(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに等しい共鳴準位を持つ略同一のサイズの量子ドットを複数に亘り伝送方向に向けて列状に配置させた量子ドット列における伝送方向終端に位置する第１の量子ドットに近接配置されてなり、当該第１の量子ドットよりも大体積で構成されるとともに当該量子ドットから光励起担体が注入される共鳴準位を有し、当該共鳴準位から下位準位へ上記光励起担体を散逸させる２以上の出力端の量子ドットとを備え、
上記出力端の量子ドットにおける光励起担体の散逸に基づいて、上記第１の量子ドットから上記出力端の量子ドットへ光励起担体を上記共鳴準位を介して伝送させ、
上記２以上の出力端の量子ドットの下位準位における光励起担体の占有状態に応じて、上記光励起担体を移動させる上記出力端の量子ドットを選択可能とされていること
を特徴とする量子ドットを用いた光伝送路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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量子ドットを用いた光伝送路に関する。
【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、光励起担体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。この光励起担体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】
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演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。このためには、電気配線の限界を打破する必要があるところ、ナノスケールの光インターコネクション技術の実現化が期待されている。
【０００５】
しかしながら、従来の光配線技術において、その空間密度は光の回折限界により支配されるため、占有体積や配線密度を光の波長程度以下に微小化することは困難であり、高密度化が期待される将来システムの要件を満たすことができないという問題点があった。
【０００６】
また、配線の高密度化や複雑化に伴い、複数の配線をクロスさせる必要も出てくる。即ち、配線の交差をナノスケールで実現可能な光インターコネクション技術も創出する必要がある。電気配線の場合には配線の短絡を避けるために例えば多層配線等を施すことにより対処していたが、光インターコネクションの場合には、交差部で信号間の干渉が生じない条件を満たす必要がある。このためには、導波路の交差角度を一定程度大きくする必要があるが、占有面積を小さく抑えることは極めて困難であるという問題点が生じることになる。
【０００７】
更に、従来の光配線において複数の入力端子と複数の出力端子が存在したときに、入出力関係を再構成するためには、光の伝搬経路を切り替えるための光スイッチが必要となるが、かかる光スイッチは光の回折限界に支配され、しかも占有体積の大きなデバイスとして構成される。このため、光入出力の切り替え機能をこの光スイッチで担わせる構成では、デバイス全体をコンパクトに仕上げることが困難になるという問題点があった。
【非特許文献１】M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,andT.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.,Vol.8,pp.839-862(2002).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このため、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、その目的とするところは、ナノスケールの光インターコネクション技術を実現する上で、光の回折限界に支配されることなく微小化することが可能な、光の伝搬経路を切り替えるための光スイッチとしての機能を担う量子ドットを用いた光伝送路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明を適用した量子ドットを用いた光伝送路は、上述した課題を解決するために、互いに等しい共鳴準位を持つ略同一のサイズの量子ドットを複数に亘り伝送方向に向けて列状に配置させた量子ドット列における伝送方向終端に位置する第１の量子ドットに近接配置されてなり、当該第１の量子ドットよりも大体積で構成されるとともに当該量子ドットから光励起担体が注入される共鳴準位を有し、当該共鳴準位から下位準位へ上記光励起担体を散逸させる２以上の出力端の量子ドットとを備え、上記出力端の量子ドットにおける光励起担体の散逸に基づいて、上記第１の量子ドットから上記出力端の量子ドットへ光励起担体を上記共鳴準位を介して伝送させ、上記２以上の出力端の量子ドットの下位準位における光励起担体の占有状態に応じて、上記光励起担体を移動させる上記出力端の量子ドットを選択可能とされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上述した構成からなる本発明によれば、光の回折限界に支配されることのない、ナノメータサイズの光スイッチを実現することが可能となり、占有体積をより小さくすることでデバイス全体をコンパクトに仕上げることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
先ず、本発明を適用した量子ドットを用いた光伝送路の構成について説明をする。光伝送路１は、例えば図１の模式図に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の材料により構成される誘電性の基板上に列状に配置させた複数の量子ドット１２からなる第１の量子ドット列１３と、この第１の量子ドット列１３における伝送方向終端に位置する量子ドット１２ｂに近接配置されてなり、当該量子ドット１３ｂよりも大体積で構成される第１出力端の量子ドット１４とを有する第１の伝送路１６を備えている。
【００１５】
また、この光伝送路１は、基板上に列状に配置させた複数の量子ドット２２からなる第２の量子ドット列２３と、この第２の量子ドット列２３における伝送方向終端に位置する量子ドット２２ｂに近接配置されてなり、当該量子ドット２２ｂよりも大体積で構成される第２出力端の量子ドット２４とを有する第２の伝送路２６を備えている。
【００１６】
第１の伝送路１６は、伝送方向始端に位置する量子ドット１２ａから終端に位置する量子ドット１２ｂを介して量子ドット１４へと情報伝送を行う。また、第２の伝送路２６は、伝送方向始端に位置する量子ドット２２ａから終端に位置する量子ドット２２ｂを介して量子ドット２４へと情報伝送を行う。この情報の伝送は、光励起担体を介して行う。
【００１７】
ちなみに、この図１の例において、第１の伝送路１６は、第２の伝送路２６に対して互いに交差することなく配置されている場合を示しており、具体的には第１の伝送路１６と第２の伝送路２６とは略平行に配置されている。第１の伝送路１６は、第２の伝送路２６に対して、互いに離間されていてもよいし、互いに接触する位置まで近接配置されていてもよい。
【００１８】
各量子ドット１２、１４、２２、２４は、光励起担体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（光励起担体）を制御する。この量子ドット１２、１４、２２、２４においては、光励起担体の閉じ込め系により、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、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。なお、この量子ドット１２、１４、２２、２４において扱う光励起担体は、励起子、電子、正孔等のいかなる光励起担体に代替することが可能となる。
【００１９】
量子ドット１２、１４、２２、２４は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、各量子ドット１２、１４、２２、２４を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２、１４、２２、２４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。この各量子ドット１２、１４、２２、２４の辺長や径は、それぞれ４ｎｍ〜１０ｎｍ程度で構成することも可能となり、光の回折限界と比較してより小さいサイズで基板上に形成させることも可能となる。
【００２０】
ここで量子ドット１２、１４、２２、２４がそれぞれ立方体として構成されている場合において、量子ドット１２、２２の辺長Ｌとしたとき、量子ドット１４、２４の辺長は、√２Ｌとなる。
【００２１】
これら各量子ドット１２、１４、２２、２４はブリッジマン法や分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板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。
【００２２】
ここで第１の量子ドット列１３を構成する量子ドット１２は、量子ドット１４との間で、また第２の量子ドット列２３を構成する量子ドット２２は、量子ドット２４との間で、近接場−近接場相互作用を起こす。そして、量子ドット１４、２４には、量子ドット１２、２２から遷移してきた光励起担体に基づいて出力光を発光する。
【００２３】
各量子ドット１２、１４、２２、２４における量子準位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。
【００２４】
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx2+ny2+nz2）・・・・・（１）
【００２５】
なお、本発明では、量子ドットの形状や材質に応じて、この式（１）で定義される量子準位Ｅ（nx,ny,nz）の式以外に、他の一般的な量子準位の式が適用される場合もある。
【００２６】
この式（１）に基づき、各量子ドット１２、１４、２２、２４のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで量子ドット１２と、量子ドット１４との辺長比は、１：√２であるとき、図２に示すように、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、量子ドット１４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、量子ドット１２の量子準位（１,１,１）は、量子ドット１４における量子準位（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。
【００２７】
ここで、第１の量子ドット列１３において伝送方向始端に位置する量子ドット１２ａから終端に位置する量子ドット１２ｂを介して量子ドット１４へと光励起担体を伝送する場合には、量子ドット１２ａに対して、その量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１の光信号Ａを供給することにより、かかる量子準位へ光励起担体を励起させる。この励起された光励起担体が仮に量子ドット１２ｂまで移動した場合には、かかる量子ドット１２ｂにおける（１,１,１）と量子ドット１４における量子準位（２,１,１）との間で共鳴が生じる。その結果、量子ドット１２ｂにおける量子準位（１,１,１）に存在する光励起担体が、量子ドット１４の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらに量子ドット１４の量子準位（１,１,１）へ遷移する。この結果、見かけ上量子ドット１２ｂから量子ドット１４へ光励起担体が移動することになる。
【００２８】
そして、量子ドット１２ｂにおける量子準位（１,１,１）が空位になると、この量子ドット１２ｂに向けて光励起担体が移動しようとするため、結果として量子ドット１２ａから量子ドット１２ｂへと光励起担体を移動させることが可能となる。即ち、この第１の量子ドット列１３の終端に位置する量子ドット１２ｂに、当該量子ドットよりも大体積で構成される量子ドット１４を近接配置させ、量子ドット１４における共鳴準位から下位準位へ光励起担体を散逸させる。その結果、この量子ドット１４における光励起担体の散逸に基づいて、第１の量子ドット列１３の伝送方向始端から終端に向けて光励起担体を共鳴準位を介して量子ドット間で伝送させることが可能となる。
【００２９】
同様に第２の伝送路２６についても、同様のメカニズムに基づいて光励起担体を伝送することができる。第２の伝送路２６において伝送方向始端に位置する量子ドット２２ａから終端に位置する量子ドット２２ｂを介して量子ドット２４へと光励起担体を伝送する場合には、量子ドット２２ａに対して、その量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω２の光信号Ｂを供給することにより、かかる量子準位へ光励起担体を励起させる。この励起された光励起担体が仮に量子ドット２２ｂまで移動した場合には、かかる量子ドット２２ｂにおける量子準位（１,１,１）と量子ドット２４における量子準位（２,１,１）との間で共鳴が生じる。その結果、量子ドット２２ｂにおける量子準位（１,１,１）に存在する光励起担体が、量子ドット２４の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらに量子ドット２４の量子準位（１,１,１）へ遷移する。この結果、見かけ上量子ドット２２ｂから量子ドット２４へ光励起担体が移動することになる。
【００３０】
そして、量子ドット２２ｂにおける量子準位（１,１,１）が空位になると、この量子ドット２２ｂに向けて光励起担体が移動しようとするため、結果として量子ドット２２ａから量子ドット２２ｂへと光励起担体を移動させることが可能となる。即ち、この第２の量子ドット列２３の終端に位置する量子ドット２２ｂに、当該量子ドットよりも大体積で構成される量子ドット２４を近接配置させ、量子ドット２４における共鳴準位から下位準位へ光励起担体を散逸させる。その結果、この量子ドット２４における光励起担体の散逸に基づいて、第１の量子ドット列２３の伝送方向始端から終端に向けて光励起担体を共鳴準位を介して量子ドット間で伝送させることが可能となる。
【００３１】
ちなみに、この量子ドット２２ａに対して供給する光信号Ｂの周波数ω２は、光信号Ａの周波数ω１と互いに異なる。このため第２の量子ドット列２３を構成する量子ドット２２における量子準位（１,１,１）は、第１の量子ドット列１３を構成する量子ドット１２における量子準位（１,１,１）と互いに異なるエネルギー準位を持つことになる。また量子ドット２２における量子準位（１,１,１）と共鳴する量子ドット２４の量子準位（２,１,１）と、量子ドット１２における量子準位（１,１,１）と共鳴する量子ドット１４の量子準位（２,１,１）とは互いに異なるエネルギー準位を持つことになる。
【００３２】
従って、第１の光伝送路１６を伝送する光励起担体が途中で第２の光伝送路２６へと移り、或いは第２の光伝送路２６を伝送する光励起担体が途中で第１の光伝送路１６へと移るのを防止することが可能となる。即ち、第１の光伝送路１６と第２の光伝送路間で送信すべき情報が混信してしまうのを防止することが可能となる。
【００３３】
このように、本発明を適用した光伝送路１は、占有体積や配線密度を光の波長程度以下に微小化することが可能となり、しかも互いの光伝送路の混信を防止することが可能となることから、高密度化が期待される将来システムの要件を満たすことが可能となる。
【００３４】
なお本発明は、図３に示す光伝送路２のように、第１の光伝送路１６と、第２の光伝送路２６とを互いに交差させるようにして配置するようにしてもよい。この第１の光伝送路１６と第２の光伝送路２６をそれぞれ構成する各量子ドット１２、１４、２２、２４のエネルギー準位、並びに光励起担体の移動態様は、上述した図２の説明を引用することにより、以下での説明を省略する。
【００３５】
このようなクロス配置型の光伝送路２は、配線の交差をナノスケールで実現することが可能となる。特に本発明では、量子ドット１２、１４を並べるだけで光インターコネクションを実現することが可能となり、電気配線の場合等のように配線の短絡を避けるために例えば多層配線等を施す必要が無くなり、交差部で信号間の干渉を抑えることが可能となる。また、占有体積や配線密度を光の波長程度以下に微小化することが可能となる。
【００３６】
なお、上述のような光伝送路１、２を組み合わせることにより、光の波長限界以下のサイズからなるナノメータサイズの光インターコネクション回路を実現することも可能となる。また、この光伝送路１、２は、それぞれを構成する量子ドット１２、１１４、２２、２４が互いに接触するように配置されていても、所期の効果を奏することになり、より超小型のインターコネクション回路を混信することなく実現することも可能となる。
【００３７】
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。例えば図４に示す光伝送路３のように、光励起担体の移動方向に選択性を持たせるようにしてもよい。
【００３８】
この光伝送路３は、基板上に列状に配置させた複数の量子ドット１２からなる第１の量子ドット列１３と、この第１の量子ドット列１３における伝送方向終端に位置する量子ドット１２ｂに近接配置されてなり、当該量子ドット１２ｂよりも大体積で構成される２つの出力端の量子ドット３４ａ、３４ｂとを有する。この光伝送路３において、上述した光伝送路１と同一の構成要素、部材に関しては同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。
【００３９】
量子ドット１２と、出力端の量子ドット３４ａ、３４ｂとの辺長比は、１：√２であるとき、図４に示すように、量子ドット１２における量子準位が（１,１,１）であるときのエネルギー準位Ｅ１と、出力端の量子ドット３４ａ、３４ｂにおける量子準位が（２,１,１）であるときのエネルギー準位Ｅ２とが等しくなる。即ち、量子ドット１２の量子準位（１,１,１）は、量子ドット３４ａ、３４ｂにおける量子準位（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。
【００４０】
このように、第１の量子ドット列１３の終端に位置する量子ドット１２ｂに、当該量子ドット１２ｂよりも大体積で構成される量子ドット３４ａ、３４ｂを近接配置させ、量子ドット３４ａ、３４ｂにおける共鳴準位から下位準位Ｅ３へ光励起担体を散逸させる。この量子ドット３４ａ、３４ｂにおける光励起担体の散逸に基づいて、量子ドット１２ｂから量子ドット３４ａ、３４ｂへ共鳴準位を介して光励起担体を移動させることが可能となる。
【００４１】
このとき、２つの量子ドット３４ａ、３４ｂのうち何れかについて、下位準位Ｅ３における光励起担体の占有状態をコントロールする。仮に図５に示すように量子ドット３４ｂの下位準位Ｅ３を光励起担体により予め占有させておく。その結果、この量子ドット３４ｂでは、共鳴準位Ｅ２から下位準位Ｅ３へ光励起担体を散逸させることができなくなり、量子ドット１２から量子ドット３４ｂへ光励起担体を伝送することができなくなる。量子ドット１２からの光励起担体は、量子ドット３４ａのみに移動することになる。即ち、光励起担体を移動させるべき出力端の量子ドット３４は、下位準位Ｅ３に光励起担体を占有させていない側へ選択性を持たせることが可能となる。
【００４２】
このため、光伝送路３により、光の回折限界に支配されることのない、ナノメータサイズの光スイッチを実現することが可能となり、占有体積をより小さくすることでデバイス全体をコンパクトに仕上げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用した量子ドットを用いた光伝送路の構成図である。
【図２】本発明を適用した量子ドットを用いた光伝送路のエネルギーバンド図である。
【図３】第１の光伝送路と、第２の光伝送路とを互いに交差させて配置した例を示す図である。
【図４】光励起担体の移動方向に選択性を持たせた場合について説明するための図である。
【図５】光励起担体の移動方向に選択性を持たせた場合について説明するための他の図である。
【符号の説明】
【００４４】
１〜３  光伝送路
１２  １４、２２、２４  量子ドット
１３、２３  量子ドット列
１６、２６  光伝送路
【図１】
0004913016.tif 000002
【図２】
0004913016.tif 000003
【図３】
0004913016.tif 000004
【図４】
0004913016.tif 000005
【図５】
0004913016.tif 000006