ナノ光ファイバーの作製と、それを用いた量子ドットの特性評価
森永実 研究室 竹村 武士
平成 29 年 3 月 10 日
1．序論
光が波動であるのと同時に粒子であるということは量子力学において導入的なもの

2．原理
2.1 ナノ光ファイバーであり、他にも我々の生きる巨視的な世界

ナノ光ファイバーは単一モードの光ファでは起こりえないことが観測される。多くイバーの一部分を極細化し、その直径が伝の特性を検証された光子は、今現在も、多搬光の半波長程度の大きさになったものでくの研究がなされている。量子光学の分野ある（300~600nm）。入射光が可視光範囲

では、その光子一つ一つ制御するための研であるとすると、直径がそのサブ波長程度究が進められており、それらの研究は、量のナノファイバーであれば、伝搬光はその子コンピューター、量子通信などの量子を直径の領域に集中することになり、しみ出用いた情報処理の基盤となる技術になってし部分も含め、ナノファイバー近傍の光のいる。また、単一光子を用いた量子フォト

場のモード密度は伝搬モードの比重が高くニクス通信技術という新しい通信技術が提なる。これにより、ナノファイバーの近く案されている。これは光子 1 個がその量子に原子を配置することで、原子は自由空間状態に情報を持ち、それを保ったまま伝送と異なるモード密度分布の光の場と相互作される技術であり、現在使われている通信用することになる。ファイバー中に入る効技術で起こりうる、盗聴の危険をなくすこ率が最大になるのは、ナノ光ファイバーのとが出来る。量子は観測されると、その量直径が約 0.46λの時であると計算されてい子状態が変化してしまい、その変化が分かる。この時に発生光の約 24%がファイバーってしまうため、原理的に盗聴する事が不中に侵入する事が分かっている。[1]

可能になる。
量子である光子を制御する導波路として、サブ波長の大きさまで極細化された光ファイバーの上に微小光源を置くと、その光応答特性の制御、操作する事が出来ると考え

図 1． ナノ光ファイバーの模式図られている。本研究は、単一光子操作の足掛かりとなる、ナノ光ファイバーの高精度2.2 量子ドットでの作製、ナノ光ファイバー上での半導体

量子ドットは、核、外殻を持つ、ナノス量子ドットの特性評価を実験の目的としてケールの発光体である。大きさは様々であいる

り、5～10nm 程度である。後述するが、量子ドットによって蛍光波長の大きさが異なり、物質あるいはドットのサイズによって変化している。量子ドットは発光する状態

3 実験方法の ON 状態と、ほとんど光を発生しなくな3.1 ナノ光ファイバーの作製る OFF 状態が存在する。この状態を繰り返

ナノ光ファイバーは通信用シリカファイバすことをブリンキングという。[2]ーを加熱、延伸し、テーパファイバ化する事で作った。図は、その製造機であり、中央部分に被覆を取り除いたシリカファイバーを乗せ、加熱、延伸した。塵、埃などの影響を大きく受けるため、ファイバーにそれらが付着しないようにクリーンに保つ必要があった。

図 2．量子ドットの模式図

2.3 単一光子状態の検出
単一光子状態にあるのかを判定するには二つの APD を用いた、ハンブリー・トゥイスの干渉計を用いた。この測定系に入る光はビームスプリッターを用いて二つの経路に半分ずつに分けられる。光が単一光子状態で放出されていると、APD1 にて光子が図 4．ナノ光ファイバー製造機検出された時に、APD2 で同時刻にて光子が検出されることは、起こりえない。それ

3.2 量子ドットの配置

ぞれの APD で光子を検出した時刻の時間ナノスケールの量子ドットをナノ光ファ差τを取り、規格化された強度相関イバーの表面に付加するためには、トルエ

𝑔(2)(τ) (時間差でやってくる確立に比例)で表すと、𝑔(2) (0) = 0 となる。[3]ンによって希釈された量子ドット溶液を用いる。ニードルディスペンサーを用いて、ニードル(5µm)先端に、量子ドット溶液を付着させ、ナノ光ファイバーに配置する。溶媒であるアセトンは揮発して無くなるため、量子ドットのみがファイバー表面に残る仕組みである。倒立顕微鏡で x、y 軸、ニードルディスペンサーで z 軸の制御をして配置する。光をファイバー中に伝搬させながら行い、ドットによる光の散乱を見る事で、

図 3．強度相関測定の概略量子ドットが配置された事を確認した。ドットの配置は 20µm 間隔で行った。

4.1 ナノ光ファイバー
図 7 は横軸にファイバーの位置、縦軸に直径の大きさを取ったものである。2-4mm の位置で直径がほぼ均一になっており、量子ドットの配置に適した構造を創ることが出来た。また、このファイバーの透過率は 99%であり、ほとんどロスなく延伸が出来た。

図 5. 量子ドット配置の実験系

3.3 強度相関、スペクトル検出

図 7．ナノ光ファイバーの直径量子ドットを発光させるために、530nmのレーザーを用いた。レーザーは対物レン

4.2 量子ドットの特性評価ズで集光され、1 つの配置場所を励起する。

図 8 は、量子ドットの規格化された強度レンズフィルターで 530nm のレーザー光相関を表している。時間差 0 の部分で大きをカットし、発光した光のみをスペクトルく値が下がっており、時間差が大きくにな測定器、強度相関測定系でそれぞれ測定しるにつれ、強度相関の値も指数関数的に増た。

加し、およそ一定の値を取っている。𝑔(2) (0)の値は 0.147 となっており、完全ではないが、単一光子状態の光を観測することが出来た。

図 6．量子ドットの特性評価

4．実験結果、考察

図 8．量子ドットの強度相関図 9 は量子ドットのスペクトルを表してManipulating

SingleAtoms

andSingle

いる。中心ピークの波長は 642nm であり、Photons(Experimental Development “ 日本物

その半値幅は 23nm となっている。量子ド

理學會誌 70(1), 36-44, 2015-01-05

ットのスペクトルは鋭いピークを持ってお[2] Ramachandrarao Yalla “Single Photon

らず、ある程度の幅を持つ事が分かる。

Generation and Spectroscopy Using
Quantum Dots on Optical Nanofibers”
December 2012[3] 修士学位論文「半導体ナノ粒子が放出する単一光子の強度相関とスペクトル」
芥川 嘉成 広域科学専攻 相関基礎科
学系 平成 23 年度

図 9．量子ドットのスペクトル
5． まとめ、展望
ナノ光ファイバーという、近傍の光のモード密度が伝搬モードに大きく集中している伝送路を用いる事で、単一光子発生源として用いた量子ドットの発光の特性を見た。量子ドット一つだけ配置することで、その単一光子発生源であることを確認することが出来た。
量子ドットのスペクトルなどの振る舞いは未だ解明されていない事が多い。冷却機内でスペクトルを測定するとピークがいくつかに分かれる事が観測されており、その原因を解明することが課題である。ナノ光ファイバーの使用によって、24%程度の光をファイバーに入れることが出来るが、残りの光は外部に放出されてしまっている。ファイバーに入る効率を増加させるために、は共振器などを用いる方法がある。

参考文献
[1]

Hakuta Kohzo “Optical Nanofibers for