JP2006060143A - Optical-fiber type single photon generating element and single photon generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子暗号通信に用いる、単一の光子を発生するための素子および装置に関する。ここで、「単一」とは、ただ1つであることを意味する。 The present invention relates to an element and apparatus for generating a single photon used in quantum cryptography communication. Here, “single” means that there is only one.
半導体量子ドット(以下、単に量子ドットと記す。)は、直径が数nmから百nm程度の半導体微粒子であり、電子正孔対が空間的に強く閉じ込められることで励起子準位が離散化し、理想的な2準位系を提供する。この2準位系に1個の電子が励起されている場合は、パウリの排他率に従い2個目の電子を1個目の電子と同じエネルギー準位に励起することはできない。 A semiconductor quantum dot (hereinafter simply referred to as a quantum dot) is a semiconductor fine particle having a diameter of about several nanometers to a hundred nanometers, and exciton levels are discretized by electron-hole pairs being spatially confined. Provides an ideal two-level system. When one electron is excited in the two-level system, the second electron cannot be excited to the same energy level as the first electron according to the Pauli exclusion rate.
励起された電子が正孔と結合して光子を放出する時間間隔は、励起子の輻射寿命程度である。このため、量子ドットから放出される光子の時間間隔は、必ず輻射寿命以上の間隔となる。この性質によって、量子ドットから放出される光子の統計性が変化し、アンチバンチング光と呼ばれる光が発生する(非特許文献1参照)。 The time interval at which the excited electrons combine with the holes to emit photons is about the radiation lifetime of the excitons. For this reason, the time interval between photons emitted from the quantum dots is always longer than the radiation lifetime. Due to this property, the statistical properties of the photons emitted from the quantum dots change, and light called anti-bunching light is generated (see Non-Patent Document 1).
上記の性質から、電子を励起するタイミングをパルス光によって制御することで、所望の時間に単一の光子を発生させることが可能になる。これにより、量子情報通信における単一光子光源を実現することができる。 From the above property, it is possible to generate a single photon at a desired time by controlling the timing of exciting electrons with pulsed light. Thereby, the single photon light source in quantum information communication is realizable.
ところで、量子ドットの輻射寿命には、半導体の種類にもよるが、100ps〜数ns程度である。これは、単一の光子が放出されるタイミングが、量子ドット中の電子が励起された後に、この輻射寿命の範囲で揺らぐことを意味している。すなわち、量子ドットからの単一の光子の放出には、光子放出の時間揺らぎが存在する。量子暗号通信システムでは、送信側から単一の光子の時間パルス列を送信し、受信側でその送信された単一の光子の時間パルス列を受信することで、送受信者間での暗号鍵の共有を実現する。光子放出の時間揺らぎが、量子暗号通信システムで要求される処理時間、例えば受信側の単一光子検出器のゲート時間幅より大きいと、受信側で、単一の光子の時間パルス列を係数する際に、光子の数え落としを生じ、光子計数の確率が低下することになる。 By the way, the radiation lifetime of the quantum dot is about 100 ps to several ns, although it depends on the type of semiconductor. This means that the timing at which a single photon is emitted fluctuates within this radiation lifetime after the electrons in the quantum dot are excited. That is, there is a time fluctuation of photon emission in the emission of a single photon from a quantum dot. In a quantum cryptography communication system, a single photon time pulse train is transmitted from the transmitting side, and a single photon time pulse train is received on the receiving side, thereby sharing the encryption key between the sender and the receiver. Realize. When the time fluctuation of the photon emission is larger than the processing time required in the quantum cryptography communication system, for example, the gate time width of the single photon detector on the receiver side, the time pulse sequence of the single photon is calculated on the receiver side. In addition, the number of photons is counted down, and the probability of photon counting is lowered.
量子ドットが単一の光子を放出する自然放出確率(これは、輻射寿命の逆数で与えられる)を大きくすることで、光子放出の時間揺らぎを小さくすることができる。単位時間当たりの光子の自然放出確率は、1)量子ドットが存在する空間モードにおける電場の振幅の二乗、2)量子ドットが存在する空間の周波数モード密度、3)励起された電子の双極子モーメントの二乗、といった3つの項目の積に比例する。これら項目のうち、3)の項目は、半導体よりなる量子ドットに固有の量である。残りの1)および2)の項目は、量子ドットを配置する環境に依存する。 Increasing the probability of spontaneous emission at which a quantum dot emits a single photon (which is given by the reciprocal of the radiation lifetime) can reduce the time fluctuation of photon emission. The spontaneous emission probability of photons per unit time is 1) the square of the amplitude of the electric field in the spatial mode in which the quantum dots exist, 2) the frequency mode density in the space in which the quantum dots exist, and 3) the dipole moment of the excited electrons. Is proportional to the product of three items such as the square of. Among these items, item 3) is a quantity specific to quantum dots made of semiconductor. The remaining items 1) and 2) depend on the environment in which the quantum dots are arranged.
また、量子暗号通信システムでは、量子ドットから放出された光子を、光学系を介して取り出す必要がある。光子は、量子ドットから全立体角中に放出されるが、光学系を介して光子を取り出す場合は、取り出すことが可能な光子の数は、その光学系の立体角によって制限されることになる。 In a quantum cryptography communication system, it is necessary to take out photons emitted from quantum dots through an optical system. Photons are emitted from quantum dots into all solid angles, but when photons are extracted via an optical system, the number of photons that can be extracted is limited by the solid angle of the optical system. .
上記のことから、単一の量子ドットから放出される光子を量子暗号通信に利用するためには、1)自然放出確率を大きくして光子放出の時間揺らぎを可能な限り小さくすること(第1の技術課題)、2)全立体角中に放出される光子を効率良く取り出すことができるように、光子が放出される空間を制限すること(第2の技術課題)、といった2つの課題を解決し、暗号鍵の生成レートを向上させる必要がある。 From the above, in order to use photons emitted from a single quantum dot for quantum cryptography communication, 1) To increase the spontaneous emission probability and to minimize the time fluctuation of photon emission (first) To solve the two problems of limiting the space where the photons are emitted (second technical problem) so that the photons emitted in all solid angles can be efficiently extracted. However, it is necessary to improve the encryption key generation rate.
第1及び第2の技術課題を解決する手法として、微小共振器を用いて単一の量子ドットを電場と効率良く結合させる方法が考えられる。共振器長が波長程度の微小な共振器では、内部に許容される共振器モードの数が少なくなり、許容される共振器モードでは電場の閉じ込めが強く起こる。量子ドットの共鳴エネルギーに共振器モードを合わせることで、量子ドットを電場と強く結合させ、自然放出確率を大きくすることが可能である。非特許文献2、3には、微小共振器中の電場と量子ドットとの結合を実現した例が報告されている。これらの微小共振器は、高いQ値を示すことが知られており、量子ドットと電場の結合効率は高い。 As a technique for solving the first and second technical problems, a method of efficiently coupling a single quantum dot with an electric field using a microresonator is conceivable. In a minute resonator having a resonator length of about a wavelength, the number of resonator modes allowed inside is reduced, and in an allowed resonator mode, electric field confinement occurs strongly. By matching the resonator mode with the resonance energy of the quantum dot, the quantum dot can be strongly coupled to the electric field, and the probability of spontaneous emission can be increased. Non-Patent Documents 2 and 3 report examples in which coupling between an electric field in a microresonator and a quantum dot is realized. These microresonators are known to exhibit high Q values, and the coupling efficiency between quantum dots and electric fields is high.
量子ドットと電場の効率の良い結合を図る手法としては、上記の微小共振器を用いる方法の他に、光ファイバ(シングルモードファイバ)の使用が考えられる。光ファイバ内では、特定の空間モードの光のみが伝搬されることから、量子ドットから放出された光子を特定の空間モードに結合させることで、光子を効率良く取り出すことが可能となる。特許文献1には、光ファイバのコア層において、光ファイバの径方向における電場の閉じ込めを利用するものが記載されている。この公報に記載のものでは、光ファイバは管状のガラスクラッドによって構成されており、量子ドット充填部全体がコアとされている。量子ドットを充填した光ファイバは、他の光ファイバ素子との結合が容易であり、また、その取り扱いが簡便である、という利点がある。 As a method for achieving efficient coupling between the quantum dots and the electric field, use of an optical fiber (single mode fiber) is conceivable in addition to the method using the microresonator. Since only light of a specific spatial mode is propagated in the optical fiber, it is possible to efficiently extract photons by coupling the photons emitted from the quantum dots to the specific spatial mode. Patent Document 1 describes an optical fiber core layer that uses confinement of an electric field in the radial direction of an optical fiber. In the thing described in this gazette, the optical fiber is comprised by the tubular glass clad, and the whole quantum dot filling part is made into the core. An optical fiber filled with quantum dots is advantageous in that it can be easily combined with other optical fiber elements and is easy to handle.
最近では、光ファイバのコア近傍に、コアと平行して中心軸方向に多数の細孔を有するフォトニッククリスタルファイバが考案されている(非特許文献4参照)。このフォトニッククリスタルファイバでは、クラッド領域に周期的に設けられた細孔によって、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることが可能であり、ファイバ中の横モードのモードフィールド径を通常のシングルモードファイバよりも小さくすることができる。特許文献2には、この特徴を利用して、フォトニッククリスタルファイバのコア部に集中する電場を利用する例が記載されている。さらに、特許文献2には、フォトニッククリスタルファイバのコア部分に光増幅作用または非線形光学効果を高める機能性材料をドープすることが提案されている。
しかしながら、上述した従来の手法を適用して単一光子発生装置を実現する場合には、以下のような問題がある。 However, when the single photon generator is realized by applying the conventional method described above, there are the following problems.
微小共振器では、Q値が高く、許容される周波数モードが限定されているため、量子ドットが単一の光子を放出する自然放出確率が著しく大きくなることが知られている。このため、自然放出確率を大きくするという観点からは非常に有効な手法であると言える。しかしながら、Q値が大きいため、量子ドットから放出された光子が、共振器内に長く留まり、共振器外に出るまでに時間がかかる。このため、単一の光子の発生時間の制御し易さ(制御性)という点において、不利なものになってしまう。この単一の光子の発生時間の制御性も、単一光子発生装置を実現する上で重要とされている。 It is known that a microresonator has a high Q value and a limited allowable frequency mode, so that the probability of spontaneous emission in which a quantum dot emits a single photon is significantly increased. For this reason, it can be said that it is a very effective method from the viewpoint of increasing the spontaneous emission probability. However, since the Q value is large, it takes a long time for the photons emitted from the quantum dots to stay in the resonator for a long time and to exit the resonator. This is disadvantageous in terms of ease of control (controllability) of the generation time of a single photon. Controllability of the generation time of this single photon is also important in realizing a single photon generator.
量子ドットがコア全体に充填される特許文献1に記載の光ファイバでは、量子ドットから放出される光子は、光ファイバ内の特定の空間モードに結合し、光ファイバ内を伝搬することができることから、第2の技術課題を解決するという点においては、非常に有効である。また、微小共振器に見られるような共振器内への光子の閉じ込めも起きないため、光子の取り出しに時間がかかることもない。しかしながら、この場合は、以下のような問題がある。 In the optical fiber described in Patent Document 1 in which the quantum dot is filled in the entire core, photons emitted from the quantum dot can be coupled to a specific spatial mode in the optical fiber and propagate in the optical fiber. This is very effective in solving the second technical problem. Further, since the photon is not confined in the resonator as seen in the microresonator, it takes no time to take out the photon. However, this case has the following problems.
シングルモードファイバの場合、コアの径方向に形成される電場密度は、コアの中心部において最も高く、中心から離れるに従って除々に小さくなる。特許文献1に記載の光ファイバは、量子ドットを溶媒中に懸濁した液を管状のガラスクラッド中に充填する構造であるため、充填された量子ドットは、中空部分(コア部)を流動する。この量子ドットの流動は、径方向においても生じることから、量子ドットは、光ファイバ中の横モードの電場が一定である位置に安定して存在することができない。このため、一定の自然放出確率を得ることができない。加えて、量子ドットがコアの壁近傍に位置する場合の電場密度はコア中心に比較して低い値となり、その場合、自然放出確率は低いものとなる。このようなことから、特許文献1に記載の光ファイバを適用した場合は、第1の技術課題を解決するという点において、不十分なものとなってしまう。 In the case of a single mode fiber, the electric field density formed in the radial direction of the core is highest at the center of the core, and gradually decreases as the distance from the center increases. Since the optical fiber described in Patent Document 1 has a structure in which a liquid in which quantum dots are suspended in a solvent is filled in a tubular glass clad, the filled quantum dots flow through a hollow portion (core portion). . Since this quantum dot flow also occurs in the radial direction, the quantum dot cannot stably exist at a position where the transverse mode electric field in the optical fiber is constant. For this reason, a certain spontaneous emission probability cannot be obtained. In addition, the electric field density when the quantum dots are located in the vicinity of the core wall is lower than that of the core center, and in this case, the spontaneous emission probability is low. For this reason, when the optical fiber described in Patent Document 1 is applied, it is insufficient in terms of solving the first technical problem.
特許文献2に記載の光ファイバを適用した場合も、量子ドットをコア全体に充填するような構成となる。このため、量子ドットがコアの壁近傍に位置する場合は、電場密度がコア中心に比較して低い値となり、自然放出確率が低くなる。よって、この場合も、第1の技術課題を解決するという点において、不十分なものとなってしまう。 Even when the optical fiber described in Patent Document 2 is applied, the entire core is filled with quantum dots. For this reason, when a quantum dot is located near the wall of a core, an electric field density becomes a low value compared with a core center, and spontaneous emission probability becomes low. Therefore, in this case, it is insufficient in terms of solving the first technical problem.
本発明の目的は、上記問題を解決し、光子放出の時間揺らぎを可能な限り小さくすることができ、かつ、光子を効率良く取り出すことができる光ファイバ型単一光子発生素子およびそれを用いた単一光子発生装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to reduce the time fluctuation of photon emission as much as possible, and to use an optical fiber type single photon generator capable of efficiently extracting photons and the same. It is to provide a single photon generator.
上記目的を達成するため、本発明は、単一の光子を放出する少なくとも1つの量子ドットが充填された中空細孔が、前記単一の光子の波長において横モードが単一モードとされたコアの中心部に設けられている。この構成によれば、コアの径方向に形成される単一横モード中の電場密度はコアの中心部ほど高くなることから、中空細孔は、電場密度のより高い部分に設けられる。このように形成された中空細孔においては、径方向において中心から最も離れた位置(壁付近)においても、十分に高い電場密度を得られ、その電場密度と中心における電場密度との差も十分に小さいものとなる。よって、量子ドットが中空細孔内を半径方向に流動したとしても、量子ドットを常に高い電場と結合させることが可能である。また、量子ドットが中空細孔内の壁付近に位置する場合も、量子ドットを高い電場と結合させることが可能である。このように、量子ドットは、中空細孔内のどの位置においても、高い電場との結合が安定し行われるので、自然放出確率は、コア全体に量子ドットが充填される従来のものと比較して、より高く、かつ、一定なものとなる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a core in which a hollow pore filled with at least one quantum dot emitting a single photon has a transverse mode of a single mode at the wavelength of the single photon. Is provided at the center. According to this configuration, since the electric field density in the single transverse mode formed in the radial direction of the core becomes higher toward the center of the core, the hollow pores are provided in a portion where the electric field density is higher. In the hollow pores formed in this way, a sufficiently high electric field density can be obtained even at the position farthest from the center in the radial direction (near the wall), and the difference between the electric field density and the electric field density at the center is also sufficient. It will be small. Therefore, even if the quantum dot flows in the radial direction in the hollow pore, it is possible to always couple the quantum dot with a high electric field. It is also possible to couple the quantum dot with a high electric field when the quantum dot is located near the wall in the hollow pore. As described above, since the quantum dot is stably coupled with a high electric field at any position in the hollow pore, the spontaneous emission probability is compared with the conventional one in which the entire core is filled with the quantum dot. Higher and more constant.
本発明によれば、自然放出確率をより高く、かつ、一定なものとすることができるので、光子放出の時間ゆらぎを可能な限り小さくすることができ、それにより、光子の数え落としが低減し、光子計数の確率が向上する、という効果がある。 According to the present invention, since the spontaneous emission probability can be made higher and constant, the time fluctuation of the photon emission can be made as small as possible, thereby reducing the counting off of photons. There is an effect that the probability of photon counting is improved.
加えて、光子放出の時間ゆらぎを小さくすることで、単一の光子の発生時間の制御性も向上する、という効果がある。 In addition, there is an effect that the controllability of the generation time of a single photon is improved by reducing the time fluctuation of the photon emission.
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は、本発明の第1の実施形態である単一光子発生装置の構成を示す図である。この単一光子発生装置は、励起光源1と、半導体量子ドット(以下、単に量子ドットと記す)が充填された光ファイバ2とから構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a single photon generation apparatus according to the first embodiment of the present invention. This single photon generator comprises an excitation light source 1 and an optical fiber 2 filled with semiconductor quantum dots (hereinafter simply referred to as quantum dots).
励起光源1は、外部信号によって駆動されるものであって、パルス状の励起光を発生する。励起光源1によって生成されたパルス状の励起光は、光ファイバ2内に供給され、光ファイバ2中に含まれている量子ドットを励起する。この励起光は、励起された量子ドットから放出される光子よりもエネルギーの高い励起状態に共鳴したエネルギーを持つ。励起光源1は、励起光の強度が量子ドットの電子をひとつだけ励起する程度の強度になるように調節する機能を備える。 The excitation light source 1 is driven by an external signal and generates pulsed excitation light. The pulsed excitation light generated by the excitation light source 1 is supplied into the optical fiber 2 and excites the quantum dots contained in the optical fiber 2. This excitation light has energy that resonates in an excited state with higher energy than the photons emitted from the excited quantum dots. The excitation light source 1 has a function of adjusting the intensity of the excitation light so that the intensity of the excitation light is such that only one electron of the quantum dot is excited.
光ファイバ2は、最も特徴となる光ファイバ型単一光子発生素子を構成する部分であって、発生すべき波長の光子を放出する単一の量子ドットを、光ファイバ内の横モードにおける電場密度がより高い位置に保持するようにした点を特徴とする。以下、この光ファイバ2の構成について具体的に説明する。 The optical fiber 2 is a part constituting the most characteristic optical fiber type single photon generating element, and a single quantum dot that emits a photon having a wavelength to be generated is converted into an electric field density in a transverse mode in the optical fiber. Is characterized by being held at a higher position. Hereinafter, the configuration of the optical fiber 2 will be specifically described.
図2に、光ファイバ2の構成を示す。図2を参照すると、光ファイバ2は、中心部に中空細孔8を備えるコア6と、このコア6の外周を覆うように設けられたクラッド7とを有する。中空細孔8内には、少なくとも一つの量子ドット9が充填されている。量子ドット9は、発生すべき波長において単一の光子を放出するものであって、例えばPbSe、CdSeなどの有機化学的に合成されたものである。量子ドット9は、PbSeやCdSeの他、単一の光子を発生しうるIII−V族、II−VI族、I−VII族の直接ギャップ半導体で構
成してもよい。直接ギャップ半導体としては、例えば,ZnS,ZnO,TiO2,AgI,AgBr,ZnTe,CdTe,GaAsなどが挙げられる。
FIG. 2 shows the configuration of the optical fiber 2. Referring to FIG. 2, the optical fiber 2 includes a core 6 having a
コア6は、中空細孔8の内部に充填する媒質やコア6および中空細孔8の実効屈折率などを考慮し、所望の波長の範囲において、コア中の横モードが単一モードとなるように構成されている。ここで、所望の波長の範囲は、量子ドット9の共鳴エネルギーに相当する波長を含む。
The core 6 takes into account the medium that fills the inside of the
中空細孔8は、コア6内の電場密度がもっとも高い部分に位置するように、コア6の中心部(中心軸近傍)に設けられている。図3に、コア6の一部を中心軸に垂直な方向に切断した断面における電場密度の動径方向依存性を示す。図3中、上側には、コア6の断面が示されており、下側には、その断面における電場密度10が示されている。この図3から分かるように、コア6中の横モードが単一モードである場合、電場密度10はコア6の中心部において最も高くなり、中心から離れるに従って除々に小さくなる。モード分布の最も外側の位置では、電場密度10はほぼ0になる。
The
前述したように、単位時間当たりの光子の自然放出確率は、1)量子ドットが存在する空間モードにおける電場の振幅の二乗、2)量子ドットが存在する空間の周波数モード密度、3)励起された電子の双極子モーメントの二乗、の3つの項目の積に比例することから、量子ドット9が電場密度10の高い位置にある場合は、量子ドット9が光子を放出する自然放出確率が大きくなる。図2の構造によれば、中空細孔8はコア6内の電場密度10のもっとも高い部分(図3の分布の頂部に対応する部分)に形成されているので、この中空細孔8内では、充填された量子ドット9は、どの位置にあっても電場密度10の高い位置に安定して存在することになる。よって、コア全体に量子ドットを充填する構造に比べて、量子ドット9が単一の光子を放出する自然放出確率を、より高く、かつ、安定したものとすることができる。
As described above, the spontaneous emission probability of photons per unit time is 1) the square of the electric field amplitude in the spatial mode in which the quantum dots exist, 2) the frequency mode density in the space in which the quantum dots exist, and 3) the excitation. Since it is proportional to the product of the three items of the square of the electron dipole moment, when the
径方向における電場密度の大きさは、図3に示した分布に従うことから、中空細孔8の直径が小さいほど、量子ドット9を電場密度のより高い位置に配置することができる。中空細孔8の直径をあまり大きくすると、量子ドット9が電場密度の低い位置に配置されることがあり、その場合は、量子ドット9が光子を放出する自然放出確率が低くなって、光子放出の時間ゆらぎが増大する。
Since the magnitude of the electric field density in the radial direction follows the distribution shown in FIG. 3, the
中空細孔8の径方向における最小の電場強度、すなわち中空細孔8の最外周部(コア部6との境界部)における電場強度は、コア6の中心の電場強度E0を最大値とすると、xE0(0≦x≦1)で与えられる。xが1に近い程、量子ドット9から単一の光子が放出される自然放出確率が高くなる。中空細孔8の径を小さくすることで、xを1に近づけることができる。
The minimum electric field strength in the radial direction of the
中空細孔8の径の下限は、量子ドットを充填できる大きさであれば、どのような大きさであってもよいが、実際は、現状での製造上の限界により決まる。一方、中空細孔8の径の上限は、最外周部(コア部6との境界部)における電場強度によって決まる自然放出確率が量子暗号通信システムにおいて要求される処理時間(例えば、光子検出器の時間分解能)によって規定される条件を満たすように決定する。量子暗号通信システムにおいて要求される処理時間をTとし、コア6の中心に量子ドットが位置する場合の輻射寿命をτとするとき、中空細孔8の最外周部(コア部6との境界部)における電場強度は、以下の式1によって特徴付けられる。
The lower limit of the diameter of the
さらに,このようにして決定されたxに基づいて、中空細孔8の半径は、次式のrについて解くことで求められる。
Furthermore, based on x determined in this way, the radius of the
ここでは、光ファイバ中の単一モードをガウス関数で近似している。Wは、コアの径方向におけるモードフィールドの半径であり、2Wがモードフィールド径である。モードフィールドの半径Wは、コア中心の電場が1/eになる半径であり、これは、コア6とクラッドの屈折率分布及び光ファイバ中を伝播する波長によって一意的に決定される。式1および式2を解くと、中空細孔8の半径rは、次式によって表される。
Here, a single mode in an optical fiber is approximated by a Gaussian function. W is the radius of the mode field in the radial direction of the core, and 2W is the mode field diameter. The radius W of the mode field is a radius at which the electric field at the center of the core becomes 1 / e, and is uniquely determined by the refractive index profile of the core 6 and the cladding and the wavelength propagating in the optical fiber. Solving Equation 1 and Equation 2, the radius r of the
上記式3の条件を満たすように中空細孔8の半径を決定することで、光子放出の時間揺らぎを小さくすることができるとともに、量子暗号通信システムにおいて要求される処理時間によって規定される条件を満たすことができる。これにより、受信側での光子の数え落としが低減し、光子計数の確率を向上させることができる。
By determining the radius of the
以下、量子暗号通信システムにおいて要求される処理時間を、1.55μm帯のアバランシェフォトダイオードを用いた単一光子検出器の時間分解能として、上記式3により中空細孔8の半径を算出した例を挙げる。
Hereinafter, the processing time required in the quantum cryptography communication system is assumed to be the time resolution of a single photon detector using an avalanche photodiode in the 1.55 μm band, and the radius of the
アバランシェフォトダイオードを用いた単一光子検出器の時間分解能は1ns程度であり、これは主に光子検出器のゲートパルスの時間幅で決定される。単一光子を検出するためには、このゲート時間内に、図1に示した単一光子発生装置で生成された単一の光子が受信側の光子検出器に到達する必要があり、そのためには、単一光子発生装置における光子放出の時間ゆらぎがゲートパルス時間幅を超えないようにする必要がある。光子放出の時間ゆらぎがゲートパルス時間幅を超えると、光子の数え落としが生じ、光子計数の確率が低下することになる。 The time resolution of a single photon detector using an avalanche photodiode is about 1 ns, which is mainly determined by the time width of the gate pulse of the photon detector. In order to detect a single photon, it is necessary for a single photon generated by the single photon generator shown in FIG. 1 to reach the photon detector on the receiving side within this gate time. Therefore, it is necessary that the time fluctuation of the photon emission in the single photon generator does not exceed the gate pulse time width. When the time fluctuation of the photon emission exceeds the gate pulse time width, the photon is counted down and the probability of photon counting is lowered.
上記式3の条件を満たすように中空細孔8の半径を設定することで、光子放出の時間ゆらぎがゲートパルス時間幅を超えないようにすることができ、光子の数え落としを低減することができる。具体的には、光子検出器のゲートパルス時間幅1nsをTとして、中空細孔8の最外周部(コア部6との境界部)における電場強度を上記式1から求める。コア6の中心に位置する量子ドットが単一光子を放出する輻射寿命を500psと仮定した場合、xは0.7となる。この場合は、中空細孔8の最外周部(コア部6との境界部)における電場強度は、「(コア6の中心の電場強度E0)×0.7」の値となる。この値を許容するように、中空細孔8の半径が設定される。具体的には、中空細孔8を含むコア6において実現されているシングルモードのモードフィールド径が2W=9μmであるとする。このとき、モードフィールドをガウス関数で近似すると、x=0.7に相当する中空細孔の半径rは約2.75μmとなる。
By setting the radius of the
上記のようにして半径を設定した中空細孔8では、径方向において中心から最も離れた位置(コア6と中空細孔8の境界付近)の電場密度(最小電場密度)は、「(コア6の中心の電場強度E0)×0.7」の値となる。この場合、中空細孔8内では、量子ドット9はどの位置にあっても、必ず、「(コア6の中心の電場強度E0)×0.7」の値以上の電場と結合することになる。このように量子ドットと高い電場との結合が可能であるので、高い自然放出確率を得ることができ、光子放出の時間ゆらぎがゲートパルス時間幅を超えるといった問題は生じない。よって、光子の数え落としが低減し、光子計数の確率が向上する。
In the
次に、本実施形態の単一光子発生装置の動作について、図1、2を参照して説明する。 Next, the operation of the single photon generator of this embodiment will be described with reference to FIGS.
励起光源1が外部信号によって駆動され、パルス状の光を発生する。励起光源1からのパルス状の励起光は、光ファイバ2内に入力され、コア6内を伝搬して中空細孔8内に充填された量子ドット9を励起する。このパルス状の励起光は、量子ドット9の電子をひとつのみ励起する。
The excitation light source 1 is driven by an external signal to generate pulsed light. Pulsed excitation light from the excitation light source 1 is input into the optical fiber 2, propagates through the core 6, and excites the
量子ドット9は、励起された電子が再結合する際に光子を発生する。すなわち、量子ドット9は、その励起準位に共鳴したエネルギーの単一の光子を放出する。量子ドット9から放出された単一の光子は、コア6内を効率よく伝搬し、光ファイバ2の出射側端面から外部に取り出される。
The
なお、量子ドットを励起するのに用いられる励起光は、通常、単一光子レベルに比較して非常に強く、また、励起光のすべてが量子ドットによって吸収されることはない。このため、励起に用いられた励起光の残留した光を除去する波長選択素子(残留光除去手段)を、光ファイバ素子の光子取り出し端に別途付加する必要がある。励起光源の波長は、単一光子を取り出す所望の波長に比較して短いため、波長選択素子としてはショートカットフィルター(所望の波長から短い波長の光を遮断する)を用いることができる。ショートカットフィルターは、ファイバブラッググレーティングのような光ファイバ内の屈折率の周期的構造によって実現してもよいし、誘電多層膜の周期的構造によって実現してもよい。 It should be noted that the excitation light used to excite the quantum dots is usually much stronger than the single photon level, and all of the excitation light is not absorbed by the quantum dots. For this reason, it is necessary to separately add a wavelength selection element (residual light removing means) for removing the remaining light of the excitation light used for excitation to the photon extraction end of the optical fiber element. Since the wavelength of the excitation light source is shorter than the desired wavelength from which a single photon is extracted, a shortcut filter (blocking light having a shorter wavelength from the desired wavelength) can be used as the wavelength selection element. The shortcut filter may be realized by a periodic structure of refractive index in an optical fiber such as a fiber Bragg grating, or may be realized by a periodic structure of a dielectric multilayer film.
以上説明した実施形態の単一光子発生装置において、中空細孔8内には、単一の光子を放出する量子ドットを1個、または、複数個充填することができる。量子ドットを複数個充填した場合は、コア6内には、波長の異なる複数の単一光子が存在することになるが、複数の単一光子から選択的に所望の波長の単一光子を取り出すようにすることで、単一光子発生装置を実現することができる。
In the single photon generator of the embodiment described above, the
中空細孔内への量子ドットの充填方法として、いくつかの方法が考えられる。一般に、量子ドットのサイズは、直径で数nmから百nm程度であり、相互作用する光の波長よりも小さい。また、量子ドットはその製法上、一度に多数製造されるが、その製造された量子ドットのサイズは不均一である。このようなことから、単一の量子ドット9を中空細孔8内に充填する場合は、多数の量子ドットから所望の波長の光子を放出する単一の量子ドットをいかにして選択するかが問題になる。この問題を解決する手法として、多数個の量子ドットを適当な基板上に低密度で分散させ、顕微分光法を用いて所望の波長の光子を放出する単一の量子ドットを空間的に分離する手法がいくつか報告されている。この他、近接場効果を利用して光の回折限界を超えた空間分解能を得る近接場顕微鏡を用いて単一の量子ドットを空間的に分離する手法もある。これらの手法を適用することで、所望の波長の光子を放出する単一の量子ドット9を選別して中空細孔8内に充填することができる。
Several methods are conceivable as a method of filling the quantum dots into the hollow pores. In general, the size of the quantum dot is about several to hundreds of nanometers in diameter, and is smaller than the wavelength of the interacting light. In addition, many quantum dots are manufactured at a time due to its manufacturing method, but the size of the manufactured quantum dots is not uniform. For this reason, when a
(実施形態2)
次に、本発明の第2の実施形態である単一光子発生装置の構成について説明する。この単一光子発生装置は、量子ドット含む光ファイバの構成が異なる以外は、上述した第1の実施形態のものと同じ構成のものである。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the single photon generator which is the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. This single photon generator has the same configuration as that of the first embodiment described above except that the configuration of the optical fiber including the quantum dots is different.
図4は、本発明の第2の実施形態である単一光子発生装置に用いられる、量子ドットを含む光ファイバの構成を示す模式図である。この光ファイバは、所望の波長の光子を放出する量子ドット17が充填された中空細孔16を中心部(中心軸)に備えたコア部14の外周を、中心軸に平行かつ断面内で周期的に配置された多数個の細孔15で囲むように構成したものである。このような多数個の細孔をコア部の周りに設けた光ファイバは、フォトニッククリスタルファイバとして知られている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of an optical fiber including quantum dots used in the single photon generation apparatus according to the second embodiment of the present invention. This optical fiber has an outer periphery of a
コア部14、多数個の細孔15、中空細孔16は、それぞれ図2に示したコア6、クラッド7、中空細孔8に対応する。量子ドット17は、第1の実施形態で説明した量子ドット9と同様のものである。中空細孔16内への量子ドット17の充填には、第1の実施形態で使用した光ファイバの場合と同様、顕微分光法や近接場顕微鏡を用いて単一の量子ドットを空間的に分離する手法が適用される。
The
コア部14の直径と各細孔15の直径および分布は、各細孔15および中空細孔16の実効屈折率(内部に充填する媒質に応じて決まる)を考慮した上で、量子ドット17の共鳴エネルギーに相当する波長においてコア部14における横モードが単一モードとなるように設定される。
The diameter of the
本実施形態においても、中空細孔16の半径は、上述した式3の条件を満たすように設定される。多数個の細孔15によりクラッドが形成されたフォトニッククリスタルファイバの場合は、光ファイバを構成するガラス部材自身の屈折率に比較してクラッドの実行屈折率を小さくすることが可能であることから、第1の実施形態で使用した光ファイバに比較して、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることができ、横モードのモードフィールド径(図3に示した分布の幅)を小さくすることができる。
Also in the present embodiment, the radius of the
コア中心の電場E0はモードフィールド径に逆比例することから、本実施形態で使用するフォトニッククリスタルファイバの場合は、第1の実施形態で使用した光ファイバに比較して、コア中心においてより強い電場が得られる。よって、本実施形態によれば、中空細孔16の直径を制限することで、量子ドットが存在する位置の電場密度を一定にして、自然放出確率を一定にするという効果に加えて、第1の実施形態で使用した光ファイバに比較して、自然放出確率をより高くすることができる。
Electric field E 0 of the core center from the inversely proportional to the mode field diameter, in the case of photonic crystal fiber used in the present embodiment, as compared with the optical fiber used in the first embodiment, and more at the core center A strong electric field is obtained. Therefore, according to the present embodiment, by limiting the diameter of the
例えば、第1の実施形態で使用した光ファイバにおいて、モードフィールド径が9μmで、コア中心に位置する量子ドットの輻射寿命が500psであったとする。これに対して、本実施形態で使用するフォトニッククリスタルファイバの場合は、モードフィールド径を3μmとすることができる。この場合、コア中心に位置する量子ドットの輻射寿命は、第1の実施形態で使用した光ファイバに比較して、モードフィールド径の二乗の比で短くなり、その値は約55psとなる。自然放出確率は輻射寿命の逆数で与えられることから、第1の実施形態で使用した光ファイバと比較して、本実施形態で使用するフォトニッククリスタルファイバの方が、自然放出確率がより高くなることが分かる。よって、光子放出の時間的ゆらぎをより小さくすることができ、光子の数え落としがより低減されて光子計数の確率が向上する。 For example, in the optical fiber used in the first embodiment, it is assumed that the mode field diameter is 9 μm and the radiation life of the quantum dot located at the core center is 500 ps. On the other hand, in the case of the photonic crystal fiber used in this embodiment, the mode field diameter can be set to 3 μm. In this case, the radiation lifetime of the quantum dot located at the center of the core is shorter than the optical fiber used in the first embodiment by the ratio of the square of the mode field diameter, and the value is about 55 ps. Since the spontaneous emission probability is given by the reciprocal of the radiation lifetime, the spontaneous emission probability is higher in the photonic crystal fiber used in this embodiment than in the optical fiber used in the first embodiment. I understand that. Therefore, the temporal fluctuation of the photon emission can be further reduced, the photon counting is further reduced, and the probability of photon counting is improved.
本実施形態の単一光子発生装置においても、第1の実施形態の場合と同様、励起に用いられた励起光の残留した光を除去する波長選択素子(残留光除去手段)を設けることが望ましい。 Also in the single photon generator of this embodiment, it is desirable to provide a wavelength selection element (residual light removing means) that removes the remaining light of the excitation light used for excitation, as in the case of the first embodiment. .
(他の実施形態)
第1および第2の実施形態のものでは、顕微分光法や近接場顕微鏡を用いて単一の量子ドットを空間的に分離する手法を適用することで、コアの中心に設けられた中空細孔内に、所望の波長の光子を放出する量子ドットがただ1個だけ充填するようになっている。しかし、前述したように、量子ドットのサイズには、製法上、不均一性がある。このため、多数個の量子ドットを空間的に低密度に分散させ、顕微分光法や近接場顕微鏡を用いて所望の波長の光子を放出する単一の量子ドットを選別する手法では、所望の波長の光子を放出する量子ドットはは確率的にしか選別されないため、非常に効率が悪いものとなる。所望の波長の光子を放出する単一の量子ドットを効率良く中空細孔内に充填する手法として、中空細孔内に量子ドットを低密度に分散させる方法が考えられる。ここでは、低密度分散による充填方法を適用した例ついて詳細に説明する。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments, a hollow pore provided in the center of the core is applied by applying a technique of spatially separating a single quantum dot using a microspectroscopic method or a near-field microscope. Only one quantum dot that emits a photon of a desired wavelength is filled therein. However, as described above, the size of the quantum dots is not uniform due to the manufacturing method. For this reason, the method of selecting a single quantum dot that emits photons of a desired wavelength using microspectroscopy or a near-field microscope by dispersing a large number of quantum dots in a spatially low density is desired. Quantum dots that emit photons of this type are very inefficient because they can only be selected probabilistically. As a method for efficiently filling a single quantum dot that emits photons of a desired wavelength into the hollow pore, a method of dispersing the quantum dots in the hollow pore at a low density can be considered. Here, an example in which a filling method using low density dispersion is applied will be described in detail.
まず、低密度分散による充填方法について、図2に示した光ファイバを例に挙げて具体的に説明する。 First, a filling method using low density dispersion will be specifically described by taking the optical fiber shown in FIG. 2 as an example.
図5に、多数個の量子ドットにおけるサイズ不均一性によるスペクトル広がり11と単一の量子ドットのスペクトル広がり12の波長スペクトル上での関係を示す。図5に示すように、量子ドットの個数がある限界を超えると、各量子ドットのスペクトル広がりが重なり合い、その結果、不均一幅σのスペクトル広がり11を示す。このときは、波長分散素子を用いても単一の量子ドットから放出される特定の波長の単一光子を外に取り出すことはできない。
FIG. 5 shows the relationship between the spectral broadening 11 due to size nonuniformity in a large number of quantum dots and the spectral broadening 12 of a single quantum dot on the wavelength spectrum. As shown in FIG. 5, when the number of quantum dots exceeds a certain limit, the spectral spread of each quantum dot overlaps, resulting in a
量子ドットの個数を十分少なくすると、図6に示すように、同一波長での量子ドットのスペクトルの重なり合いが統計的に少なくなり、その結果、個々の単一量子ドットのピーク13がそれぞれ分離された状態となる。このとき、個々の単一量子ドットのスペクトル広がりδが波長分散素子の波長分解能Δ以下であり、かつ、隣り合うピーク13の波長の差がその波長分解能Δ以上であれば、波長分散素子を用いて、発生させるべき光子の波長における単一光子を取り出すことができる。
When the number of quantum dots is sufficiently small, as shown in FIG. 6, the spectrum overlap of the quantum dots at the same wavelength is statistically reduced, and as a result, the
量子ドットのサイズ不均一性によるスペクトル広がりが、中心波長λ0、波長分散σ(不均一幅)によって特徴付けられる標準正規分布に従うとする。この場合の標準正規分布は、次の式で与えられる。 Suppose that the spectral spread due to the size non-uniformity of the quantum dots follows a standard normal distribution characterized by a center wavelength λ 0 and chromatic dispersion σ (non-uniform width). The standard normal distribution in this case is given by the following equation.
また、単一の量子ドットが示すスペクトル広がりをδ、波長分散素子の波長分解能をΔとし、Δ>δの条件を満たす場合、多数個の量子ドットから一つの量子ドットを選んだときに、これが波長分散素子の波長分解能Δの範囲内で発生させるべき波長λ’の光子を放出する量子ドットである確率pは次の式で与えられる。 In addition, when the spectral spread shown by a single quantum dot is δ, the wavelength resolution of the wavelength dispersion element is Δ, and Δ> δ is satisfied, when one quantum dot is selected from a large number of quantum dots, The probability p that a quantum dot emits a photon of wavelength λ ′ to be generated within the range of wavelength resolution Δ of the wavelength dispersion element is given by the following equation.
中空細孔8内にN個の量子ドットを充填する場合、波長選択素子の分解能Δの範囲内で発生させるべき波長λ’の光子を放出する量子ドットがただ1つだけ存在する確率は次式で与えられる。この確率が、光ファイバ素子を製造する際の歩留まり率の上限値を与える。
When N quantum dots are filled in the
ここで、歩留まり率は、多数個の光ファイバ素子を作製した場合に、そのうちの何個の光ファイバ素子に所望の波長範囲における量子ドットが1個だけ含まれているか、ということを示す。したがって、1000個の光ファイバ素子を作製した場合は、「1000×式6」の個数の光ファイバ素子に、所望の範囲において量子ドットが1個だけ含まれることになる。歩留まり率の上限値が最大となるNmaxは次の式で与えられる。 Here, the yield rate indicates how many of the optical fiber elements include only one quantum dot in a desired wavelength range when a large number of optical fiber elements are manufactured. Therefore, when 1000 optical fiber elements are produced, the number of optical fiber elements of “1000 × Equation 6” includes only one quantum dot in a desired range. N max at which the upper limit of the yield rate is maximized is given by the following equation.
上記の式5〜7に関する記述は、正規分布関数のみだけではなく、任意の確率分布関数f(λ)に対して適用が可能である。 The descriptions related to the above equations 5 to 7 can be applied not only to the normal distribution function but also to an arbitrary probability distribution function f (λ).
ここで、上記式4〜7を用いて量子ドットの個数を計算した例を挙げる。量子ドットのサイズ不均一性に起因するスペクトル広がりσを40nmとし、単一の量子ドットに固有のスペクトル広がりδを0.1nmとし、波長分散素子の波長分解能Δを1nmとする。また、スペクトル広がりσの中心波長λ0および所望の波長λ’をともに1550nmとする。この場合、上記式5によって求められる確率pは0.00997であり、式7によって与えられる量子ドットの個数は約100個である。このときに、光ファイバ素子に所望の波長範囲に量子ドットが1個だけ含存在する確率は0.3697であり、これが所望の波長の光子を放出する光ファイバ素子を製造する際の最大の歩留まり確率を与える。 Here, the example which calculated the number of quantum dots using the said Formulas 4-7 is given. The spectral spread σ due to the size non-uniformity of the quantum dots is 40 nm, the spectral spread δ inherent to a single quantum dot is 0.1 nm, and the wavelength resolution Δ of the wavelength dispersion element is 1 nm. Further, the center wavelength λ 0 and the desired wavelength λ ′ of the spectrum spread σ are both 1550 nm. In this case, the probability p obtained by the above equation 5 is 0.00997, and the number of quantum dots given by the equation 7 is about 100. At this time, the probability that the optical fiber element contains only one quantum dot in the desired wavelength range is 0.3697, which is the maximum yield in manufacturing an optical fiber element that emits photons of the desired wavelength. Gives a probability.
上記の方法で決定された量子ドットの個数Nが有限な長さdの光ファイバの中空細孔8に吸引されるように、溶液中の量子ドット密度を調整する。中空細孔8の断面積はπc2で与えられ、溶液中の量子ドットの密度は次式で与えられる。
The quantum dot density in the solution is adjusted so that the number N of quantum dots determined by the above method is sucked into the
上述のN=100個が得られた計算例について、式8を用いて密度を与える計算例を説明する。中空細孔8の直径を2c=1μm、光ファイバの長さをd=100mmとした場合、式8によって求められる溶液中の量子ドットの密度は約1.27×109個/mlとなる。こうして求めた密度の懸濁液が、例えば毛管現象を利用して中空細孔8内に充填される。
A calculation example in which the density is given using
中空細孔8内に懸濁液を充填する場合、量子ドットを懸濁した溶媒が揮発性の場合は、その溶媒を揮発させて量子ドットのみが中空細孔8の壁に残留するようにしてもよい。また、量子ドットを懸濁した溶媒が中空細孔8内に充填された状態で光ファイバ2の両端を封じるようにしてもよい。この場合は、溶媒により量子ドットが保護され、量子ドットが空気に晒されることがないので、量子ドットの劣化(例えば酸化)を防止することができる。有機溶媒としては、トルエンやヘキサンなどを使用することができる。また、溶媒を揮発させた場合は、例えばN2ガスやHeガス,Neガスなどの不活性ガスを充填した状態でファイバ素子端面を封じて、空気に晒されることによる量子ドットの劣化(例えば酸化など)を防止しても良い。
When the suspension is filled in the
上述した低密度分散による充填方法は、第2の実施形態で使用したフォトニッククリスタルファイバにおいても適用することができる。 The filling method by low density dispersion described above can also be applied to the photonic crystal fiber used in the second embodiment.
なお、中空細孔内に量子ドットを低密度に分散する場合、中空細孔内には、所望の波長の光子を放出する単一の量子ドットの他に、他の波長の光子を放出する複数の量子ドットが存在する。このため、図1に示した単一光子発生装置の構成において、光ファイバ2の出射端面からは、中空細孔内の各量子ドットから放出された、波長の異なる複数の光子が出射されることになる。このような場合は、光ファイバ2から出射された光子のうちから、所望の波長の光子を選択するための波長選択手段(波長分散素子など)が必要となる。波長選択手段を備える装置としては、いくつかの構成が考えられる。以下に、その構成例として、装置例1〜5を挙げる。 When quantum dots are dispersed at a low density in the hollow pores, a plurality of photons of other wavelengths are emitted in the hollow pores in addition to a single quantum dot that emits photons of a desired wavelength. There are quantum dots. Therefore, in the configuration of the single photon generator shown in FIG. 1, a plurality of photons having different wavelengths emitted from the quantum dots in the hollow pores are emitted from the emission end face of the optical fiber 2. become. In such a case, wavelength selection means (such as a wavelength dispersion element) for selecting a photon having a desired wavelength from the photons emitted from the optical fiber 2 is required. Several configurations are conceivable as an apparatus including a wavelength selection unit. In the following, apparatus examples 1 to 5 are given as the configuration examples.
(装置例1)
図7は、本発明の他の実施形態である単一光子発生装置の第1の構成例を示す図である。この単一光子発生装置は、図1に示した励起光源1および光ファイバ2に加えて、光サーキュレータ3、反射型ファイバブラッググレーティング4および出力用光ファイバ5を有する。
(Device Example 1)
FIG. 7 is a diagram illustrating a first configuration example of a single photon generation apparatus according to another embodiment of the present invention. This single photon generator has an optical circulator 3, a reflective fiber Bragg grating 4, and an output optical fiber 5 in addition to the excitation light source 1 and the optical fiber 2 shown in FIG.
光ファイバ2は、図2または図4に示した構造を有するものであって、その中空細孔には、低密度分散による充填方法により量子ドットが充填されている。光サーキュレータ3は、光ファイバ2から入射した光子をファイバブラッググレーティング4に結合させ、ファイバブラッググレーティング4から入射した光子を出力用光ファイバ5に結合させる方向性導波器である。ファイバブラッググレーティング4は、発生すべき光子の波長を選択可能なグレーティング周期を有する波長選択器であって、光サーキュレータ3から入射した光子のうち、グレーティング周期に対応する波長の光子を反射する。反射される光子の波長は、グレーティングの周期を任意に設定することで任意に設定することが可能である。 The optical fiber 2 has the structure shown in FIG. 2 or FIG. 4, and the hollow pores are filled with quantum dots by a filling method using low density dispersion. The optical circulator 3 is a directional waveguide that couples photons incident from the optical fiber 2 to the fiber Bragg grating 4 and couples photons incident from the fiber Bragg grating 4 to the output optical fiber 5. The fiber Bragg grating 4 is a wavelength selector having a grating period capable of selecting the wavelength of a photon to be generated, and reflects a photon having a wavelength corresponding to the grating period among the photons incident from the optical circulator 3. The wavelength of the reflected photon can be arbitrarily set by arbitrarily setting the period of the grating.
本装置例においては、励起光源1が外部信号によって駆動され、パルス状の光を発生する。励起光源1からのパルス状の励起光は、光ファイバ2内に入力され、コア内を伝搬することで、中空細孔内に充填された各量子ドットを励起する。このパルス状の励起光は、各量子ドットの電子をひとつのみ励起する。 In this example apparatus, the excitation light source 1 is driven by an external signal to generate pulsed light. Pulsed excitation light from the excitation light source 1 is input into the optical fiber 2 and propagates through the core to excite each quantum dot filled in the hollow pore. This pulsed excitation light excites only one electron of each quantum dot.
各量子ドットは、励起された電子が再結合する際に光子を発生する。すなわち、各量子ドットは、それぞれの励起準位に共鳴したエネルギーの単一の光子を放出する。この結果、光ファイバ2のコア内には、中空細孔内に充填された量子ドットの個数と同じ数か、それ以下の数の光子が存在する。ただし、各光子の波長は異なっており、隣り合う波長の間隔は、ファイバブラッググレーティング5の分解能より大きい。 Each quantum dot generates a photon when the excited electrons recombine. That is, each quantum dot emits a single photon of energy that resonates with its respective excitation level. As a result, the number of photons in the core of the optical fiber 2 is equal to or less than the number of quantum dots filled in the hollow pores. However, the wavelength of each photon is different, and the interval between adjacent wavelengths is larger than the resolution of the fiber Bragg grating 5.
量子ドットから放出された光子はそれぞれコア内を伝搬し、光サーキュレータ3を経由してファイバブラッググレーティング5に結合される。ファイバブラッググレーティング5では、所望の波長における単一の光子のみが反射されて光サーキュレータ3に戻される。光サーキュレータ3では、戻された単一の光子は出力用ファイバ5に結合される。こうして、出力用ファイバ5から所望の波長の単一の光子が外部に取り出される。 Each photon emitted from the quantum dot propagates through the core and is coupled to the fiber Bragg grating 5 via the optical circulator 3. In the fiber Bragg grating 5, only a single photon at a desired wavelength is reflected and returned to the optical circulator 3. In the optical circulator 3, the returned single photon is coupled to the output fiber 5. Thus, a single photon having a desired wavelength is extracted from the output fiber 5 to the outside.
(装置例2)
図8は、本発明の他の実施形態である単一光子発生装置の第2の構成例を示す図である。この単一光子発生装置は、励起光源18、量子ドットを含む光ファイバ19および透過型のファイバブラッググレーティング20から構成されている。励起光源18は、図1に示した励起光源1と同様のものである。光ファイバ19は、図2または図4に示した構造を有するものであって、その中空細孔には、低密度分散による充填方法により量子ドットが充填されている。
(Device example 2)
FIG. 8 is a diagram illustrating a second configuration example of a single photon generation apparatus according to another embodiment of the present invention. This single photon generator is composed of an
本装置例においては、励起光源18が外部信号によって駆動され、パルス状の光を発生する。この励起光源18からのパルス状の励起光で、光ファイバ19内の各量子ドットを励起する。このパルス状の励起光は、各量子ドットの電子をひとつのみ励起する。励起された各量子ドットからは、それぞれの励起準位に共鳴したエネルギーの単一の光子が放出される。各光子の波長は異なっており、隣り合う波長の間隔は、ファイバブラッググレーティング20の分解能より大きい。
In the present apparatus example, the
各量子ドットから放出された光子はそれぞれ、コア内を伝搬し、ファイバブラッググレーティング20に結合される。ファイバブラッググレーティング20では、所望の波長における単一の光子のみが透過する。こうして、ファイバブラッググレーティング20から単一の光子が外部に取り出される。 Each photon emitted from each quantum dot propagates through the core and is coupled to the fiber Bragg grating 20. In the fiber Bragg grating 20, only a single photon at the desired wavelength is transmitted. Thus, a single photon is extracted from the fiber Bragg grating 20 to the outside.
本装置例によれば、図7に示した構成と比較して、光サーキュレータ3および出力用光ファイバ5を省略することができ、その分、低コスト化を図ることができる。 According to this apparatus example, the optical circulator 3 and the output optical fiber 5 can be omitted as compared with the configuration shown in FIG. 7, and the cost can be reduced accordingly.
(装置例3)
図9は、本発明の他の実施形態である単一光子発生装置の第3の構成例を示す図である。この単一光子発生装置は、励起光源21と、透過型ファイバブラッググレーティングおよび量子ドットを含む光ファイバ22とから構成される。励起光源21は、図1に示した励起光源1と同様のものである。
(Device Example 3)
FIG. 9 is a diagram illustrating a third configuration example of a single photon generation apparatus according to another embodiment of the present invention. This single photon generator comprises an
図10に、光ファイバ22の構成を示す。光ファイバ22は、図2に示した光ファイバのコアの一部に透過型ファイバブラッググレーティング25を設けたものであり、コア6中心に設けられた中空細孔8内には、低密度分散による充填方法により量子ドット9が充填されている。
FIG. 10 shows the configuration of the optical fiber 22. The optical fiber 22 has a transmission fiber Bragg grating 25 provided in a part of the core of the optical fiber shown in FIG. 2, and the
励起光源21からの励起光が一方の端面23aから供給され、所望の波長の単一の光子が他方の端面23bから取り出される。ファイバブラッググレーティング25は、他方の端面23b側に位置しており、この位置より端面23aの側に量子ドット9が分散されている。
Excitation light from the
励起光源21が外部信号によって駆動され、パルス状の光を発生する。この励起光源21からのパルス状の励起光で、光ファイバ22内の各量子ドットを励起する。このパルス状の励起光は、各量子ドットの電子をひとつのみ励起する。
The
励起された各量子ドットからは、それぞれの励起準位に共鳴したエネルギーの単一の光子が放出される。各光子の波長は異なっており、隣り合う波長の間隔は、ファイバブラッググレーティング25の分解能より大きい。 Each excited quantum dot emits a single photon of energy resonating with the respective excitation level. The wavelength of each photon is different, and the interval between adjacent wavelengths is larger than the resolution of the fiber Bragg grating 25.
各量子ドットから放出された光子はそれぞれ、コア6内を伝搬し、所望の波長の単一の光子のみがファイバブラッググレーティング25を透過する。こうして、ファイバブラッググレーティング25を透過した単一の光子が、他方の端面23bから外部に取り出される。
Each photon emitted from each quantum dot propagates through the core 6, and only a single photon having a desired wavelength passes through the fiber Bragg grating 25. Thus, a single photon that has passed through the fiber Bragg grating 25 is taken out from the
本装置例においても、図7に示した構成と比較して、光サーキュレータ3および出力用光ファイバ5を省略することができ、その分、低コスト化を図ることができる。 Also in this apparatus example, the optical circulator 3 and the output optical fiber 5 can be omitted as compared with the configuration shown in FIG. 7, and the cost can be reduced accordingly.
(装置例4)
次に、本発明の他の実施形態である単一光子発生装置の第4の構成例について説明する。この第4の構成例の単一光子発生装置は、光ファイバの構成が異なる以外は、上述した第3の構成例のものと同じ構成のものである。
(Example 4)
Next, the 4th structural example of the single photon generator which is other embodiment of this invention is demonstrated. The single photon generator of the fourth configuration example has the same configuration as that of the third configuration example described above except that the configuration of the optical fiber is different.
図11に、第4の構成例の単一光子発生装置に用いられる光ファイバの構成を示す。この光ファイバは、図4に示した光ファイバのコア部の一部に透過型ファイバブラッググレーティング28を設けたものであり、コア14中心に設けられた中空細孔16内には、低密度分散による充填方法により量子ドット17が充填されている。
FIG. 11 shows the configuration of an optical fiber used in the single photon generator of the fourth configuration example. In this optical fiber, a transmission type fiber Bragg grating 28 is provided in a part of the core portion of the optical fiber shown in FIG. 4, and a low density dispersion is provided in the
励起光源からの励起光が一方の端面26から供給され、他方の端面から所望の波長の単一の光子が取り出される。ファイバブラッググレーティング28は、他方の端面側に位置しており、この位置より端面26の側に量子ドット17が分散されている。
Excitation light from an excitation light source is supplied from one
励起光源21からのパルス状の励起光で光ファイバ内の各量子ドット17が励起される。励起された各量子ドットからは、それぞれの励起準位に共鳴したエネルギーの単一の光子が放出される。各光子の波長は異なっており、隣り合う波長の間隔は、ファイバブラッググレーティング28の分解能より大きい。
Each
各量子ドットから放出された光子はそれぞれ、コア部14内を伝搬し、所望の波長の単一の光子のみがファイバブラッググレーティング28を透過する。こうして、ファイバブラッググレーティング28を透過した単一の光子が、他方の端面から外部に取り出される。
Each photon emitted from each quantum dot propagates through the
本装置例においても、図7に示した構成と比較して、光サーキュレータ3および出力用光ファイバ5を省略することができ、その分、低コスト化を図ることができる。 Also in this apparatus example, the optical circulator 3 and the output optical fiber 5 can be omitted as compared with the configuration shown in FIG. 7, and the cost can be reduced accordingly.
(装置例5)
次に、本発明の他の実施形態である単一光子発生装置の第5の構成例について説明する。
(Device Example 5)
Next, the 5th structural example of the single photon generator which is other embodiment of this invention is demonstrated.
光を用いて量子ドットの電子を励起する方法としては、(1)量子ドットを構成する半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射する方法(第1の励起方法)、(2)量子ドットの高次の励起状態に共鳴したエネルギーを有する光を照射する方法(第2の励起方法)の2つがある。 As a method of exciting electrons of a quantum dot using light, (1) a method of irradiating light having energy higher than the band gap energy of a semiconductor constituting the quantum dot (first excitation method), (2) quantum There are two methods (second excitation method) of irradiating light having energy resonating with a higher-order excited state of dots.
第1乃至第4の装置例においては、第1の励起方法を用いており、光ファイバ中に含まれる全ての量子ドットにおいて電子が励起される。各量子ドットからは、それぞれの量子ドットのサイズに対応する波長の単一光子が放出される。各量子ドットから放出された光子のうち、所望の波長の単一光子が波長選択素子により取り出される。 In the first to fourth device examples, the first excitation method is used, and electrons are excited in all the quantum dots included in the optical fiber. From each quantum dot, a single photon having a wavelength corresponding to the size of the respective quantum dot is emitted. Of the photons emitted from each quantum dot, a single photon having a desired wavelength is extracted by the wavelength selection element.
本装置例では、第2の励起方法を用いることで、ファイバブラッググレーティングのような波長選択素子を用いずに、同様な波長選択を行うことを可能としている。以下に、その原理を説明する。 In this apparatus example, by using the second excitation method, it is possible to perform similar wavelength selection without using a wavelength selection element such as a fiber Bragg grating. The principle will be described below.
量子ドットは電子正孔対が空間的に非常に微小な領域に閉じ込められるため、励起子準位が離散化する。量子ドットを単一光子光源として利用する場合は、離散化した励起子準位のうち、エネルギーの最も低い準位から放出される蛍光を利用する。このエネルギーの最も低い準位への励起がなされる状態を第1励起状態と呼ぶ。量子ドットでは、この第1励起状態の他に、さらにエネルギーの高い準位への励起がなされる、第2励起状態、第3励起状態といった高次の励起状態も存在する。このような高次の励起状態のエネルギーも、量子ドットのサイズに依存して変換するため、多数個の単一量子ドットを同時に取り扱う場合には、高次の励起状態において、そのエネルギーの位置に量子ドットのサイズ分布に起因するばらつきを生じる。 In a quantum dot, an electron-hole pair is confined in a very small region spatially, so that exciton levels are discretized. When a quantum dot is used as a single photon light source, fluorescence emitted from the lowest energy level among the discretized exciton levels is used. This state in which excitation to the lowest energy level is called the first excited state. In the quantum dot, in addition to the first excited state, higher-order excited states such as a second excited state and a third excited state in which excitation to a higher energy level is also present. Since the energy of such higher-order excited states is also converted depending on the size of the quantum dot, when handling a large number of single quantum dots at the same time, the energy position in the higher-order excited state Variations caused by the size distribution of the quantum dots occur.
量子ドットの個数を十分に少なくすると、高次の励起状態においても、同一波長での量子ドットのエネルギー準位の重なり合いが統計的に少なくなる。すなわち、少数個の単一量子ドットが充填された光ファイバにおいては、単一の量子ドットのエネルギー準位が互いに分離された状態となり、その結果、それぞれの蛍光スペクトルが分離された状態となる。この場合、量子ドットに固有のスペクトル広がりδ以下のスペクトル幅を持つ励起光を用いて、第1の励起状態の共鳴波長が所望の波長にある量子ドットの高次の励起状態を選択的に励起すれば、その量子ドットからは、所望の波長の単一光子が放出される。例えば、特定かつ単一の量子ドットの第2の励起状態に電子を励起すると、その励起された電子は第2の励起状態から第1の励起状態に緩和し、第1の励起状態からその共鳴波長に対応する波長の単一の光子が放出される。 When the number of quantum dots is sufficiently reduced, the overlap of energy levels of quantum dots at the same wavelength is statistically reduced even in a higher-order excited state. That is, in an optical fiber filled with a small number of single quantum dots, the energy levels of the single quantum dots are separated from each other, and as a result, the respective fluorescence spectra are separated. In this case, excitation light having a spectral width equal to or less than the spectral spread δ inherent to the quantum dots is selectively excited to excite higher-order excitation states of the quantum dots in which the resonance wavelength of the first excitation state is at a desired wavelength. Then, a single photon having a desired wavelength is emitted from the quantum dot. For example, when an electron is excited to the second excited state of a specific single quantum dot, the excited electron relaxes from the second excited state to the first excited state, and from the first excited state to its resonance. A single photon with a wavelength corresponding to the wavelength is emitted.
図12に、光ファイバに充填された少数個の単一量子ドットにおいて、バンド間励起を行った場合の、各単一量子ドットから放出される蛍光スペクトルを示す。単一の量子ドットのエネルギー準位が互いに分離されているため、それぞれの量子ドットにおける蛍光スペクトルも互いに分離されたものとなる。図12中、図面に向かって右側に、各量子ドットの第1励起状態における蛍光スペクトルが、左側に、各量子ドットの第2励起状態における蛍光スペクトルがそれぞれ示されている。蛍光ピーク102は、ある1つの量子ドットAの第1励起状態における蛍光ピークである。この量子ドットAの第2の励起状態には、蛍光ピーク102に対応する蛍光ピーク101が存在する。この蛍光ピーク101と同じ波長の励起光を光ファイバに充填された少数個の単一量子ドットに照射すると、蛍光放出の逆過程として光の吸収が起こり、光ファイバ内に充填された量子ドットのうち、蛍光ピーク101の量子ドットAのみが選択的に励起される。ここで、励起された電子は、蛍光ピーク101の第2の励起状態から第1の励起状態にエネルギー緩和し、その結果、量子ドットAからは、蛍光ピーク102の波長の光子が放出される。
FIG. 12 shows a fluorescence spectrum emitted from each single quantum dot when interband excitation is performed in a small number of single quantum dots filled in an optical fiber. Since the energy levels of the single quantum dots are separated from each other, the fluorescence spectra in the respective quantum dots are also separated from each other. In FIG. 12, the fluorescence spectrum of each quantum dot in the first excited state is shown on the right side of the drawing, and the fluorescence spectrum of each quantum dot in the second excited state is shown on the left side. The
本装置例では、上記の原理を利用することで、波長選択素子を用いずに、所望の波長の単一光子を取り出す。具体的な装置構成は、励起光源と、少数個の単一量子ドットが充填された光ファイバとからなる。励起光源からの励起光のパルス幅および波長が上記原理に基づき決定される。この励起光源からの励起光を光ファイバの一方の端面から供給することで、光ファイバの他方の端面から単一光子を取り出すことができる。 In this apparatus example, by using the above principle, a single photon having a desired wavelength is extracted without using a wavelength selection element. A specific device configuration includes an excitation light source and an optical fiber filled with a small number of single quantum dots. The pulse width and wavelength of the excitation light from the excitation light source are determined based on the above principle. By supplying excitation light from this excitation light source from one end face of the optical fiber, a single photon can be extracted from the other end face of the optical fiber.
上述した本他の実施形態の単一光子発生装置においても、第1の実施形態の場合と同様、励起に用いられた励起光の残留した光を除去する波長選択素子(残留光除去手段)を設けることが望ましい。 Also in the single photon generator of the other embodiment described above, similarly to the first embodiment, a wavelength selection element (residual light removing means) for removing the remaining light of the excitation light used for excitation is provided. It is desirable to provide it.
以上説明した各実施形態は、本発明の一例であり、その構成は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、所望の波長の光子を取り出すための波長選択素子として、ファイバブラッググレーティングを用いた構成において、ファイバブラッググレーティングに代えて、干渉フィルターや回折格子型分光器を用いてもよい。干渉フィルターは、光ファイバ型単一光子発生素子と外部装置とを接続するコネクタ部分に形成することができる。 Each embodiment described above is an example of the present invention, and the configuration thereof can be appropriately changed without departing from the spirit of the invention. For example, in a configuration using a fiber Bragg grating as a wavelength selection element for extracting photons of a desired wavelength, an interference filter or a diffraction grating type spectrometer may be used instead of the fiber Bragg grating. The interference filter can be formed in a connector portion that connects the optical fiber type single photon generating element and an external device.
また、各実施形態において、ファイバ型単一光子発生素子である光ファイバは、基本的には、既存の製造方法により作製することができる。第1および第2の実施形態においては、量子ドットを含む液を中空細孔内に充填するようにしてもよい。この場合、量子ドットを含む液が揮発性の場合は、その液を揮発させて量子ドットのみを中空細孔内の壁に残留させてもよい。また、量子ドットを含む液を中空細孔内に充填した状態で光ファイバの両端を封じるようにしてもよい。 Moreover, in each embodiment, the optical fiber which is a fiber type single photon generating element can be fundamentally produced by the existing manufacturing method. In the first and second embodiments, a liquid containing quantum dots may be filled in the hollow pores. In this case, when the liquid containing the quantum dots is volatile, the liquid may be volatilized to leave only the quantum dots on the walls in the hollow pores. Moreover, you may make it seal the both ends of an optical fiber in the state with which the liquid containing a quantum dot was filled in the hollow pore.
加えて、中空細孔内への量子ドットの充填に、ポンプや毛細管現象を利用した既存の手法を適用してもよい。 In addition, an existing method using a pump or a capillary phenomenon may be applied to the filling of the quantum dots into the hollow pores.
1、18、21 励起光源
2、19、22 光ファイバ
3 光サーキュレーター
4 反射型ファイバブラッググレーティング
5 出力用光ファイバ
6 コア
7 クラッド
8、16 中空細孔
9、17 量子ドット
10 電場密度
11、12 スペクトル広がり
13 スペクトルのピーク
14 コア部
15 細孔
20、25、28 透過型ファイバブラッググレーティング
23a、23b、26 端面
101、102 蛍光ピーク
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記単一の光子の波長において横モードが単一モードとされたコアと、
前記コアの中心部に設けられ、前記量子ドットが充填された中空細孔とを有することを特徴とする光ファイバ型単一光子発生素子。 At least one quantum dot emitting a single photon;
A core whose transverse mode is single mode at the wavelength of the single photon;
An optical fiber type single photon generating element having a hollow pore provided at the center of the core and filled with the quantum dots.
前記量子ドットを励起するためのパルス状の光を発生する励起光源とを有することを特徴とする単一光子発生装置。 A hollow pore filled with at least one quantum dot that emits a single photon, an optical fiber provided in the center of the core in which the transverse mode is a single mode at the wavelength of the single photon;
A single-photon generator comprising: an excitation light source that generates pulsed light for exciting the quantum dots.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2004
- 2004-08-23 JP JP2004242676A patent/JP2006060143A/en active Pending
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