(57)【要約】本発明は、単一光子を含む光パルスを発生可能で、光共振器キャビティ（１００）及び該キャビティ（１００）内に配置された一群の光子放出源（２５０）を備え、これら放出源（２５０）のうちの或る単一の放出源の放出周波数がキャビティ（１００）の共振周波数（Ｍ）にほぼ等しいオプトエレクトロニクス素子に関する。本発明は、上記一群の放出源（２５０）が或る与えられた周波数（Ｐ）への放出源（２５０）の周波数の集中を示すスペクトル分布を有することと、キャビティ（１００）が、その共振周波数（Ｍ）が前記集中周波数（Ｐ）とは充分に離れていて、キャビティ（１００）の共振周波数（Ｍ）に一致する放出周波数を有する放出源（２５０）の数が１近傍となるように構成されていることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子を含む光パルスを発生可能なオプトエレクトロニクス素子であって、光共振器キャビティ（１００）及び該キャビティ（１００）内に配置された一群の光子放出源（２５０）を備え、これら放出源（２５０）のうちの或る単一の放出源の放出周波数がキャビティ（１００）の共振周波数（Ｍ）にほぼ等しいものにおいて、
上記一群の放出源が或る与えられた周波数（Ｐ）への放出源（２５０）の周波数の集中を示すスペクトル分布を有することと、
キャビティ（１００）が、その共振周波数（Ｍ）が前記集中周波数（Ｐ）とは充分に離れていて、キャビティ（１００）の共振周波数（Ｍ）に一致する放出周波数を有する放出源（２５０）の数が１近傍となるように構成されていることを特徴とするオプトエレクトロニクス素子。
【請求項２】
放出源（２５０）が一つ以上の半導体材料から作成されていることを特徴とする請求項１に記載の素子。
【請求項３】
放出源（２５０）が半導体量子ボックスであることを特徴とする請求項２に記載の素子。
【請求項４】
キャビティ共振モードの周波数（Ｍ）における放出源（２５０）のモードスペクトル密度が、キャビティ共振モード（Ｍ）の幅に対して０．５放出源近傍であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の素子。
【請求項５】
或る単一の放出源の周波数がキャビティの共振周波数に一致するように複数の放出源の放出周波数を調整する手段を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の素子。
【請求項６】
キャビティ共振モード（Ｍ）の周波数で放出された光子を該キャビティ共振モードに結合していない放出源の光子からフィルター分離する手段（７５０）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の素子。
【請求項７】
放出源（２５０）の光学的又は電気的インパルスポンピング手段（４００、５００、６００、９００）を含むことをと特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の素子。
【請求項８】
放出された単一光子パルスを捕集する手段（７００）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の素子。
【請求項９】
量子ボックスがＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから成り、ここでｘが０．５と１との間にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項と請求項３との組み合わせによる素子。
【請求項１０】
キャビティがＧａｙＡｌ１−ｙＡｓ層から成り、ここでｙが０．５と１との間にあることを特徴とする請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
ｘ＝１で且つｙ＝１であることを特徴とする請求項１０に記載の素子。
【請求項１２】
量子ボックスがＩｎｘＧａ１−ｘＮから成り、ここでｘが０と１との間にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項と請求項３との組み合わせによる素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、唯一且つ単一の光子からなる光パルスを確定的に放出することのできるオプトエレクトロニクス素子に関する。
【０００２】
この素子の主な用途は計測及び機密保護遠距離通信である。
【０００３】
「単一光子光源」とは、唯一且つ単一の光子からなる光パルスを発生させることのできる素子又はシステムを言う。高性能の固体単一光子光源は潜在的に多くの重要な用途、例えば計測（光束又はエネルギーの基準）又は遠距離通信における用途を有し、後者では量子暗号化技術を用いて通信の絶対的な機密保護を実現することができる。
【０００４】
ここで、遠距離通信の分野において想定される量子暗号化技術の適用は、主に常用波長（１．３〜１．５５μｍ）における光ファイバーでの信号送出のみならず、自由空間での遠距離通信（地球−衛星間通信又は衛星間通信、青緑色放射ウィンドウ内の海底通信、短距離地上通信）による信号送出にも関連する。
【０００５】
量子暗号化技術に対するこのような用途では、光源から出力されるパルスが１個よりも多い光子を含んでいないことが無条件の機密性を実現するために不可欠である。現在、平均で０．１個の光子を含む極めて減衰されたレーザーパルスが使用可能であるという理由で利用されているが、これは単一光子パルスの極めて不完全な近似でしかない。
【０００６】
これらの光源は、既存の光ネットワークに対する量子通信プロトコルの適合性を実証するのに使用されているが、発生されるパルスのポアソン分布のため、実際の使用では厳しい制限がある。即ち、まず第一に、９０％のパルスは光子を全く含んでおらず、従って送信データ速度が著しく制限されることである。更に大きな問題は、１％のパルス（有効パルスの約１０％）が１個よりも多い光子を含んでいることから、機密保護が損なわれるということである。
【０００７】
従って、スパイが全ての送信シーケンスを傍受し、その複数光子を含むパルスを誤り無く解析して再送信できるようになってしまう虞がある。この場合、スパイが行う唯一の行為は誤り率を増大させることよりもむしろ通信速度を低下させることであるはずであるから、その行為を通信ライン上の光学的損失の存在と区別して認識することは不可能となる。従って、１個よりも多い光子をけっして含まず、１個の光子を含む可能性が最大のパルスを送出することのできる光源を開発することが重要なのである。
【０００８】
ここで、複数の光共振器キャビティ内にある各単一原子がそのような光源となり得るなら、これらの原子を用意して格納及び操作するのに必要な実験システムを高度化すれば、その大規模な適用を考えることが可能になる。従って、量子暗号化技術の配備は低コストで高性能な固体単一光子光源の開発如何にかかっている。
【０００９】、
単一光子光源では、単一の放出源（原子、イオン、分子、その他）を用い、システムが１つの基本的な電気的又は光学的励起状態を保持してから１個以下の光子の放出によって脱励起状態になることを保証している。
【００１０】
この局在化された単一放出源からの放出は当然ながら全方位性であり、従って放出源を光学的マイクロ光共振器キャビティ内に配置して放出放射を効率的に集め、例えば光ファイバーに注入できるようにする必要がある。理想的な状態は、放出がキャビティの単一モードに集中し、従って全ての単一光子を同じ量子状態で生成できるような状態である。
【００１１】
従来、このような単一放出源と単一モードのマイクロ光共振器キャビティとの組み合わせは成功しておらず、これは、以下のような幾つかの問題があるからである。
・上記原子、イオン、又は分子は極めて不完全な放出源である。分子は光学的変色又は「光暗化」によって制限される短い寿命しか有していない。固体マトリックス中に置かれている原子とイオンの放射効率は低いことが多く、またその数を制御することが難しい。
・現在までのところ、純粋に単一モードのモノリシック形マイクロ光共振器キャビティは存在しない。１９８７年にヤブロノビッチ（Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ）は光子禁止帯（所定周波数範囲内で電磁モードを維持しない）を有する人造結晶から出発してこの結晶に適当な欠陥を導入することにより制御可能なやり方で禁止帯内に単一電磁モードを導入することを提案した。三次元の光子禁止帯を有する結晶の製造分野では１９９８〜１９９９年に確かな進展がなされたが、この試みは実施化が技術的に極めて困難であることが判明している。
【００１２】
これらの問題の１つを解決するために幾つかの試みが提案されている。
【００１３】
即ち、通常の原子、イオン、又は分子放出源を放出効率が１に近く電気的にポンピング可能と思われる半導体放出源、量子井戸、又は量子ボックスで置き換えようと言う機運が高まっている。
【００１４】
そこで山本（Ｙａｍａｍｏｔｏ）達は、活性媒体として量子井戸を使用することを提案している（文献「１」）。量子井戸の電子的状態は離散的ではないので、単一光子を得る必要がある場合には、一度に１個の電子・正孔対を注入する必要がある。このような結果は、量子井戸に正確に１つの電子と１つの正孔とを注入するためのクーロン・ブロッケージを利用することによって得ることができる。但し、この方法では動作温度を０．１Ｋよりも高くすることが極めて難しいと考えられ、従って有用性が著しく低下する。一方、ジェラール（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ）とガイラル（Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）も放出中心点として単一の半導体量子ボックスを使用することを提案している（文献「２」）。この場合、系統的に自動化された成長法によって得られる量子ボックスは、最も多く研究されている原子、イオン、又は分子放出源に比べて多くの利点を有している。これらの利点としては、高い安定性、キャリアの熱放出が無視できる程度（即ち１μｍ近辺での放出を行う最も多用されているＩｎＡｓ量子ボックスでＴ＜１５０Ｋ）で且つ１に極めて近い放出効率、そして障壁内に注入されるキャリア効率的な捕捉による非共振の電気的又は光学的ポンピングの可能性などを挙げることができる。
【００１５】
量子井戸の場合、一度に複数の電子・正孔対を量子ボックスに注入することを妨げるものは明らかに存在せず、複数の光子の放出が観測される。
【００１６】
これらの光子は、捕捉されるキャリア間のクーロン相互作用のため、量子ボックスの電荷状態の相違に対応して異なる波長で放出されることが実験的に観測される。従って、インパルスポンピングのあと、適切に選択されたスペクトルウィンドウ内で単一光子の放出を観察するためには、量子ボックスからの放出をスペクトルフィルタにかければ充分である。
【００１７】
ジェラール（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ）とガイラル（Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）は、所定モードで有用な光子を最優先で集めるために「パーセル効果」（光共振器キャビティ内の放出源の自然放出率の増大）を利用することも提案している。
【００１８】
注意すべきは、通常の複数のモノリシック形マイクロ光共振器キャビティ（マイクロカラム、マイクロディスク、マイクロスフェアなど）は、複数の閉じ込め光学モードの離散集合と複数の漏洩モードの連続集合とを維持する点である。
【００１９】
単色放出源がマイクロ光共振器キャビティの閉じ込めモードと共振すると、幾つかの条件下ではこのモードへ向かう放出源の自然放出が極めて大きく増大することが観察される。ＩｎＡｓ量子ボックスの場合、本発明者らはこの単一の閉じ込めモードへ向かう放出がマイクロ光共振器キャビティからの全ての漏洩モードへの放出の１７倍も速いということを観察している（文献「３」）。この効果により、マイクロ光共振器キャビティの共振モードへの光子の９５％（＝１７／（１７＋１））程度の結合が可能となる。
【００２０】
そこで本発明者らは、図１に模式的に示すようにマイクロ光共振器キャビティ（例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓマイクロカラム）内に単一の量子ボックス（例えばＩｎＧａＡｓからなる）を置くことによって単一光子光源を作り、このマイクロ光共振器キャビティの閉じ込めモード（この場合の基本モード）と共振させることを既に提案している。図１に示したのはＧａＡｓ／ＡｌＡｓマイクロカラム、即ち、それぞれＧａＡｓとＡｌＡｓの１／４波長層の交互積層体から成る二つのブラッグ反射鏡の間に挟んでサンドイッチ構造としたＧａＡｓ製のマイクロ光共振器キャビティ「λ」（即ち、光の１波長に等しい厚さのマイクロ光共振器キャビティ）を含む構成である。このキャビティの内部に、キャビティ基本モードと共振するようにＩｎＧａＡｓ量子ボックスが配置されている。このマイクロカラムはＧａＡｓ基板上に載置されており、カラム径は１μｍである。
【００２１】
このような量子ボックスとマイクロ光共振器キャビティとの組み合わせによって、以下に述べる動作に従って単一光子の放出及び所定モードとの高度に優先的な結合とを同時に達成することができる。
【００２２】
ＧａＡｓ障壁のインパルス光ポンピングが達成され、光生成キャリアは量子ボックス（又はカラムの自由表面）によって極めて瞬時のうちに捕捉される。ポンピングエネルギーは、パルス１個あたり平均約５個の電子・正孔対が量子ボックスに注入されるように、即ち、量子ボックス内における少なくとも１つの電子・正孔対の存在確率が１に極めて近くなるように調整される。
【００２３】
過剰な電子・正孔対が再結合し、キャリア間のクーロン相互作用によってキャビティモードからシフトしたエネルギーレベルで光子の放出が起きた後にも、量子ボックス内にはまだ１つの電子・正孔対が残っており、その後、この残存している電子・正孔対がキャビティ基本モードに共振する。
【００２４】
この最後の光子はマイクロカラムの基本モードにてパーセル効果により最優先で放出される。従ってここで提案されたシステムは、理想的にはポンプからのポアソンパルスの単一光子パルス列への変換器のように動作する。この変換器は、電気的にポンピングされた単一光子のマイクロ光源を構成するように放出レーザーと表面で縦向きに一体結合されていてもよい。少なくとも７７Ｋに等しい動作温度を得ることができる。
【００２５】
マイクロ光共振器キャビティ内で単一の量子ボックスを隔離することは困難である。系統的に自動化された成長法では、高密度（ＩｎＡｓ／ＧａＡｓで一般に１μｍ２あたり４００個）の量子ボックスの組立体が作られてしまうのが通常である。これらの量子ボックスの大きさは一定ではなく、また各量子ボックスはスペクトル的には極めて幅の狭い放出線を与えるが、それらの放出波長は広いスペクトル範囲（ＧａＡｓ内のＩｎＡｓ箱の場合、３０〜１００ｍｅＶ）に亘ってランダムに分布している。典型的なマイクロ光共振器キャビティは断面積が数μｍ２で、従って１０００個程度の量子ボックスを含み、分布の中心では、キャビティ内の１０個程度の量子ボックスが１ｍｅＶのスペクトル範囲内に入ることになろう。従って、有用なモードと共振している単一の量子ボックスの存在を保証することが重要な場合には、キャビティ内の量子ボックスの数を大幅に減少させる必要があり、これには以下に述べるような幾つかの解決策がある。
・一種の技法的な試みを量子ボックス数の減少に利用することができる（例えば量子ボックスの面はマイクロ光共振器キャビティの画定の前に構成可能）。この種の試みで想定できるのはいずれも極めて手間のかかるものであり、またマイクロ光共振器キャビティの質を低下させる傾向があるものばかりである。
・１９９９年に（文献「５」）、極めてまばらな量子ボックス面積密度（１μｍ２あたり約１０量子ボックス）から出発することが提案された。この場合、スペクトル的には５ｍｅＶ毎におおよそ１つの量子ボックスが存在し、また二つの量子ボックスが同じ放出波長をもつ確率は極めて低い。また温度は調整（実際には２０Ｋ程度）可能であり、それによって有用モードに最も近い量子ボックスの量子エネルギーを変化させて共振に至らせる。１つの変形例では、磁場を加えることによって同じ効果を達成可能である。この試みでは、量子ボックスの面積密度を低減するために量子ボックス面に対して極めて狭い範囲の成長パラメータで処理を行わなければならない。例えば、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系デバイスの場合、ＩｎＡｓの蒸着量を０．０３ｎｍ未満の範囲内に制御しなければならないが、これは実現不可能である。実際には、エピタキシャル試料表面におけるＩｎＡｓの量を徐々に変えて、量子ボックスの表面密度が充分に小さくなる有用領域を探すようにしなければならない。従って構造の特性決定と試験が更に困難となり、この試みによる製造処理工程の効率も極めて低くなる。
【００２６】
マイクロ光共振器キャビティ内に１つ又は数個の量子ボックスを配置して極めて低い閾値電流のレーザーを構成することも提案されている（文献「４」）。この公知の構造は、量子ボックスを有する面放出レーザーから成る別の公知構造に極めて類似する。
【００２７】
本発明の目的は、更に簡単に製造可能な固体光子光源構造を提供することである。
【００２８】
本発明は係る光源に対して高い製造効率と低い製造コストを達成可能であり、これら光源を市販可能とするものである。
【００２９】
この目的は、本発明によれば、単一光子を含む光パルスを発生可能なオプトエレクトロニクス素子、即ち光共振器キャビティ及び該キャビティ内に配置された一群の光子放出源を備え、これら放出源のうちの或る単一の放出源の放出周波数がキャビティの共振周波数にほぼ等しいオプトエレクトロニクス素子によって達成されるものであり、この場合、係る素子は、上記一群の放出源が或る与えられた周波数への放出源の周波数の集中を示すスペクトル分布を有することと、キャビティが、その共振周波数が前記集中周波数とは充分に離れており、且つキャビティの共振周波数に一致する放出周波数を有する放出源の数が１近傍となるように構成されていることとを特徴とする。
【００３０】
本発明のその他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面を参照して述べる以下の詳細な説明から明らかである。
【００３１】
本発明によるオプトエレクトロニクス素子は、その特徴として三次元構造のマイクロ光共振器キャビティ１００を備え、このキャビティの内部には、量子ボックス２５０を高密度（１μｍ２あたり１００個未満）で含む１つ又は複数の量子ボックス面２００が挿入され、キャビティ１００の有用モード（基本モード）と全ての量子ボックス２５０の最大放出ピーク点、即ち量子ボックス２５０の放出ピークの集中点との間に大きなスペクトルシフトΔが存在するようにしてある。図４には、このピーク、即ち上記集中点が符号Ｐで示され、キャビティの基本モードが符号Ｍで示されている。このスペクトルシフトΔは、モードＭのエネルギーを有する量子ボックス２５０のスペクトル密度が０．５／ΔＥよりも小さくなるように調整されており、ここでΔＥはキャビティ１００のモードＭのスペクトル幅である。
【００３２】
このシフトは、高い量子ボックス密度を有する量子ボックス面２００の系統的に自動化されたエピタキシャル成長法により容易且つ極めて良好な再現性で得ることができる。
【００３３】
量子ボックス面の量子ボックス密度と平均放出波長は、蒸着されるＩｎＡｓの量に決定的に強く依存するというわけではなく、また試料表面全体にわたって極めて均一である。
【００３４】
作製される個々のデバイスにおける量子ボックス２５０の平均放出ピークＰとキャビティ１００の有用モードとの間に大きなスペクトルシフトΔを導入することにより、作製される全てのデバイスにおいてモードＭに結合する量子ボックス２５０の数を平均で０．５個（又はそれ以下）に減少させることができる。従って温度を調整することにより単一の量子ボックスをこのモードＭに共振させることができる。
【００３５】
尚、同様の共振状態は、或る選ばれた値の磁場をデバイス構造に作用させることによっても得ることができる。
【００３６】
量子ボックス２５０の面での上記平均放出ピーク、即ち全放出線は、キャビティ基本モードＭよりも「高エネルギー」側もしくは「低エネルギー」側のいずれかに位置させることができる。但し、好ましくはモードＭの「高エネルギー」側に位置させて、量子ボックス２５０の毎回の励起状態の間における遷移に基づく放出を捕集しないようにすると良い。
【００３７】
例えばＩｎＡｓ／ＧａＡｓのような或る種の材料群については、これら量子ボックス２５０のスペクトル分布は極めて良好な近似としてガウス分布で記述することができ、従って平均放出ピークＰとキャビティ基本モードＭとの間の差Δを計算することは容易である。
【００３８】
この分布が充分に判っていない場合又は規則的でない場合には、いつでも実験によりΔを調整することができる。
【００３９】
以下、幾つかの具体的な実施形態について詳細に説明する。
【００４０】
図３に示す実施形態においては、マイクロ光共振器キャビティ１００は横断面形状が楕円形の円柱形カラムの形態を有している。
【００４１】
図３は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓマイクロカラムとＩｎＧａＡｓ量子ボックスとを使用した波長１μｍで動作する本発明による光源構造を示している。
【００４２】
更に詳しくは、このキャビティはそれぞれＧａＡｓとＡｌＡｓとの１／４波長層の交互積層体から成る２つのブラッグ反射鏡の間に挟まれている。
【００４３】
横断面形状の離心率は、このキャビティの基本モードが衰退しない程度のものである（文献「６」）（例えば短軸１μｍ、長軸２μｍ）。
【００４４】
成長工程の間に、４００量子ボックス／μｍ２の密度で且つ７７Ｋにて代表的スペクトル幅σ＝８０ｍｅＶのほぼＥ０＝１．２９ｅＶ近辺の放出を生じるＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの多数の量子ボックス２００を含む面がこの構造体の中心部に挿入される。従って、このカラムにおける量子ボックスの数はＮ＝３１０近辺であり、エネルギーの関数としてのその分布は下記の式で表される。
【００４５】
【数１】
2004501514.tif 000003
【００４６】
モード幅ΔＥが１ｍｅＶの場合（この分野の技術で典型的な値；文献「６」参照）、平均０．５個の量子ボックスがモードＭにて結合するようにするにはシフトΔを少なくとも６０ｍｅＶに等しくする必要のあることが見いだされた。
【００４７】
従って例えば、マイクロ光共振器キャビティ１００の構造を計算し、その基本モードを１．２３ｅＶに調整するようにする。前述のように、この場合のマイクロ光共振器キャビティ１００はＧａＡｓ／ＡｌＡｓから成る反射鏡で挟まれたマイクロカラムの形態に公知の手法で作製する。
【００４８】
作製された構造体を基台３００（スターリング冷却器）上に配置して、その温度を単一の量子ボックスが基本モードＭに結合する７７Ｋ近辺の設定温度に保持する。基台３００とマイクロカラムとの間にはＧａＡｓ基板３５０を配置しておく。この構造は、インパルスレーザーにより光学的にポンピングされる構成である。
【００４９】
図６及び図７は、図３に示したものと類似しているが室温で波長１．３μｍの放出を行うように適合された構造で得られた結果を示している。基本モードは３００Ｋにて０．９５４ｅＶ（１．３μｍ）である。量子ボックス面には４００個／μｍ２の量子ボックスが含まれており、３００Ｋで０．９９ｅＶ近傍の放出を行い、スペクトル幅は４０ｍｅＶである。モードＭに結合している量子ボックス２５０の平均数が０．５よりも少ないということの確認は容易である。
【００５０】
図７は、モードＭ近辺の量子ボックスのランダムな分布をより詳細に示している。
【００５１】
これら図６及び図７は、ＭとＰとの間に大きな差が存在するモード密度と量子ボックスの平均スペクトル分布（図６）と、量子ボックスのランダム分布の特別な実施形態の一例（図７）をそれぞれ示している。
【００５２】
図８の構造は図３のものと類似しているが、マイクロカラムの各反射鏡がドープされている点と、カラム両端で電気パルス発生器に電気的に接続されていてシステムの電気的励起が行えるようになっている点で異なっている。
【００５３】
この場合、上部のブラッグ反射鏡はｐドープＧａＡｓ／ＡｌＡｓの交互の積層から成り、下部のミラーはｎドープＧａＡｓ／ＡｌＡｓの交互の積層から成っている。キャビティを形成する層１００は意図的にはドープしていないＧａＡｓから成る。このマイクロカラムはｎドープＧａＡｓ基板上に配置されている。
【００５４】
図９は図３に示すものと同じ構造を示しているが、半導体面放出マイクロレーザーと一体化されている点で異なっている。
【００５５】
このマイクロカラムは波長λを有する単一光子光源を形成し、マイクロレーザーはλよりも短い波長λ´の光源を形成する。このマイクロレーザーは三層から成り、１つの活性層４００が二つのブラッグ反射鏡５００と６００との間に挟まれている。マイクロカラム側の端部にある反射鏡５００はｐドープされており、マイクロカラムから遠い方の端部にある反射鏡６００はｎドープされている。マイクロレーザーの両端にはそれぞれ電極が取り付けられており、これら２つの電極のうちの１つがマイクロカラムの底部を包囲している。
【００５６】
図１０及び図１１は図３に示すものと同じ構造を示しているが、放出光子の捕集のための光ファイバー７００と結合されている点と、光ファイバーによって電気的（図１１）又は光学的（図１０）にポンピングされるようになっている点で異なっている。
【００５７】
これらの二つの例において、図３の構造体はその冷却器３００及び基板３５０と共にボックス８００内に配置され、捕集用の光ファイバー７００はマイクロカラムの上端からボックス８００を貫通して外部へ導かれている。
【００５８】
図１１に示す例では、励起電極が図８と同様に配置されている。
【００５９】
図１０に示す例では、励起用の光ファイバー９００がマイクロカラムのキャビティ１００を励起するためにボックスを横方向に貫通している。
【００６０】
図１２は、ＩｎＧａＡｓから成る量子ボックス面２００を含むＧａＡｓ及びＧａＡｌＡｓ製のマイクロディスク１０００を示している。
【００６１】
マイクロディスク１０００はＧａＡｌＡｓから成る細長いスタンド上に配置されており、スタンド自体はＧａＡｓ基板上に配置されている。
【００６２】
このマイクロディスクの厚さは２００ｎｍ程度であり、またディスク直径（１〜５μｍ）は、閉じ込めモードの１つ、即ち図１３のモードＭが全ての量子ボックスの平均放出ピーク、即ち量子ボックス２５０の周波数の集中点から充分にシフトされ、しかも平均で少数（０．１〜０．５個）の量子ボックスに結合するように調整されている。
【００６３】
光ファイバー７００（又は半導体導波管）は放出された光子を捕集するためのものである。モードＭで放出される光子を他のモードで放出される寄生放出から選別するために帯域フィルター７５０が使用されている。１つの特別な実施形態では、このフィルター７５０は図１２に示したように光ファイバーと一体化してもよい。
【００６４】
図１４は、横断面が楕円形の円柱形マイクロカラムを示しており、このカラムは、ＩｎＧａＮ量子ボックス面２００を含むＧａＮ又はＧａＡｌＮから成るキャビティ層１００と、この層１００の両側に配置された誘電体ブラッグ反射鏡（例えばＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５から成る）とから成っている。下部のブラッグ反射鏡はＧａＮ層とＧａＡｌＮ層の積層によって構成しても良い。変形形態として、量子ボックスをＧａＮで形成し、キャビティ層をＧａＡｌＮで形成しても良い。
【００６５】
この単一光子光源では、ＩｎＧａＮ又はＧａＮ量子ボックスの組成と寸法を変えることにより可視域（特に青及び緑）又は近紫外域内の放出波長を選ぶことができる。
【００６６】
この場合、あまり本質的ではないが以下に述べる変形が可能である。
１）温度の安定化及び調整システムの追加。
２）単一光子の捕集システム（ファイバー、導波管、その他）の追加。
３）有用モードに結合していない量子ボックスの寄生放出を分離するスペクトルフィルタシステムの追加。
４）マイクロ光共振器キャビティ内の量子ボックスの光又は電気インパルスによるポンピング手段の一体化。
【００６７】
例えば添付図面における種々の変形形態のどれかに対応するような幾つかの好適な実施形態があるが、そのうちで特に簡単且つ高信頼性の好適な実施形態に採用できる要件を列挙すれば以下の通りである。
・化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ここでｘは０．５〜１の範囲内の値）で表される材料で形成された量子ボックス。
・化学式ＧａｙＡｌ１−ｙＡｓ（ここでｙは０．５〜１の範囲内の値）を有する材料で形成されたキャビティ層。特に直前に述べた量子ボックスの場合。
・ＩｎＡｓ製の量子ボックスとＧａＡｓ製のキャビティ層の組み合わせ（特に好適な選択）。
・変形例として、量子ボックスをＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ここでｘは０〜１の範囲内の値）で作製したもの。
【００６８】
参考文献：
「１」：イマモグル及び山本（Ａ． Ｉｍａｍｏｇｌｕ ａｎｄ Ｙ． Ｙａｍａｍｏｔｏ）， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ７２， ２１０， １９９４； キム他（Ｊ． Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ）， Ｎａｔｕｒｅ， ３９７， ５００， １９９９
「２」：ジェラール及びガイラル（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）， ”ＱＵＥＤ現象とマイクロ光共振器及びフォトニック結晶の応用（ＱＵＥＤ ｐｈｅｎｏｍｏｎａ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ）” Ｈ． Ｂｅｎｉｓｔｙ， Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ｊ． Ｒｅｒｉｔｙ ａｎｄ Ｃ． Ｗｅｉｓｂｕｃｈ ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ １９９９； ジェラール及びガイラル（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ ａｎｄ Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． １７， ２０８９ （１９９９）
「３」：ガイラル、ジェラール、レメトリー、デュピュス、マニン及びペロールド（Ｂ． Ｇａｙｒａｌ， Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ａ． Ｌａｍａｉｔｒｅ， Ｃ． Ｄｕｐｕｉｓ， Ｌ． Ｍａｎｉｎ ａｎｄ Ｊ． Ｌ． Ｐｅｌｏｕａｒｄ）， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７５， １９０８ （１９９９）； ジェラール、セルマージュ、ガイラル、レグラン、コスタール、チリー・ミーク（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ｂ． Ｓｅｒｍａｇｅ， Ｂ． Ｇａｙｒａｌ， Ｂ． Ｌｅｇｒａｎｄ， Ｅ． Ｃｏｓｔａｒｄ， Ｖ． Ｔｈｉｅｒｒｙ−Ｍｉｅｇ）， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ８１， １１１０ （１９９８）
「４」：山西及び山本（Ｍ． Ｙａｍａｎｉｓｈｉ ａｎｄ Ｙ． Ｙａｍａｍｏｔｏ）， Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ． ３０， Ｌ６０， １９９１； 及びオリバー・ベンソン他（Ｏｌｉｖｅｒ Ｂｅｎｓｏｎ ｅｔ ａｌ）， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． ８４， ２５１３， ２０００
「５」：ジェラール及びガイラル（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）， ”ＣＱＥＤ現象とマイクロ光共振器及びフォトニック結晶の応用（ＣＱＥＤ ｐｈｅｎｏｍｏｎａ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ）” Ｈ． Ｂｅｎｉｓｔｙ， Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ， Ｊ． Ｒｅｒｉｔｙ ａｎｄ Ｃ． Ｗｅｉｓｂｕｃｈ ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ １９９９； ジェラール及びガイラル（Ｊ． Ｍ． Ｇｅｒａｒｄ ａｎｄ Ｂ． Ｇａｙｒａｌ）， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． １７， ２０８９ （１９９９）
「６」：ガイラル他（Ｂ． Ｇａｙｒａｌ ｅｔ ａｌ）， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７２， １４２１， １９９８
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による単一放出源から成る単一光子光源の構成を示す模式図である。
【図２】
図１の光源における光共振器キャビティのモード密度分布を示す線図である。
【図３】
本発明による複数の放出源を有するマイクロカラム光源の構成を示す模式図である。
【図４】
図３の光源における放出源の放出周波数のスペクトル分布とキャビティの基本共振モードとの関係を示す線図である。
【図５】
光源のキャビティ共振モードに関して図３及び図４の放出源の放出周波数のスペクトル分布を部分的に示す線図である。
【図６】
光源を波長１．３μｍ及び３００Ｋで動作させた場合の図４と同じ事項について示す線図である。
【図７】
光源を波長１．３μｍ及び３００Ｋで動作させた場合の図５と同じ事項について示す線図である。
【図８】
電気インパルスによる励起で動作するように設計した場合の本発明による光源の構成を示す模式図である。
【図９】
面放出レーザーによる光学的励起によって動作する本発明による光源の構成を示す模式図である。
【図１０】
図３と同様の光源を光ポンピング方式とし、放出光子の捕集用の光ファイバーを結合した場合の構成を示す模式図である。
【図１１】
図３と同様の光源を電気的ポンピング方式とし、放出光子の捕集用の光ファイバーを結合した場合の構成を示す模式図である。
【図１２】
ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓによるマイクロディスクで構成した場合の本発明による光源を示す模式図である。
【図１３】
図１２のマイクロディスクにおける量子ボックスのモード密度分布をキャビティ共振モードとの比較で示した線図である。
【図１４】
ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５ブラッグ反射鏡形式の本発明による光源の構成を示す模式図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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