請求項３】
上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドット並びに上記出力側量子ドットは、上記出力光の光強度に応じてそれぞれサイズが調整されてなること
を特徴とする請求項１記載のナノ光Ｄ／Ａコンバータ。
【請求項４】
誘電性の基板と、
Ａ／Ｄ変換すべきアナログ信号に対応した光強度からなる入力光が供給され、当該該供給された光の光強度に応じてそれぞれ励起子が遷移される複数のエネルギー準位を有する上記基板上に形成された入力側の量子ドットと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入されるように共鳴エネルギー準位を互いに異ならせた複数の量子ドットから構成される出力側量子ドットグループとを備え、
上記出力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記入力光より高周波数の出力光をＡ／Ｄ変換されたデジタル信号として生成すること
を特徴とするナノ光Ａ／Ｄコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用されるナノ光Ｄ／Ａコンバータ、ナノ光Ａ／Ｄコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
【０００４】
【非特許文献１】M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく光Ｄ／Ａ変換、光Ａ／Ｄ変換を行うことができるナノスケールのナノ光Ｄ／Ａコンバータ、ナノ光Ａ／Ｄコンバータ等の実現が望まれている。
【０００６】
しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、消費電力や発熱等の問題が生じ、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性を長期に確保ための装置が大がかりになるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの光Ｄ／Ａ変換、光Ａ／Ｄ変換回路自体が未だ案出されていないのが現状である。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく光Ｄ／Ａ変換、光Ａ／Ｄ変換処理等をナノスケールで行うことができるナノ光Ｄ／Ａコンバータ、ナノ光Ａ／Ｄコンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るナノ光Ｄ／Ａコンバータは、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、当該供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各入力光より低周波数の出力光をＤ／Ａ変換されたアナログ信号として生成する出力側の量子ドットとを備える。
【０００９】
本発明に係るナノ光Ａ／Ｄコンバータは、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、Ａ／Ｄ変換すべきアナログ信号に対応した光強度からなる入力光が供給され、当該該供給された光の光強度に応じてそれぞれ励起子が遷移される複数のエネルギー準位を有する上記基板上に形成された入力側の量子ドットと、上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側の量子ドットから上記基板を介して励起子が注入されるように共鳴エネルギー準位を互いに異ならせた複数の量子ドットから構成される出力側量子ドットグループとを備え、上記出力側量子ドットグループを構成する各量子ドットは、共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記入力光より高周波数の出力光をＡ／Ｄ変換されたデジタル信号として生成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るナノ光Ｄ／Ａコンバータでは、Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号に基づく入力光の供給状態を制御することにより、量子ドットグループを構成する量子ドットから出力側量子ドットへ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出されるアナログ信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、Ｄ／Ａ変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータでは、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光Ｄ／Ａ変換を行うことができ、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００１１】
本発明に係るナノ光Ａ／Ｄコンバータでは、Ａ／Ｄ変換すべきアナログ信号に基づく入力光の光強度を制御することにより、入力側量子ドットからいかなる量子ドットへエネルギーを伝送させるかを制御することができ、放出されるデジタル信号の各ビット信号がこれに支配されることから、Ａ／Ｄ変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光Ａ／Ｄコンバータでは、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光Ａ／Ｄ変換を行うことができ、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
本発明は、図１に示すようなナノ光Ｄ／Ａコンバータ１に適用される。このナノ光Ｄ／Ａコンバータ１は、供給されたデジタル信号をナノスケールでアナログ信号に変換するコンバータであって、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の誘電性材料により構成される基板１０と、基板１０の表面上において形成されている複数の量子ドット１１,１２,１３からなる量子ドットグループ２０と、上記量子ドットグループ２０近傍に形成されている単一の量子ドットにより構成される出力側量子ドット３０とを備えている。
【００１４】
量子ドットグループ２０を構成する第１の量子ドット１１,第２の量子ドット１２,第３の量子ドット１３、並びに出力側量子ドット３０は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。これら量子ドット１１,１２,１３,３０では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
【００１５】
この誘電性の基板上１０に形成された各量子ドット１１,１２,１３には、パルス列の有無で情報を送信するデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給される。即ち、周波数を異なるビットに割り振った入力光は、図１に示すように基板１０上を伝搬することにより、各量子ドット１１,１２,１３へ供給されることになる。
【００１６】
ここで、第１の量子ドット１１に供給される入力光を入力光Ａとし、第２の量子ドット１２に供給される入力光を入力光Ｂとし、さらに第３の量子ドット１３に供給される入力光を入力光Ｃとする場合に、これら入力光Ａ,Ｂ,Ｃは、基板１０上を伝搬することにより、各量子ドット１１,１２,１３へ供給されることになる。このとき、基板１０上にプラズモン導波路を形成させ、これを介して入力光Ａ,Ｂ,Ｃを量子ドット１１,１２,１３へ供給するようにしてもよいし、また、各量子ドット１１,１２,１３に対してそれぞれ近接させた近接場光プローブを介してこれを供給するようにしてもよい。
【００１７】
量子ドット１１,１２,１３と出力側量子ドット３０とは、互いに状態密度関数がほぼ等しい量子準位を有する。各量子ドット１１,１２,１３に対してそれぞれ入力光Ａ,Ｂ,Ｃが供給されることにより、基底準位にある励起子をそれぞれ励起させることができる。その結果、各量子ドット１１,１２,１３と出力側量子ドット３０との間で双極子相互作用が生じる結果、上述した量子準位を介して互いに共鳴することになる。
【００１８】
各量子ドット１１,１２,１３,３０は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１１,１２,１３,３０を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット１１,１２,１３,３０を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。各量子ドット１１,１２,１３,３０を構成する材料系として、例えば上記ＣｕＣｌを用いる場合には、それらの辺長はナノメータサイズとなるように、換言すれば入力光Ａ,Ｂ,Ｃの波長以下となるように基板１０上に形成させる。
【００１９】
これら各量子ドット１１,１２,１３,３０は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１０上に形成させることができる。各量子ドット１１,１２,１３,３０を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１１,１２,１３,３０を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１１,１２,１３,３０のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。
【００２０】
なお、これら各量子ドット１１,１２,１３,３０は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１０上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。
【００２１】
各量子ドット１１,１２,１３,３０における量子閉じ込め準位Ｅ（nx,ny,nz）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx2+ny2+nz2）・・・・・（１）
この式（１）に基づき、各量子ドット１１,１２,１３,３０のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２と、第３の量子ドット１３と、出力側量子ドット３０との辺長比が、およそ１：√２：２：２√２であるとき、図２に示すように、第１の量子ドット１１における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、出力側量子ドット３０における量子準位が（４,２,２）であるときのＥ（４２２）とが等しくなる。また第２の量子ドット１２における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、出力側量子ドット３０における量子準位が（２,２,２）であるときのＥ（２２２）とが等しくなる。また、第３の量子ドット１３における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、出力側量子ドット３０における量子準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１１の量子準位（１,１,１）、第２の量子ドット１２の量子準位（１,１,１）、第３の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）は、出力側量子ドット３０における各量子準位（４,２,２）,（２,２,２）, （２,１,１）と、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第１の量子ドット１１における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１の入力光Ａ、第２の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω２の入力光Ｂ、第３の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω３の入力光Ｃをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させる。
【００２２】
仮に周波数ω１の入力光Ａを供給することにより、第１の量子ドット１１における量子準位（１,１,１）へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と出力側量子ドット３０における量子準位（４,２,２）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１１における量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、出力側ドット３０の量子準位（４,２,２）へ移動し、出力側量子ドット３０の量子準位（１,１,１）へ移動する。この結果、見かけ上第１の量子ドット１１から出力側量子ドット３０へ励起子が移動することになる。そして、この出力側量子ドット３０の量子準位（１,１,１）へ移動した励起子は、そこから発光する。この出力側量子ドット３０の下位の量子準位（１,１,１）からの発光は、アナログ信号としての出力光として取り出されることになるが、その周波数ω４は、入力光の周波数ω１,ω２,ω３と比較していきおい低くなる。これは、出力側量子ドット３０のサイズが、各量子ドット１１,１２,１３と比較して大きいからである。従って、この周波数ω４の出力光のみを選択的に検出することで、他の周波数成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。
【００２３】
即ち、基板１０上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１１,１２,１３,３０を形成させることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１１,１２,１３から体積の大きい量子ドット３０へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。
【００２４】
このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい量子ドット１１,１２,１３に応じた入力光Ａ,Ｂ,Ｃを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい出力側量子ドット３０へ伝送する。出力側量子ドット３０では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成し、これをアナログ信号として外部へ送信する。
【００２５】
この出力光の光強度は、出力側量子ドット３０における下位準位への励起子の放出量に支配され、かかる励起子の放出量は量子ドット１１,１２,１３から伝送される励起子の量に依存する。即ち、全ての量子ドット１１,１２,１３に入力光Ａ,Ｂ,Ｃがそれぞれ供給された場合には、その分励起される励起子の量は多くなり、出力側量子ドット３０へ伝送される励起子の量も多くなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は大きくなる。これに対して、全ての量子ドット１１,１２,１３に入力光Ａ,Ｂ,Ｃがそれぞれ供給されなかった場合には、その分励起される励起子の量は少なくなり、出力側量子ドット３０へ伝送される励起子の量も少なくなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、入力光Ａ,Ｂ,Ｃの各量子ドット１１,１２,１３に対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。
【００２６】
即ち、本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータ１は、入力光Ａ,Ｂ,Ｃの各量子ドット１１,１２,１３に対する供給をＡ／Ｄ変換すべきデジタル信号と連動させることにより、これに応じた光強度からなるアナログ信号としての出力光を生成する。例えば、Ａ０＝ａ２×２２＋ａ１×２１＋ａ０×２０（ａ２〜ａ０は、１か０の何れかの値を取る）と２進数で表わされる３ビットのデジタル信号（ａ０,ａ１,ａ２）をアナログ信号に変換する場合には、ａ０の値を周波数ω１の入力光Ａで規定し、ａ１の値を周波数ω２の入力光Ｂで規定し、ａ２の値を周波数ω３の入力光Ｃで規定する。
【００２７】
図３は、かかる３ビットのデジタル信号につき、このナノ光Ｄ／Ａコンバータ１により変換し得るアナログ信号の光強度の関係を示している。この図３に示すように、各周波数ω１,ω２,ω３の入力光Ａ,Ｂ,Ｃの供給を制御することにより、最大で、Ａ０（＝ａ２×２２＋ａ１×２１＋ａ０×２０）の大きさからなるアナログ信号を取得することができる。このアナログ信号の強度を構成するｂ０,ｂ１,ｂ２のうち、ｂ０は、デジタル信号ａ０に基づくものであり、ｂ１は、デジタル信号ａ１に基づくものであり、ｂ２は、デジタル信号ａ２に基づくものである。
【００２８】
ここでａ０の値が１である場合には、周波数ω１の入力光Ａを供給する。これに対して、ａ０の値が０である場合には、周波数ω１の入力光Ａを供給を停止するか、或いは周波数ω１,ω２,ω３以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω１の入力光Ａが供給された第１の量子ドット１１内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（４,２,２）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω１の入力光Ａが供給されなかった第１の量子ドット１１内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（４,２,２）へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００２９】
同様に、ａ１の値が１である場合には、周波数ω２の入力光Ｂを供給する。これに対して、ａ１の値が０である場合には、周波数ω２の入力光Ｂを供給を停止するか、或いは周波数ω１,ω２,ω３以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω２の入力光Ｂが供給された第２の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（２,２,２）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω２の入力光Ｂが供給されなかった第２の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（２,２,２）へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００３０】
同様に、ａ２の値が１である場合には、周波数ω３の入力光Ｃを供給する。これに対して、ａ２の値が０である場合には、周波数ω３の入力光Ｃを供給を停止するか、或いは周波数ω１,ω２,ω３以外の入力光の供給に切り換える。周波数ω３の入力光Ｃが供給された第３の量子ドット１３内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することになる。これに対して、周波数ω３の入力光Ｃが供給されなかった第３の量子ドット１３内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が出力側量子ドット３０の量子準位（２,１,１）へ移動することがなく、これが出力光としてのアナログ信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００３１】
この出力側量子ドット３０からの出力光の光強度をＤ／Ａ変換すべきデジタル信号毎に近接場光学顕微鏡により測定した結果を図４に示す。また、３ビットのデジタル信号の全てにつき、このナノ光Ｄ／Ａコンバータ１によりアナログ信号に変換した出力光の光強度を実際に測定した結果を図５に示す。
【００３２】
この図４,５から示されるように、ａ２＝０,ａ１＝０,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として００１）をＤ／Ａ変換する場合には、第１の量子ドット１１のみに入力光Ａが供給されることになり、出力側量子ドット３０へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光Ｌ３の光強度は、０．０５と小さくなる。
【００３３】
これに対して、ａ２＝１,ａ１＝０,ａ０＝０で表されるデジタル信号（２進法表記として１００）をＤ／Ａ変換する場合には、第３の量子ドット１３のみに入力光Ｃが供給されることになり、出力側量子ドット３０へ伝送される励起子の量は、第３の量子ドット１３が第１の量子ドット１１よりも大きいため、その分多くなり、これらの放出に基づく出力光Ｌ２の光強度も約４倍となる。
【００３４】
また、ａ２＝１,ａ１＝１,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として１１１）をＤ／Ａ変換する場合には、全ての量子ドット１１,１２,１３に入力光Ａ,Ｂ,Ｃがそれぞれ供給されるところ、出力側量子ドット３０へ伝送される励起子の量は、最も多くなり、これらの放出に基づく出力光Ｌ１の光強度は、２進法表記として００１で表されるデジタル信号のそれと比較して、約７倍と大きくなる。出力側量子ドット３０により生成されるアナログ信号の強度は、量子ドット１１,１２,１３から流れ込む励起子（エネルギー）の合計で表すことができるからである。
【００３５】
以上説明した図４,５で示される結果より、入力されるデジタル信号が大きくなるにつれて、出力側量子ドット３０から出力されるアナログ信号の光強度が大きくなることが分かり、またデジタル信号に基づいて生成するアナログ信号の強度の線形性をも確認することができる。
【００３６】
なお、各量子ドット１１,１２,１３から出力側量子ドット３０への距離が等しい場合には、量子ドット１１,１２,１３のサイズが大きいほど励起子が伝送量が多くなる。このため、互いに同一の光強度からなる入力光Ａ,Ｂ,Ｃが供給された場合に、第３の量子ドット１３からの励起子の伝送量が最も大きく、次に第２の量子ドット１２,第１の量子ドット１１の順でその伝送量は小さくなる。即ち、第１の量子ドット１１のみに入力光Ａが供給された場合に、出力側量子ドット３０から放出される出力光の光強度は上述の如く最も小さくなる。
【００３７】
入力されるデジタル信号に対して、アナログ信号の光強度の線形性をさらに確保するためには、各量子ドット１１,１２,１３のサイズに加えて、各量子ドット１１,１２,１３と、出力側量子ドット３０との距離を最適化することにより、実現することができる。
【００３８】
このように、本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータ１では、Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光Ａ,Ｂ,Ｃが供給され、当該供給された入力光Ａ,Ｂ,Ｃの周波数ω１,ω２,ω３に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドット１１,１２,１３と、これらのエネルギー準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する出力側量子ドット３０を基板上に形成させている。
【００３９】
このため、Ｄ／Ａ変換すべきデジタル信号に基づく入力光Ａ,Ｂ,Ｃの供給状態を制御することにより、量子ドット１１,１２,１３から出力側量子ドット３０へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出されるアナログ信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、Ｄ／Ａ変換を実現することができる。特に本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータ１では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光Ｄ／Ａ変換を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００４０】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、供給されたアナログ信号をナノスケールでデジタル信号に変換するナノＡ／Ｄコンバータ５に適用してもよい。
【００４１】
このナノＡ／Ｄコンバータ５は、図６に示すように、基板１０と、基板１０の表面上において形成されている複数の量子ドット１１,１２,１３からなる量子ドットグループ２０と、上記量子ドットグループ１０近傍に形成されている単一の量子ドットにより構成される入力側量子ドット４０とを備えている。なお、このナノＡ／Ｄコンバータ５において、上述したナノ光Ｄ／Ａコンバータ５と同一の構成については、図１の説明を引用することにより、ここでの説明を省略する。
【００４２】
入力側量子ドット４０は、上述した出力側量子ドット３０と同一の構成からなる。この入力側量子ドット４０には、Ａ／Ｄ変換すべきアナログ信号としての入力光Ｄが供給される。
【００４３】
量子ドットグループ２０は、このナノＡ／Ｄコンバータ５においてデジタル信号としての出力光を発光する。この量子ドットグループ２０を構成する第１の量子ドット１１は、デジタル信号を構成するａ０の値を出力光Ｕ１で規定し、また第２の量子ドット１２は、デジタル信号を構成するａ１の値を出力光Ｕ２で規定し、また第３の量子ドット１３は、デジタル信号を構成するａ２の値を出力光Ｕ３で規定する。
【００４４】
次に、このナノＡ／Ｄコンバータ５によるＡ／Ｄ変換動作につき説明をする。
【００４５】
先ず、図７に示すように、入力側量子ドット４０に対して、他の量子ドット１１,１２,１３との間で光学禁制となる量子準位Ｑ１に応じた周波数ω５の入力光Ｄを供給する。その結果、励起子が量子準位Ｑ１に励起される。
【００４６】
次にこの量子準位Ｑ１に励起された励起子は、下位にある量子準位Ｒ１へ遷移する。この量子準位Ｒ１は、入力側量子ドット４０においては光学禁制であるため、そこから光を放出させることができない。しかしながら、この励起子が、量子準位Ｒ１に共鳴する量子準位Ｒ１'を持つ第１の量子ドット１１へ伝送されることにより、当該第１の量子ドット１１から周波数ω６の出力光Ｕ１が発光することになる。
【００４７】
また、入力側量子ドット４０に対して供給する入力光Ｄの光強度を上げることにより、量子準位Ｑ１へ励起される励起子の量は多くなり、下位にある量子準位Ｒ１へ遷移する励起子の量もこれに応じて多くなる。その結果、かかる量子準位Ｒ１のみからでは励起子を第１の量子ドット１１側へ掃ききれなくなる。このため、励起子の余剰分については、かかる量子準位Ｒ１よりも上位にあり、かつ入力側量子ドット４０においては光学禁制となる量子準位Ｒ２へ遷移することになる。この量子準位Ｒ２へ遷移した励起子は、これに共鳴する量子準位Ｒ２'を持つ第２の量子ドット１２へ伝送されることにより、当該第２の量子ドット１２から周波数ω７の出力光Ｕ２が発光することになる。この励起子の放出により発光される出力光Ｕ１,Ｕ２,・・の周波数は、入力光の周波数ω５よりも高く、またこれらは互いに異なるため、これらを選択的に検出することも可能となる。
【００４８】
また、入力側量子ドット４０に対して供給する入力光Ｄの光強度を上げることにより、同様にして第３の量子ドットから出力光Ｕ３を発光させることができる。
【００４９】
このように入力光Ｄの光強度を上げていくことにより、放出すべき励起子の量を増加させ、これをより下位にある量子準位Ｒ１,Ｒ２,・・に共鳴する量子準位Ｒ１',Ｒ２',・・を持つ第１の量子ドット１１,第２の量子ドット１２,・・を介して放出することができる。これは、各量子ドット１１,１２,１３から発光される出力光Ｕ１,Ｕ２,・・の有無が、供給される入力光Ｄの光強度に支配されることを示唆している。
【００５０】
このため、この入力光Ｄの光強度をアナログ信号の強度に対応させ、発光される出力光Ｕ１,Ｕ２,・・をデジタル信号に対応させることにより、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で光Ａ／Ｄ変換を実現することができる。
【００５１】
なお、上述した実施の形態では、３ビットのデジタル信号のＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、２ビット以上のデジタル信号のいかなるＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換に適用することも可能となる。仮に２ビットのデジタル信号のＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を実現する場合には、第１の量子ドット,第２の量子ドット１２のみからなる量子ドットグループ２０を基板１０上に形成させるようにすればよい。また、４ビット以上のビット数からなるデジタル信号を扱う場合には、ビットに対応した互いに異なる周波数の入力光が供給され、供給された入力光の周波数に応じてそれぞれ励起子が励起されるようにエネルギー準位（サイズ）を互いに異ならせた４つ以上の量子ドットを基板上に形成させるようにすればよい。
【００５２】
なお、上述した実施の形態では、２進数で表されるデジタル信号のＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、４進数、１６進数等で表されるデジタル信号のＡ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換に適用してもよいことは勿論である。
【００５３】
さらに、本発明では、互いに共鳴する量子準位間で励起子を伝送する場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではない。基板１０の温度を上げることにより、互いに共鳴しない量子準位間で励起子が移動することを利用し、各量子ドット１１,１２,１３へ供給する入力光Ａ,Ｂ,Ｃの周波数につき一定の幅を持たせることもできることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータの構成につき説明するための図である。
【図２】本発明を適用したナノ光Ｄ／Ａコンバータの動作につき説明するための図である。
【図３】３ビットのデジタル信号につき、このナノ光Ｄ／Ａコンバータ１により変換し得るアナログ信号の光強度の関係を示す図である。
【図４】出力側量子ドットからの出力光の光強度をＤ／Ａ変換すべきデジタル信号毎に近接場光学顕微鏡により測定した結果示す図である。
【図５】３ビットのデジタル信号の全てにつき、このナノ光Ｄ／Ａコンバータによりアナログ信号に変換した出力光の光強度を実際に測定した結果を示す図である。
【図６】本発明を適用したナノ光Ａ／Ｄコンバータの構成につき説明するための図である。
【図７】本発明を適用したナノ光Ａ／Ｄコンバータの動作につき説明するための図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ナノ光Ｄ／Ａコンバータ、１０  基板、１１  第１の量子ドット、１２  第２の量子ドット、１３  第３の量子ドット、２０  量子ドットグループ、３０  出力側量子ドット
【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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