特許 6792217 カーボンナノチューブ単一光子源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6792217

(24)【登録日】2020年11月10日

(45)【発行日】2020年11月25日

(54)【発明の名称】カーボンナノチューブ単一光子源

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/18 20100101AFI20201116BHJP

   G02F 3/00 20060101ALI20201116BHJP

   H01L 33/34 20100101ALI20201116BHJP

   H01L 33/48 20100101ALI20201116BHJP

   B82Y 20/00 20110101ALI20201116BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/18

   G02F3/00

   H01L33/34

   H01L33/48

   B82Y20/00

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-74741(P2016-74741)

(22)【出願日】2016年4月1日

(65)【公開番号】特開2017-175096(P2017-175096A)

(43)【公開日】2017年9月28日

【審査請求日】2019年4月1日

(31)【優先権主張番号】特願2015-102534(P2015-102534)

(32)【優先日】2015年5月20日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-56095(P2016-56095)

(32)【優先日】2016年3月18日

(33)【優先権主張国】JP

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成２７年２月２６日東海大学において開催された公益社団法人応用物理学会第６２回春季学術講演会で発表

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（個人型研究（さきがけ））「ナノカーボン光・電子量子デバイス開発と量子暗号通信応用」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(74)【代理人】

【識別番号】100080458

【弁理士】

【氏名又は名称】高矢 諭

(74)【代理人】

【識別番号】100076129

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 圭佑

(74)【代理人】

【識別番号】100144299

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 崇

(74)【代理人】

【識別番号】100150223

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 修三

(72)【発明者】

【氏名】牧 英之

【審査官】 大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０７８６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８３３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１３５９７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２１８０７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Xuedan MA, et al.，Electronic Structure and Chemical Nature of Oxygen Dopant States in Carbon Nanotubes，ACS Nano，２０１４年 ９月２９日，Vol.8, No.10，10782-10789，DOI:10.1021/nn504553y

【文献】 Yuhei MIYAUCHI, et al.，Brightening of excitons in carbon nanotubes on dimensionality modification，NATURE PHOTONICS，２０１３年 ７月 ７日，Vol.7, No.9，p.715-719，DOI:10.1038/NPHOTON.2013.179

【文献】 Yanmei PIAO, et al.，Brightening of carbon nanotube photoluminescence through the incorporation of sp3 defects，NATURE CHEMISTRY，２０１３年 ７月２１日，Vol.5, No.10，p.840-845，DOI:10.1038/NCHEM.1711

【文献】 Kazunari MATSUDA，NOVEL EXCITONIC PROPERTIES OF CARBON NANOTUBES TOWARD NANO-CARBON OPTICS，17th Microoptics Conference (MOC'11)，２０１１年１０月３０日，E-5，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6110279

【文献】 Alexander HOEGELE, et al.，Photon Antibunching in the Photoluminescence Spectra of a Single Carbon Nanotube，Physical Review Letters，２００８年 ５月２７日，100，217401，DOI:10.1103/PhysRevLett.100.217401

【文献】 Jacques LEFEBVRE, et al.，Photoluminescence Imaging of Suspended Single-Walled Carbon Nanotubes，Nano Letters，２００６年 ７月 １日，Vol.6, No.8，p.1603-1608，DOI:10.1021/nl060530e

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００ − ３３／６４

Ｃ０１Ｂ ３２／００ − ３２／９９１

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カーボンナノチューブ表面の一部に、原子、分子、原子層又は分子層を付着させることにより、５０Ｋよりも高い温度で動作する程度に深い局在準位を形成して、５０Ｋよりも高い温度で励起子が局在するようにされていることを特徴とするカーボンナノチューブ単一光子源。

【請求項2】

前記カーボンナノチューブ表面の一部に吸着又は堆積される、原子、分子、原子層又は分子層の無機物、有機物、金属、半導体又は絶縁体により、吸着又は堆積が有る部分の誘電率が、吸着又は堆積が無いクリーンな部分の誘電率よりも大とされ、該クリーンな部分の励起子の束縛エネルギーが大とされて、該クリーンな部分に励起子が閉じ込められて局在するようにされていることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ単一光子源。

【請求項3】

前記カーボンナノチューブ表面の一部に吸着又は堆積される、原子、分子、原子層又は分子層の無機物、有機物、金属、半導体又は絶縁体により、吸着又は堆積が有る部分の誘電率が、吸着又は堆積が無いクリーンな部分の誘電率よりも大とされ、前記吸着又は堆積が有る部分のバンドギャップが小とされて、該吸着又は堆積が有る部分に励起子が閉じ込められて局在するようにされていることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ単一光子源。

【請求項4】

前記無機物、有機物、金属、半導体又は絶縁体の吸着物又は堆積物近くのカーボンナノチューブ部分又は該吸着物又は堆積物自体によって、熱的に励起された非局在の自由励起子からの発光が抑制されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブ単一光子源。

【請求項5】

前記カーボンナノチューブ表面の一部に吸着又は堆積させる物質が導電性物質であることを特徴とする請求項２又は３に記載のカーボンナノチューブ単一光子源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カーボンナノチューブ単一光子源に係り、特に、室温を含む５０Ｋよりも高い温度でも通信波長帯で単一光子を発生することが可能なカーボンナノチューブ単一光子源に関する。

【背景技術】

【0002】

１パルス中に含まれる光子が１個に制限された単一光子は、量子力学に関する基礎研究分野や、その応用で盗聴の検知による絶対的に安全な量子暗号通信などの応用研究分野において近年注目されており（特許文献１参照）、特に量子暗号通信の実用化には、光ファイバー低損失領域（通信波長帯）である波長１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯での長距離単一光子伝送が必要とされている。

【0003】

従来、通信波長帯での単一光子発生源としては、レーザー光源を単純に減衰することで単一光子を得ているが、単一光子の発生効率が低く伝送距離や通信速度の著しい低下を招くため、効率良く確実に単一光子を発生させる単一光子光源の実現が望まれている。

【0004】

単一光子発生を実現する材料系としては、化合物半導体量子ドットやダイヤモンド中欠陥（ＮＶ中心）などが報告されており、単一光子生成時の同時光子発生抑制の証拠であるアンチバンチング挙動が観測されている（非特許文献１〜３参照）。

【0005】

通信波長帯での単一光子源は、現在、ＩｎＡｓ系などの化合物半導体量子ドットで実現しているが、１０Ｋといった極低温のみでしか動作しないことから高価で希少な資源である液体ヘリウムによる冷却が必要となっている。

【0006】

また、室温での単一光子発生は、ＣｄＳｅ系、ＧａＮ系などの化合物半導体やダイヤモンドＮＶ中心などで実現しているが、いずれも発光波長は可視域であり通信波長帯での室温単一光子発生は未だに報告されていない。

【0007】

カーボンナノチューブは、互いに束縛された電子と正孔のペアである励起子の束縛エネルギーが従来の固体半導体と比べて１０倍程度も大きく、数百ｍｅＶ程度あるため、室温で励起子が安定して存在することができる。

【0008】

また、局在励起子や閉じ込められた励起子を作ることで、量子ドットのような準位の離散化や励起子同士の対消滅により、カーボンナノチューブ内の励起子を１つに制限することができるようになる。この１つの励起子が緩和する際に、１つの光子を発生させる。これを利用すると、発光パルス内に１光子しか含まれない単一光子を生成することができる。

【0009】

カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの構造を示すカイラリティーや直径に依存して、波長０．８μｍ〜２μｍ程度の近赤外領域で発光することが知られている。特に、光ファイバーの低損失域である通信波長帯（波長１．３μｍや１．５５μｍ）でも発光する。そのため、通信波長帯の波長を有する単一光子を生成することが期待できるが、現状では、カーボンナノチューブからの通信波長帯の単一光子生成は報告されていない。

【0010】

従来の報告では、カーボンナノチューブでは、低温の５０Ｋ以下においては、局在した励起子から単一光子が得られたという報告がある（非特許文献４参照）。ただし、通信波長帯ではない。また、室温を含む５０Ｋ以上の高温では、単一光子が得られた報告は無い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２００９−１４７４６０号公報

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】M.J.Holmes et. al., “Room-Temperature Triggered Single Photon Emission from a III-Nitride Site-Controlled Nanowire Quantum Dot”, Nano Lett. 2014, 14, 982-986.

【非特許文献2】K.Takemoto et. al., “Non-classical Photon Emission from a Single InAs/InP Quantum Dot in the 1.3-μm Optical-Fiber Band”, Japanese Journalof Applied Physics Vol.43, No.7B, 2004, pp. L993-L995.

【非特許文献3】I.Aharonovich et. al., “Diamond-based single-photon emitters”, Rep. Prog. Phys.74(2011)076501(28pp).

【非特許文献4】A. Hoegele et. al., “Photon Antibunching in the Photoluminescence Spectra of a Single Carbon Nanotube”, PRL 100, 217401 (2008).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

室温かつ通信波長帯での単一光子は、単純なレーザーの減衰による疑似的な単一光子が用いられているため単一光子の生成確率が低く、１パルス内に光子が１個に制御された、通信波長帯かつ室温で動く単一光子源は、あらゆる物質を含めて現在は存在しない。

【0014】

一方、カーボンナノチューブにおいては、５０Ｋ以下での低温かつ通信波長帯以外の波長において単一光子が得られているが、５０Ｋから室温以上といった高温での単一光子は得られていない。

【0015】

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、室温を含む５０Ｋより高い温度でも通信波長帯で単一光子を発生可能な光子源を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

室温を含む５０Ｋより高い温度でも安定して「局在励起子」が得られれば、単一光子を発生させることができる。従来、５０Ｋ以下でしか単一光子が得られていないのは、高温下では励起子の局在化が熱エネルギーで解けてしまい、励起子が自由に動き回ってしまい、局在励起子が得られていないことによる。

【0017】

本発明では、例えばカーボンナノチューブ表面の一部に原子、分子、原子層（単原子層又は多原子層）又は分子層を付着させることにより、５０Ｋよりも高い温度で動作する程度に深い局在準位を形成して、局在励起子を作る。深い準位を作ることにより、高温まで励起子が局在しやすい。ここで、例えばアモルファスカーボンやアルミナを付着させることで実現できる。

【0018】

また、上記と同様又は別に、カーボンナノチューブ表面の一部に、原子、分子、単原子層・多原子層（原子層）・分子層の無機物・有機物、金属、半導体、絶縁体を吸着又は堆積させることにより、吸着又は堆積が有る部分の誘電率を、吸着又は堆積が無いクリーンな部分の誘電率よりも大きくする。図１のように、吸着又は堆積が無いクリーンな部分１０Ａは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０の内部と外部が真空（真空は、最も小さな比誘電率１を有する）であるため、実効的な誘電率が小さくなる。吸着又は堆積が有る部分１２では、それらの物質の比誘電率が１よりも大きくなり、実効的な誘電率が上昇する。外部環境によって実効的な誘電率が上昇すると、クーロン相互作用が小さくなるため、図１のように励起子の束縛エネルギーの減少やバンドギャップの減少が見られる。図１（Ａ）のように、誘電率上昇による励起子の束縛エネルギー減少が支配的な場合、励起子１４の束縛エネルギーが吸着物又は堆積物近辺１２で小さくなるため、励起子は、束縛エネルギーの小さな吸着物又は堆積物近辺１２のカーボンナノチューブ部分よりも、それらの物質が無いクリーンなカーボンナノチューブ部分１０Ａの方が励起子の束縛エネルギーが大きくなることによって、励起子１４が感じるポテンシャルが小さくなって、クリーンな部分１０Ａで励起子が閉じ込められて局在しやすくなり、局在励起子がクリーンな場所に高温でも安定に存在することになる。また、図１（Ｂ）のように、バンドギャップ減少が支配的な場合、バンドギャップが吸着物又は堆積物近辺１２で小さくなるため、励起子は、バンドギャップの大きなクリーンな部分１０Ａよりも吸着物又は堆積物近辺１２の方がバンドギャップは小さくなり、吸着物又は堆積物近辺１２に励起子１４が閉じ込められやすくなり、局在励起子が吸着物又は堆積物近辺に高温でも安定に存在することになる。誘電率が変化した際に、励起子の束縛エネルギーの減少による効果が支配的なのか、バンドギャップの減少の効果が支配的なのかは、カーボンナノチューブに形成する吸着物又は堆積物近辺の物質の種類・吸着や堆積状態によって異なることや、吸着又は堆積によってカーボンナノチューブ自身の電子状態・光物性が影響を受けるため、形成する物質に合わせた励起子閉じ込め構造を構築することにより、効果的に励起子を局在させることが出来る。

【0019】

これらは、意図せずに吸着又は堆積される単原子層・多原子層又は分子層の無機物・有機物、金属、半導体、絶縁体でも良いため、特殊な吸着又は堆積を行わなくても、カーボンナノチューブの成長時などに導入されるものを使って、カーボンナノチューブの内部や外部の誘電率を制御しても良い。

【0020】

又は、蒸着・スパッタリング・スピンコート・溶液含浸・注入など、あらゆる方法によって人工的に単原子層・多原子層又は分子層の無機物・有機物、金属、半導体、絶縁体を吸着又は堆積させることにより、誘電率を制御しても良い。カーボンナノチューブ上・内で吸着又は堆積させる場所は、位置を制御しても良いし、ランダムな場所に形成しても良い。

【0021】

用いるカーボンナノチューブは、架橋カーボンナノチューブでも良いし、基板表面に乗っているカーボンナノチューブや薄膜内部などの物質内部に埋め込まれたカーボンナノチューブでも良い。架橋カーボンナノチューブの場合は、カーボンナノチューブへの吸着・堆積の効果が顕著に表れる。基板表面や物質内部に有るカーボンナノチューブでも吸着や堆積の効果はある。さらに基板表面や物質内部の場合は、カーボンナノチューブと基板又は物質の物理的・化学的な接触具合の不均一性によって、カーボンナノチューブ内の励起子が感じる実質的な誘電率が空間的に揺らぐため、吸着・堆積の効果と同様に励起子の閉じ込めと局在の効果が得られるため、吸着・堆積が無い場合でも同様の励起子の閉じ込めと局在の効果が得られる。

【0022】

誘電率が大きくなるほど、閉じ込めのポテンシャルの変化が大きくなり、局在性が増す。例えば、金属やアモルファスカーボンなどの導電性の物質を吸着又は堆積させた場合、それらの物質による遮蔽効果によって、励起子が感じる実効的な誘電率が高くなるためポテンシャルの変化も大きく、大きな閉じ込め効果が得られる。励起子束縛エネルギーは、誘電率が高いほど小さくなるため、励起子束縛エネルギーの変化の効果が大きい場合、誘電率が高くなる吸着物又は堆積物近辺のカーボンナノチューブ部分では励起子が不安定となり、クリーンな部分に励起子が安定化して閉じ込められる。一方、バンドギャップの効果が高い場合、バンドギャップは、誘電率が高くなると小さくなるため、誘電率が高くなる吸着物又は堆積物近辺に励起子を閉じ込めることが出来る。また、導電性の物質を吸着又は堆積させた場合は、励起子をつくる電子・正孔の波動関数の染み出しが大きくなり、励起子の安定性を制御する効果も得られる。半導体も金属と同様に導電性があるため、遮蔽効果が大きくなり、実効的に誘電率が増加する。また、導電性が小さい絶縁体や金属や分子や有機物でも、比誘電率は真空の比誘電率である１より大きくなるため、誘電率の増大の効果が得られる。そのため、実効的な誘電率が高いほど、励起子を閉じ込めるためのポテンシャルが大きくなることから、励起子閉じ込め効果が大きくなるが、どんな物質でも真空よりは誘電率が高いため、励起子の閉じ込めの効果がある。

【0023】

例えば、図２（Ａ）のように、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１０の周りに他の堆積物（例えば原子層堆積装置（ＡＬＤ）により堆積したアルミナＡｌ_２Ｏ_３）１２を堆積することで、堆積物１２付近の誘電率を上げて励起子を閉じ込めることが出来る。これは、図２（Ｂ）に示す如く、例えば、ＣＮＴの発光スペクトルより、アルミナの堆積によってバンドギャップが減少して発光波長がレッドシフトしていることからも示され、アルミナ堆積があるＣＮＴ部分に励起子が閉じ込められることを示している。また、図２（Ｃ）に示す如く、励起子束縛エネルギーの効果が大きな場合は、堆積物１２の間のクリーンな部分１０Ａに励起子１４を閉じ込めることができる。図において、ｅは電子、ｈは正孔、１２はアモルファスカーボン等の堆積物である。

【0024】

或いは図３に示す比較例のように、ＣＮＴ１０のクリーンな部分１０Ａの軸方向両側に内包物質１３を含有させて、内包物質１３が有る部分の誘電率を大とし、内包物質１３が無いクリーンな部分１０Ａの誘電率を小としても良い。

【0025】

また、さらに単一光子の観測を促進するためには、吸着物又は堆積物近辺のカーボンナノチューブ部分又は吸着物又は堆積物自体によって自由励起子発光がクエンチング（抑制）される効果を利用できる。単一光子を高温で効率良く得るためには、熱的に励起された非局在の自由励起子からの発光を抑制する必要がある。上述の局在励起子や誘電率制御により閉じ込められた励起子は、高温では一部又は多くが熱的に励起されて、局在していない自由励起子になる。その場合、単一光子が得られる局在励起子からの発光に加えて、自由励起子からの発光も同時に得られるため、１パルス内の光子が１つに抑制された状態が作れず、単一光子が得られない。一方、吸着物又は堆積物近辺のカーボンナノチューブ部分又は吸着物又は堆積物自体によって、自由励起子からの発光がクエンチングされた場合、自由励起子がたとえ存在していたとしても発光しないために、局在励起子からの単一光子の取り出しを邪魔しないため、高温でも単一光子を得やすくなる。

【0026】

本発明の実際の例を示す。ここでは、図４に示すような、微細加工技術で作製したラインアンドスペース基板において、トレンチ（溝）上を１本の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）が橋渡ししている架橋カーボンナノチューブに対して、波長８００ｎｍのパルスレーザー光照射励起で単一光子を生成した。得られた発光の発光スペクトルを図５（Ａ）に示すが、このサンプルでは、通信波長帯である波長約１．３μｍでの発光スペクトルが得られている。この発光に対して、単一光子の生成を確かめる光子相関測定を行ったところ、図５（Ｂ）に示す如く、遅延時間０秒で２次の相関関数が減少するアンチバンチングが観測されており、光子の同時発生が抑制された非古典光が発生していることが確認できた。即ち、２光子の同時発生抑制を示す遅延時間ゼロでの規格化された２次の相関関数の値（ｇ⁽²⁾（０）と呼ばれる）は、低温から室温までほぼ一定値で１を下回っており（＜０．６）、低温から室温まで安定して単一光子発生を示すアンチバンチング特性が得られた。

【0027】

本発明は、上記のような知見に基づいてなされたもので、カーボンナノチューブ表面の一部に、原子、分子、原子層又は分子層を付着させることにより、５０Ｋよりも高い温度で動作する程度に深い局在準位を形成して、５０Ｋよりも高い温度で励起子が局在するようにされていることを特徴とするカーボンナノチューブ単一光子源により、前記課題を解決したものである。

【0029】

ここで、前記カーボンナノチューブ表面の一部に吸着又は堆積される、原子、分子、原子層又は分子層の無機物、有機物、金属、半導体又は絶縁体により、吸着又は堆積が有る部分の誘電率が、吸着又は堆積が無いクリーンな部分の誘電率よりも大となる。それにより、誘電率変化に伴う励起子束縛エネルギー変化の効果が大きくなる場合は、該クリーンな部分の励起子の束縛エネルギーが大とされて、該クリーンな部分に励起子が閉じ込められて局在するようにすることができる。また、誘電率変化に伴うバンドギャップ変化の効果が大きくなる場合は、吸着又は堆積が有る部分のバンドギャップが小さくなるため、吸着又は堆積が有る部分に励起子が閉じ込められて局在するようにすることができる。

【0031】

又、前記無機物、有機物、金属、半導体又は絶縁体の吸着物又は堆積物近くのカーボンナノチューブ部分又は該吸着物又は堆積物自体によって、熱的に励起された非局在の自由励起子からの発光を抑制することができる。

【0032】

又、前記カーボンナノチューブ表面の一部に吸着又は堆積させる物質を導電性物質（例えばアモルファスカーボン）とすることができる。

【0033】

なお、単一光子を発生させるための励起子の生成方法（励起方法）は、光照射による励起（フォトルミネッセンス）でも良いし、通電による電流注入による励起（エレクトロルミネッセンス）でも良い。どのような方法によって生成される励起子においても、上述の方法を用いることで単一光子を発生させることができる。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、室温を含む５０Ｋより高い温度でも通信波長帯で単一光子を発生させることが可能となる。従って、現在必要とされている液体ヘリウムが不要なため、大掛かりで高価な液体ヘリウム冷却装置が不要である。そのため、化合物半導体を用いた液体ヘリウム冷却の単一光子光源と比べて、大幅に単一光子光源を小型化することができる。この技術は、液体窒素による冷却や非冷却で光ファイバーによる単一光子配信を可能にするものであり、現在実用化に向けて研究が進められている量子暗号通信といった量子情報技術の普及を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の原理を説明するための模式図

【図2】同じく堆積物と、その効果を示す模式図

【図3】比較例として内包物質により閉じ込められた励起子を示す模式図

【図4】本発明の原理を説明するための、アンチバンチング観測に用いた単一の架橋された単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）の典型的な電子顕微鏡写真を示す図

【図5】同じく（Ａ）室温における単層カーボンナノチューブからの発光スペクトルの例、及び（Ｂ）同一のカーボンナノチューブに対する室温での光子相関測定結果を示す図

【図6】本発明の第１実施形態である、架橋された単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）からの単一光子発生の例を示す斜視図

【図7】第１実施形態の変形例である、基板表面又は物質内部に埋め込まれたカーボンナノチューブを示す断面図

【図8】本発明の第２実施形態である、コプレーナ導波路に配設されたカーボンナノチューブを示す平面図

【図9】本発明の第３実施形態である、電流注入型の単一光子発生素子を模式的に示す斜視図

【図10】第３実施形態の発光の励起メカニズムを示す模式図

【図11】本発明の第４実施形態である、１次元共振器の構成を示す断面図

【図12】本発明の第５実施形態である、２次元共振器の構成を示す断面図

【図13】本発明の第６実施形態である、光ファイバーの端面に形成した単一光子光源を示す断面図

【図14】本発明の第７実施形態である、ワンチップ単一光子光源を示す斜視図

【図15】第７実施形態における光ファイバーとの接合状態の例を示す拡大断面図

【図16】本発明の第８実施形態である、シリコンフォトニクスによるチップ上の単一光子送信器ユニットを示す斜視図

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせても良いし、適宜選択して用いても良い。

【0037】

架橋された単層カーボンナノチューブ（架橋カーボンナノチューブ）１０Ｂから単一光子を発生させた本発明の第１実施形態を図６に示す。ピラー（例えばＳｉＯ_２ピラー）２２などの凹凸構造を有する基板（例えばＳｉ基板）２０を用いて、ピラー２２間を橋渡しした架橋カーボンナノチューブ１０Ｂを得ることができる。架橋カーボンナノチューブ１０Ｂでは、高効率な発光が得られやすく、吸着・堆積の効果が得られやすい。また、基板２０から浮いているカーボンナノチューブであれば良いので、通常の基板上のカーボンナノチューブでも、湾曲するなどで基板上から浮いている部分があれば、同様の効果がある。また、電流注入型の単一光子源でも、架橋構造を利用した単一光子源を得ることができる。

【0038】

単一光子を得るためのカーボンナノチューブとしては、図７に示す変形例のように、基板（物質）２０表面に配置されたカーボンナノチューブ１０Ｃでも良いし、物質（基板）２０内部に埋め込まれたカーボンナノチューブ１０Ｄでも良い。基板表面や物質内部では、カーボンナノチューブと基板・物質との物理的・化学的な接触に不均一性がある際には、励起子が感じる実質的な誘電率が空間的に揺らぐため、励起子の閉じ込めと局在効果が得られる。

【0039】

また、高いレートや短パルス状に単一光子を発生させたい場合は、特性インピーダンスを一定値に制御（例えば５０Ωや７５Ωなど）して高い周波数の電気・電圧・電流信号を伝搬・印加できる素子にすれば、高い周波数や短パルスでの単一光子発生が可能となる。例えば、コプレーナ導波路に適用した本発明の第２実施形態を図８に例示する如く、特性インピーダンスを制御したストリップライン（表裏面に導体箔を形成した板状誘電体基板の内部に線状の導体箔を形成）・マイクロストリップライン（表面に導体箔を形成した板状誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成）・コプレーナ導波路（板状誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成）などの導波路構造を有した単一光子発生デバイスを作製すれば、高い周波数の電気信号をカーボンナノチューブに印加できるので、高い周波数や短パルスでの単一光子発生が可能となる。図において、３０は、信号電極３２とグランド電極３４を備えたコプレーナ導波路である。

【0040】

また、図９に示す第３実施形態のように、架橋カーボンナノチューブ１０Ｂの両端に単なる２端子の電極２４、２６を形成した素子で電流注入型の単一光子発生素子１１が作製できる。

【0041】

この第３実施形態では、電極２４、２６の仕事関数を制御することで、電極とカーボンナノチューブの間のショットキーバリアを制御した場合、電子ｅと正孔ｈの注入効率を上げることができるため、高い効率で単一光子を生成することができるようになる。高仕事関数の正孔注入電極２４としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｃｒなどの仕事関数の高い金属・合金・化合物を用いることができる。また、低仕事関数の電子注入電極２６としては、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｓ、Ｋ、Ｌｉなどの仕事関数の低い金属・合金・化合物を用いることができる。また、電極２４、２６として半導体を用いても良く、シリコンやＧａＡｓなどの半導体材料において、ｎ型の半導体を電子注入電極２６、ｐ型の半導体を正孔注入電極２４として用いても良い。また、キャリアである電子ｅと正孔ｈを同時に注入するだけではなく、どちらか一方を注入して励起子１４を直接形成することで電流注入の単一光子を得ることもできる。この場合、図１０に示す如く、どちらか一方のキャリアが注入された際に、印可した電圧や電極とカーボンナノチューブ界面に生じるショットキー障壁などによる電界によってキャリアが高い運動エネルギーを持ち、そのエネルギーによって直接励起子を形成する衝突励起機構によって、単一光子を得ることができる。

【0042】

また、図１１に示す１次元共振器４０の第４実施形態や、図１２に示す２次元共振器４６の第５実施形態のように、１、２、３次元の共振器（屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶）中にカーボンナノチューブ１０の単一光子発生素子を形成することにより、指向性を有する高効率な単一光子取り出しが可能となる。加えて、共振器構造によって、共振器に共鳴する波長の単一光子を発生させることが可能となる。図において、４２は共振器部分のフォトニック結晶、４４は金属ミラー又は誘電体多層膜ミラー、４８は２次元フォトニック結晶である。

【0043】

これらの実施形態では、共振器構造を制御することにより、任意の波長の単一光子を取り出すことが可能となり、例えば、波長多重の単一光子配信が可能となる。

【0044】

光ファイバーと単一光子源を直接結合する場合、従来の化合物半導体量子ドット単一光子源では、ファイバーコア径に対して多数の量子ドットが高密度に存在することから、たった１個の量子ドットからの単一光子を直接、光ファイバーに導入することは難しい。また、これらの量子ドット単一光子源は、１０Ｋ付近まで液体ヘリウム冷却が必要であり、大掛かりなクライオスタット内での高精度の光ファイバー結合は難しい。一方、本発明によるカーボンナノチューブ単一光子源は、カーボンナノチューブの位置と密度を触媒により自由に制御することができるため、たった１本のカーボンナノチューブに対して、光ファイバーを直接形成することが可能であることに加えて、室温で通信波長帯の単一光子が得られることから冷却装置が一切不要のため、図１３に示す第６実施形態のように、光ファイバー５０の端面にカーボンナノチューブ１０を直接形成するだけで単一光子光源を簡単に作成できる。この場合、励起光による光励起と発生した単一光子の伝送を同一の光ファイバー５０を用いて行うことで光励起の単一光子光源が実現できるとともに、光ファイバー断面に電流注入型の単一光子源を形成することもできる。

【0045】

また、カーボンナノチューブの単一光子源は、シリコンなどのチップ上に直接形成できるため、図１４に示す第７実施形態のように、チップ上の単一光子光源５８に光ファイバー５０を押し当てて接合することで、超小型で取り扱いが容易なワンチップ単一光子光源が実現できる。例えば、カーボンナノチューブ１０の単一光子発生素子に対して直接、光ファイバー５０の結合が可能であり、単一光子発生素子と光ファイバーの機械的な治具による固定や、エポキシなどによる接着材による接着が可能であることから、単一光子発生素子のチップ化と光ファイバーとの一体化が可能である。これにより、光ファイバー結合型単一光子光源が実現できる。

【0046】

また、結合する光ファイバー５０の端面は、様々な形状を利用でき、フラットや斜め研磨の端面だけではなく、曲面の端面や、球面や円錐状に研磨したり屈折率を制御することで、図１５に例示する如く、レンズ機能を有するレンズド光ファイバー５２による集光も利用可能である。

【0047】

また、単一光子光源を外部光学機器や光ファイバーなどの光学系と接合する際は、対物レンズ・ボールレンズ・片凸両凸レンズなどの様々なレンズと結合させることで、高効率に単一光子を取り出すことも可能である。

【0048】

また、カーボンナノチューブの単一光子光源は、シリコン基板上に直接形成可能であることから、図１６に示す第８実施形態のように、カーボンナノチューブ単一光子光源とシリコン光導波路の直接的な結合による単一光子のシリコン導波路出射が可能である。また、カーボンナノチューブ単一光子光源は、非常に小型であることから、シリコン光導波路だけではなく、石英光導波路やその他の材料での光導波路など、光を伝搬できれば、どのような光導波路でも結合可能である。導波路の内部に単一光子光源を形成して単一光子を導波路に入れても良いし、図１４に示した如く、導波路（図１４では光ファイバー５０）の端面に光源を形成して押し当てて接合し、単一光子を端面から導波路（５０）に入れても良い。

【0049】

さらに、図１６に示した如く、導波路表面やその近傍に光源を配置して、エバネッセント場を介して光導波路に単一光子を導入しても良い。シリコン光導波路などの光導波路に単一光子を導入した場合、図１６に示したような導波路６０により、干渉系６２・位相変調器６４・遅延（回）路６６・合波器６８といった光集積回路（シリコンフォトニクス）内に単一光子を直接導入可能となる。

【0050】

量子暗号応用では、単一光子源から出射される単一光子に対して、偏光や位相状態に情報を乗せて暗号通信を行うが、従来の量子暗号配信システムでは、マクロな光学部品により組まれているため大型な装置となっている。一方、カーボンナノチューブ単一光子光源は、室温下で通信波長の単一光子をダイレクトに光集積回路（シリコンフォトニクス）と結合できるため、それらを用いた導波路・干渉系・位相変調器・遅延(回)路・合波器によって、ワンチップ上の量子暗号配信システムが作製できる。これにより、ワンチップで安価な量子暗号システムや波長多重による多者配信技術を新たに構築することが可能となる。

【0051】

実際にこの単一光子発生素子を用いることで、非冷却で光ファイバーを使った量子暗号通信用の光源として使える。非冷却又は液体窒素冷却なので、量子暗号送信機の小型化ができる。

【符号の説明】

【0052】

１０、１０Ｃ、１０Ｄ…カーボンナノチューブ
１０Ａ…クリーンな部分
１０Ｂ…架橋カーボンナノチューブ
１１…単一光子発生素子
１２…堆積物
１３…内包物質
１４…励起子
１６…単一光子
２０…基板
２２…ピラー
２４…正孔注入電極
２６…電子注入電極
３０…コプレーナ導波路
３２…信号電極
３４…グランド電極
４０…１次元共振器
４２…フォトニック結晶（共振器部分）
４６…２次元共振器
４８…２次元フォトニック結晶
５０…光ファイバー
５２…レンズド光ファイバー
５８…単一光子光源
６０…導波路
６２…干渉系
６４…位相変調器
６６…遅延(回)路
６８…合波器
ｅ…電子
ｈ…正孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】