JP2008216883A - Photonic crystal resonator, photon pair producing apparatus, and photonic phase modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフォトニック結晶共振器及びこれを用いた光子対発生装置、光子位相変調装置に関する。 The present invention relates to a photonic crystal resonator, a photon pair generation device using the photonic crystal resonator, and a photon phase modulation device.
フォトニック結晶は、屈折率の異なる物質が周期的に分布した光学機能材料であり、光子のエネルギーと伝播方向に対してバンド構造が形成されている。このバンド構造は、光の伝播が許容されないフォトニックバンドが存在することが特徴である。 A photonic crystal is an optical functional material in which substances having different refractive indexes are periodically distributed, and a band structure is formed with respect to the energy and propagation direction of photons. This band structure is characterized by the existence of a photonic band in which light propagation is not allowed.
周期構造としては、微細加工上の都合によりスラブ状の半導体薄膜に微小な開口を周期的に設ける方法が用いられることが多い。例えば、直径の同じ円孔を三角格子状に配列することでフォトニック結晶を構成することができる。 As the periodic structure, a method of periodically providing minute openings in a slab-like semiconductor thin film is often used for the convenience of fine processing. For example, a photonic crystal can be formed by arranging circular holes having the same diameter in a triangular lattice shape.
フォトニック結晶は、周期的な屈折率分布を変調することによって様々な光学機能を付加することが可能である。例えば、フォトニック結晶から円孔の列を１次元的に取り除くと、フォトニックバンドギャップ中のあるエネルギーの光について伝播が許容される。この１次元的な構造は「線欠陥」と呼ばれ、特定のエネルギーの光のみがこの線欠陥を伝播する。この線欠陥は光導波路として用いられる他に、他の線欠陥と結合させることで合分波器として用いられる。 The photonic crystal can add various optical functions by modulating the periodic refractive index distribution. For example, if a circle of holes is removed one-dimensionally from a photonic crystal, propagation of light of a certain energy in the photonic band gap is allowed. This one-dimensional structure is called a “line defect”, and only light of a specific energy propagates through the line defect. In addition to being used as an optical waveguide, this line defect is used as a multiplexer / demultiplexer by being coupled with another line defect.
また、円孔を一つ又は複数個、点状に取り除くと、点欠陥を構成できる。この場合はフォトニックバンドギャップ中に特定のエネルギーの光が定在波として存在することが可能となる。すなわち、点欠陥は光を閉じ込める共振器として機能する（特許文献１、２参照）。
Further, when one or a plurality of circular holes are removed in the form of dots, a point defect can be formed. In this case, light of a specific energy can exist as a standing wave in the photonic band gap. That is, the point defect functions as a resonator that confines light (see
フォトニック結晶を構成する屈折率の周期分布は、光の波長の数分の１程度であるため、これらの構造によって形成される線状構造及び共振器は光の波長と同程度の大きさである。したがって、光の波長と同程度の微小な空間に光回路、共振器などの光学機能素子を実現することが可能となる。フォトニック結晶は、非常に狭い空間に光の電磁波を閉じ込めることができるため、光通信における合分波やレーザ以外の新たな分野への適用もなされている。 Since the periodic distribution of the refractive index constituting the photonic crystal is about a fraction of the wavelength of light, the linear structures and resonators formed by these structures are as large as the wavelength of light. is there. Therefore, it is possible to realize an optical function element such as an optical circuit or a resonator in a very small space equivalent to the wavelength of light. Since photonic crystals can confine electromagnetic waves of light in a very narrow space, they are also applied to new fields other than optical multiplexing and demultiplexing and lasers.
フォトニック結晶共振器では、モード体積を波長程度にまで小さくすることが可能であるため、共振器中に量子力学的な２準位系を置くと、この２準位系の上準位から下準位への自然放出レートが変化することが知られている。この効果はパーセル効果として知られている。この微小なモード体積を利用することで、蛍光の輻射寿命を制御することが可能となる。 In the photonic crystal resonator, the mode volume can be reduced to the wavelength level. Therefore, when a quantum mechanical two-level system is placed in the resonator, the two-level system is moved from the upper level to the lower level. It is known that the spontaneous emission rate to the level changes. This effect is known as the parcel effect. By using this minute mode volume, it is possible to control the radiation lifetime of fluorescence.
この２準位系には、例えば単一の半導体量子ドットが用いられる。フォトニック結晶共振器の中の半導体量子ドットは、非特許文献１に示されるように、パーセル効果を利用して所望の時間に単一の光子を放出する単一光子光源として機能する。単一光子光源は量子暗号鍵配送に代表される量子情報処理の分野において必要とされる。
For example, a single semiconductor quantum dot is used for the two-level system. As shown in Non-Patent
さらに最近では、量子ドットを利用して量子力学的な相関（エンタングルメント）のある光子対（以下、エンタングルメント光子対）を生成する試みもなされている（非特許文献２、３）。エンタングルメントは、光子や電子などの複数の粒子の間に起こる量子力学的な相関であり、測定されるまで状態が確定しないという特徴を持つ。このため、空間的に離れた点に量子力学的状態を転送する「量子テレポーテーション」に使われる。また、これを応用して、量子暗号鍵配布の長距離化を始めとする量子情報処理に応用される。
Furthermore, recently, attempts have been made to generate photon pairs having quantum mechanical correlation (entanglement) (hereinafter referred to as entanglement photon pairs) using quantum dots (Non-Patent
フォトニック結晶共振器のパーセル効果は、エンタングルメント光子対の発生効率やフィデリティと呼ばれるエンタングルメントの程度を向上させるのに有効であり、その方法が非特許文献４に開示されている。 The parcel effect of the photonic crystal resonator is effective in improving the generation efficiency of entanglement photon pairs and the degree of entanglement called fidelity, and the method is disclosed in Non-Patent Document 4.
しかしながら、特許文献４の方法で量子ドットによるエンタングルメント光子対源の機能を、フォトニック結晶を用いて向上させるためには次のような問題がある。 However, in order to improve the function of the entanglement photon pair source by quantum dots using the method of Patent Document 4 using a photonic crystal, there are the following problems.
量子ドットから放出されるエンタングルメント光子対は、偏光について量子力学的な相関を持つ状態であり、フォトニック結晶共振器の共振器モードに偏光依存性が無いことが要求される。このため、２次元スラブ型のフォトニック結晶では、正方格子あるいは三角格子など、スラブ面内で対称性のある格子パターンが使用される。これらの格子で構成されるフォトニック結晶の第１バンドギャップ内の最もエネルギーの低い共振モードは、二つの面内で直交する双極子的な電磁場分布を示し、それぞれの共鳴エネルギーが等しいことが理論的に示されている。この共振モードを利用することで偏光依存性のないフォトニック結晶共振器を実現できる。 The entanglement photon pair emitted from the quantum dot is in a state having a quantum mechanical correlation with respect to the polarization, and the resonator mode of the photonic crystal resonator is required to have no polarization dependency. For this reason, in the two-dimensional slab type photonic crystal, a lattice pattern having symmetry in the slab plane such as a square lattice or a triangular lattice is used. It is theorized that the resonance mode with the lowest energy in the first band gap of the photonic crystal composed of these lattices shows a dipole electromagnetic field distribution orthogonal to each other in two planes, and each resonance energy is equal. Has been shown. By using this resonance mode, a photonic crystal resonator having no polarization dependency can be realized.
しかしながら、現実にこのようなフォトニック結晶共振器を作成すると、これらの二つの双極子的なモードは異なるエネルギーに***することが実験的に示されている。この***は、面内の対称性が完全ではないために生じており、これはフォトニック結晶を作成するプロセス（電子ビームリソグラフィ、ドライエッチング）の不完全性に起因するとされている。このため、通常の方法で作られるフォトニック結晶共振器はエンタングルメント光子対発生に用いることができない。 However, it has been experimentally shown that when actually creating such a photonic crystal resonator, these two dipole modes split into different energies. This splitting occurs because the in-plane symmetry is not perfect, which is attributed to imperfections in the process of creating a photonic crystal (electron beam lithography, dry etching). For this reason, the photonic crystal resonator produced by a normal method cannot be used for entanglement photon pair generation.
図６に、高屈折率物質１４をＧａＡｓ、低屈折率物質１３を円孔（空気）で構成したフォトニッククリスタル共振器１１を示す。格子点は三角格子によって構成され、一つの円孔を高屈折率物質１４で満たすことで点欠陥１２を形成できる。点欠陥１２による共振器をＨ１型共振器と呼ぶ。
FIG. 6 shows a photonic crystal resonator 11 in which the high
このＨ１型フォトニック結晶共振器の共振器モードスペクトルを図７に示す。図に現れている二つのピーク（符号２１、２２）が偏光が直交する共振器モードに対応している。このように、フォトニック結晶を作成する上での誤差により、波長１３００ｎｍ付近において２ｎｍ程度の***を示す。
FIG. 7 shows a resonator mode spectrum of the H1-type photonic crystal resonator. The two peaks (
この***量は、共振器モード設計波長１３００ｎｍの約１．５％である。半導体結晶に作られる２次元スラブ型のフォトニック結晶は、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィによる格子パターン描画、ドライエッチングによる空孔の形成、ウエットエッチングによる犠牲層の除去という手順で作成される。したがって、この***量は、プロセスの各工程における面内の２方向の誤差の累積に相当する。 This splitting amount is about 1.5% of the resonator mode design wavelength of 1300 nm. A two-dimensional slab type photonic crystal formed in a semiconductor crystal is formed by a procedure of drawing a lattice pattern by electron beam (EB) lithography, forming holes by dry etching, and removing a sacrificial layer by wet etching. Therefore, this splitting amount corresponds to the accumulation of errors in two directions in the plane in each step of the process.
この問題を解決するための一つの方法が非特許文献５に開示されている。非特許文献５には、双極子的な共振器モードを構成する一つの偏波成分を選び、この共振器モードで電場密度分布が高い領域を選択的に酸化させて、この偏波成分の共鳴周波数を変化させる方法が開示されている。局所的な酸化には、ＡＦＭ酸化を用いている。ＡＦＭ酸化とは大気中においてＡＦＭを用いて試料表面に局所的に電流を流し、大気中の水分と酸素とによって試料表面を酸化させる方法である。 One method for solving this problem is disclosed in Non-Patent Document 5. Non-Patent Document 5 selects one polarization component constituting a dipole resonator mode, selectively oxidizes a region having a high electric field density distribution in this resonator mode, and resonates the polarization component. A method for changing the frequency is disclosed. AFM oxidation is used for local oxidation. AFM oxidation is a method in which an AFM is used to cause a current to flow locally on the sample surface in the atmosphere, and the sample surface is oxidized by moisture and oxygen in the atmosphere.
この方法では、酸化させる部分の面積を変化させることが可能である。そこで、非特許文献１では、酸化の面積に応じて偏波モードのピークが短波長側にシフトし、最終的に***していた偏波モードの共鳴周波数を一致させている。
In this method, the area of the portion to be oxidized can be changed. Therefore, in
一方、非特許文献６では、２次元スラブ型フォトニック結晶共振器で偏光モード***を制御する方法として、点欠陥周囲に近接する６個の円孔を非対称に変化させている。
非特許文献５の方法は、作成した個々のフォトニック結晶共振器に見られる偏光モード***を解消するのに優れているが、１回につき一つのフォトニック結晶しか調整できないという問題がある。また、ＡＦＭ酸化で表面に構成される酸化物の屈折率は、酸化される前の半導体の屈折率よりも低く、調整による偏光モードのピークは常に短波長側にシフトし、調整の範囲に制限がある。 The method of Non-Patent Document 5 is excellent in eliminating polarization mode splitting observed in the individual photonic crystal resonators produced, but has a problem that only one photonic crystal can be adjusted at a time. In addition, the refractive index of the oxide formed on the surface by AFM oxidation is lower than the refractive index of the semiconductor before oxidation, and the peak of the polarization mode due to adjustment always shifts to the short wavelength side and is limited to the adjustment range There is.
一方、非特許文献６に示されているフォトニック結晶共振器の測定データは、Ｑ値が１００程度であるが、単一光子光源やエンタングルメント光子対源に求められるＱ値が数千を超えるフォトニック結晶において、同様な方法で偏光モード***の共鳴波長を微細に調整するためには、点欠陥に最近接する円孔を非常に精密に制御して変化させる必要があり、作成精度の限界を超えることが予想される。
例えば、Ｈ１型フォトニック結晶共振器において、最近接の円孔の直径及び位置を変調してＱ値を５０００程度に最適化したフォトニック結晶共振器においては、試算によれば最近接の円孔について半径１ｎｍの変化に対して共振器の波長シフトは約２．３ｎｍと求められている。このようなフォトニック結晶共振器における偏光モードの線幅は、０．２６ｎｍ程度であり、偏光モード***を共振器モードの線幅以下にするには、０．１ｎｍ以下の精度で最近接の円孔の半径を調整する必要があるが、これは現在の微細加工技術の限界を超えている。
On the other hand, the photonic crystal resonator measurement data shown in Non-Patent
For example, in a photonic crystal resonator in which the Q value is optimized to about 5000 by modulating the diameter and position of the nearest circular hole in the H1 type photonic crystal resonator, With respect to the change in the radius of 1 nm, the wavelength shift of the resonator is required to be about 2.3 nm. The line width of the polarization mode in such a photonic crystal resonator is about 0.26 nm, and in order to make the polarization mode splitting less than the line width of the resonator mode, the nearest circle with an accuracy of 0.1 nm or less is used. The hole radius needs to be adjusted, which is beyond the limits of current micromachining technology.
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、高いＱ値のフォトニック結晶共振器の作成誤差に起因する偏光モード***を微細に調整する方法を提供することと目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a method for finely adjusting polarization mode splitting caused by a production error of a photonic crystal resonator having a high Q value.
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、高屈折材料と低屈折材料とで構成される周期構造を備えた２次元フォトニック結晶の格子面内に第１の光閉じ込め方向及びこれと直交する第２の光閉じ込め方向のそれそれについて対称に配置されている格子点の少なくとも一つを、点状に欠落させて点状欠陥を設けたフォトニック結晶共振器であって、高屈折材料と低屈折材料との周期構造は、点状欠陥に最も近接する格子点ではない格子点において、第１及び第２の光閉じ込め方向で非対称に変調されたことを特徴とするフォトニック結晶共振器を提供するものである。 In order to achieve the above object, as a first aspect, the present invention provides a first light confinement direction in a lattice plane of a two-dimensional photonic crystal having a periodic structure composed of a high refractive material and a low refractive material. And a photonic crystal resonator in which at least one of lattice points arranged symmetrically with respect to each of the second optical confinement directions perpendicular to the second optical confinement direction is missing in a point shape to provide a point-like defect, The periodic structure of the high refractive material and the low refractive material is asymmetrically modulated in the first and second optical confinement directions at a lattice point that is not closest to the point defect. A crystal resonator is provided.
本発明の第１の態様においては、高屈折材料はＧａＡｓであり、低屈折材料は、高屈折材料に形成された空孔であることが好ましい。また、偏光が直交する共振器モードの共鳴波長の差が共振器モードの半値全幅の２分の１以下であることが好ましい。 In the first aspect of the present invention, the high refractive material is preferably GaAs, and the low refractive material is preferably a hole formed in the high refractive material. Moreover, it is preferable that the difference in the resonance wavelength of the resonator mode in which the polarization is orthogonal is equal to or less than half of the full width at half maximum of the resonator mode.
また、上記目的を達成するため、本発明は第２の態様として、上記本発明の第１の態様のいずれかの構成に係る２次元フォトニック結晶共振器であって、高屈折率材料からなる２次元スラブ内に設定された格子点に、低屈折材料が所定の同一寸法・形状で配列されており、点状欠陥は格子点を少なくとも一つ含み、該点状欠陥に含まれる格子点には、低屈折材料が配置されておらず、点状欠陥に最も近接して配置される低屈折率材料は、寸法及び形状の少なくとも一方が、所定の同一寸法・形状から変えられていることを特徴とする２次元フォトニック結晶共振器を提供するものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、上記本発明の第２の態様にかかる２次元フォトニック結晶共振器を用いた光子対発生装置であって、点状欠陥には単一の量子ドットが埋め込まれた構造を有し、量子ドットにおける励起子分子を生成する手段を備えており、励起子分子発光が緩和する過程において励起子分子発光に対応する第１の光子と励起子発光に対応する第２の光子とを発生し、第１及び第２の光子が量子力学的にもつれあっていることを特徴とする光子対発生装置を提供するものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides, as a second aspect, a two-dimensional photonic crystal resonator according to any one of the first aspect of the present invention, comprising a high refractive index material. Low-refractive-materials are arranged at predetermined lattice points set in the two-dimensional slab with the same size and shape, and the point defect includes at least one lattice point, and the lattice point included in the point defect is No low-refractive material is disposed, and the low-refractive index material disposed closest to the point defect has at least one of size and shape changed from the same same size and shape. The featured two-dimensional photonic crystal resonator is provided.
In order to achieve the above object, the present invention provides, as a third aspect, a photon pair generating apparatus using a two-dimensional photonic crystal resonator according to the second aspect of the present invention, wherein Has a structure in which a single quantum dot is embedded, and includes means for generating exciton molecules in the quantum dot, and the first corresponding to exciton molecular emission in the process of relaxation of exciton molecular emission. The present invention provides a photon pair generating device that generates photons and second photons corresponding to exciton emission, and the first and second photons are entangled quantum-mechanically.
また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、上記本発明の第２の態様にかかる２次元フォトニック結晶共振器を用いた光子位相変調装置であって、点状欠陥には、単一の２準位系が埋め込まれた構造を有し、２準位系に入射する制御光子によって２準位系の複素屈折率が変化することにより、該２準位系に別途入射される被制御光子の位相が変調されることを特徴とする光子位相変調装置を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides, as a third aspect, a photon phase modulation apparatus using a two-dimensional photonic crystal resonator according to the second aspect of the present invention, wherein Has a structure in which a single two-level system is embedded, and the complex refractive index of the two-level system is changed by a control photon incident on the two-level system. The present invention provides a photon phase modulation device characterized in that the phase of an incident controlled photon is modulated.
本発明によれば、フォトニック結晶共振器は、所望の偏光モードの共鳴波長を微細に調整することが可能となる。微細加工プロセスが有する面内の系統的な作成誤差を補正するのに有効である。これにより、フォトニック結晶共振器の偏光モードの***を解消するために用いることができる。このようなフォトニック結晶共振器は例えばエンタングルメント光子対源を構成するために用いることができる。 According to the present invention, the photonic crystal resonator can finely adjust the resonance wavelength of a desired polarization mode. This is effective in correcting systematic production errors in the plane of the microfabrication process. Thereby, it can be used to eliminate the splitting of the polarization mode of the photonic crystal resonator. Such a photonic crystal resonator can be used, for example, to construct an entanglement photon pair source.
本発明による２次元フォトニック結晶共振器は、面内で対称な高屈折材料と低屈折材料とから構成される２次元フォトニック結晶の点状欠陥からなる微小共振器であり、共鳴波長をシフトさせる偏光モードに対応する電磁場が閉じ込められている方向において、点欠陥を中心として最近接ではない屈折率の周期構造が、所定の格子点から変位されているか、所定の周期構造とは異なる大きさであるかの少なくともいずれかとなっている。
ここで、最近接ではない周期構造とは、電磁場が閉じ込められている方向において点欠陥と同一直線上にある一つの周期構造には限定されず、所定の目的が達成されるのであれば、それに隣接する周期構造を含めて良い。
The two-dimensional photonic crystal resonator according to the present invention is a microresonator composed of point-like defects of a two-dimensional photonic crystal composed of a high-refractive material and a low-refractive material that are symmetrical in the plane, and shifts the resonance wavelength. In the direction in which the electromagnetic field corresponding to the polarization mode to be confined is confined, the periodic structure having a refractive index that is not closest to the point defect is displaced from a predetermined lattice point, or is different from the predetermined periodic structure. Is at least one of the following.
Here, the non-nearest periodic structure is not limited to one periodic structure that is collinear with the point defect in the direction in which the electromagnetic field is confined, and if a predetermined purpose is achieved, Adjacent periodic structures may be included.
図１に、本発明の好適な実施の形態にかかる２次元フォトニック結晶共振器の構成を示す。従来のフォトニック結晶と同様に、高屈折率物質をＧａＡｓ、低屈折率物質を空気（円孔）、格子点を三角格子とし、一つの円孔を高屈折率物質で満たすことで点欠陥を構成している。また、所望のＱ値を得るため、点欠陥に最も近接する６個の円孔の直径及び位置を点対称に変位してある。説明のため、図１においては円孔の外周のみ示している。ここで、２次元スラブ面内にＸＹ直交座標系が存在するものとする。 FIG. 1 shows a configuration of a two-dimensional photonic crystal resonator according to a preferred embodiment of the present invention. Like conventional photonic crystals, high refractive index materials are GaAs, low refractive index materials are air (circular holes), lattice points are triangular lattices, and point defects are filled by filling one circular hole with high refractive index materials. It is composed. In order to obtain a desired Q value, the diameters and positions of the six circular holes closest to the point defect are displaced point-symmetrically. For the sake of explanation, only the outer periphery of the circular hole is shown in FIG. Here, it is assumed that an XY orthogonal coordinate system exists in the two-dimensional slab surface.
まず、Ｘ方向に偏りのある共振器モード（以下、Ｘ偏光モード）の共鳴波長を調整する方法を説明する。Ｘ偏光モードに対して電磁波の閉じ込めはＹ方向に起こり、点欠陥を中心にＹ方向に共振器が構成される。このＸ偏光モードの共鳴波長を調整するためには、図中に符号３１、３２で示した点欠陥から２番目のＹ方向の円孔の位置及び直径の少なくとも一方を変化させる。 First, a method for adjusting the resonance wavelength of a resonator mode (hereinafter referred to as X polarization mode) biased in the X direction will be described. Electromagnetic wave confinement occurs in the Y direction with respect to the X polarization mode, and a resonator is formed in the Y direction around a point defect. In order to adjust the resonance wavelength of the X polarization mode, at least one of the position and the diameter of the second Y-direction circular hole from the point defect indicated by reference numerals 31 and 32 in the figure is changed.
一例として、円孔３１、３２の位置をシフトさせた場合のＸ偏光モードの共鳴波長の波長依存性をＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）計算によってシミュレートした。ここでは１．３μｍ付近にダイポールライクなモードの共鳴がある例として、スラブ厚さが２４０ｎｍ、格子定数３５０ｎｍ、円孔直径２４０ｎｍの三角格子型のフォトニック結晶中の点欠陥による共振器について説明する。 As an example, the wavelength dependence of the resonance wavelength of the X polarization mode when the positions of the circular holes 31 and 32 are shifted was simulated by FDTD (Finite Difference Time Domain) calculation. Here, as an example of resonance in a dipole-like mode near 1.3 μm, a resonator with a point defect in a triangular lattice type photonic crystal having a slab thickness of 240 nm, a lattice constant of 350 nm, and a circular hole diameter of 240 nm will be described. .
図２は、図１の円孔３１及び３２のシフト量を−２０ｎｍから＋２０ｎｍまで適当な間隔で設定した場合のＸ偏光モードの共鳴波長とＹ偏光モードの共鳴波長との変化を表す。ここで、正のシフト量は円孔３１及び３２が点欠陥から離れる方向であり、負のシフト量は同じ円孔が点欠陥に近づくことを示している。また、シフト量０ｎｍは円孔３１及び３２が所定の格子点にあることを示している。 FIG. 2 shows changes in the resonance wavelength of the X polarization mode and the resonance wavelength of the Y polarization mode when the shift amounts of the circular holes 31 and 32 in FIG. 1 are set at an appropriate interval from −20 nm to +20 nm. Here, the positive shift amount is the direction in which the circular holes 31 and 32 move away from the point defect, and the negative shift amount indicates that the same circular hole approaches the point defect. A shift amount of 0 nm indicates that the circular holes 31 and 32 are at predetermined lattice points.
図２から、円孔３１及び３２の位置がシフトするのにともなって、Ｘ偏光モードの共鳴波長が変化していることが分かる。円孔のシフト量１ｎｍに対する共鳴波長の変化量は約０．３８ｎｍである。
一方、Ｙ偏光モードについては円孔のシフト量１ｎｍに対して約０．０６ｎｍの変化が共鳴波長に見られる。このように、円孔３１、３２のシフトによって、Ｘ偏光モード及びＹ偏光モードの共鳴波長の波長差を解消させることが可能であることが分かる。解消される波長差は、円孔のシフト量±１０ｎｍに対して約±３ｎｍである。
FIG. 2 shows that the resonance wavelength of the X polarization mode changes as the positions of the circular holes 31 and 32 shift. The amount of change in resonance wavelength with respect to 1 nm of the shift amount of the circular hole is about 0.38 nm.
On the other hand, in the Y polarization mode, a change of about 0.06 nm is seen in the resonance wavelength with respect to the shift amount of the circular hole of 1 nm. Thus, it can be seen that the wavelength difference between the resonance wavelengths of the X polarization mode and the Y polarization mode can be eliminated by shifting the circular holes 31 and 32. The wavelength difference to be eliminated is about ± 3 nm with respect to the shift amount ± 10 nm of the circular holes.
ここではシミュレーションの例として円孔の配置を格子点に対してシフトさせた。正のシフト量に対しては円孔３１、３２の点欠陥側の領域において実効的な屈折率が高くなるため、共鳴波長が長波長側にシフトする。円孔の配置をシフトさせる代わりに、円孔の直径を変化させることでも同様な効果が期待できる。 Here, as an example of simulation, the arrangement of the circular holes is shifted with respect to the lattice points. For a positive shift amount, the effective refractive index increases in the point defect side region of the circular holes 31 and 32, so that the resonance wavelength is shifted to the long wavelength side. The same effect can be expected by changing the diameter of the circular hole instead of shifting the arrangement of the circular holes.
図３の円孔５１、５２のように、円孔の直径を小さくすることで、円孔の配置を正の方向にシフトさせることと同様の効果を期待できる。円孔の配置のシフト及び直径の変化は、単独で用いても良いし、組み合わせて用いても良い。 Like the circular holes 51 and 52 in FIG. 3, by reducing the diameter of the circular holes, the same effect as shifting the arrangement of the circular holes in the positive direction can be expected. The shift of the arrangement of the circular holes and the change of the diameter may be used alone or in combination.
ここで、位置をシフトさせたり直径を変化させたりする円孔は、電磁場が閉じ込められている方向において点欠陥と同一直線上にある円孔３１、３２（５１、５２）だけには限定されず、Ｘ偏光モード及びＹ偏光モードの共鳴波長の波長差を解消できるのであれば、これらにＸ方向に隣接する円孔を含めても良い。 Here, the circular holes for shifting the position and changing the diameter are not limited to the circular holes 31 and 32 (51 and 52) that are collinear with the point defect in the direction in which the electromagnetic field is confined. If the wavelength difference between the resonance wavelengths of the X polarization mode and the Y polarization mode can be eliminated, a circular hole adjacent to the X direction may be included in these.
次に、図４を用いてＹ偏光モードの共鳴波長を調整する方法を説明する。Ｙ偏光モードは、Ｘ偏光モードに直交しているため、シフトさせる円孔を６１、６２とする。円孔６１、６２のシフト量に対するＹ偏光モードの共鳴波長の変位量は、Ｘ偏光モードの円孔の配置のシフトに対する共鳴波長の変位量に準ずる。 Next, a method for adjusting the resonance wavelength of the Y polarization mode will be described with reference to FIG. Since the Y polarization mode is orthogonal to the X polarization mode, the circular holes to be shifted are designated as 61 and 62. The displacement amount of the resonance wavelength of the Y polarization mode with respect to the shift amount of the circular holes 61 and 62 is based on the displacement amount of the resonance wavelength with respect to the shift of the arrangement of the circular holes of the X polarization mode.
Ｙ偏光モードについてもＸ偏光モードの場合と同様に、円孔をシフトさせる代わりに円孔の直径を変化させることによって共鳴波長を調整することができる。図５に示すように、円孔７１、７２の直径を変化させることに対応する。Ｙ偏光モードについても、円孔の配置のシフトと直径の変化とは単独で用いても良いし、組み合わせて用いても良い。 In the Y polarization mode, similarly to the X polarization mode, the resonance wavelength can be adjusted by changing the diameter of the circular hole instead of shifting the circular hole. As shown in FIG. 5, this corresponds to changing the diameters of the circular holes 71 and 72. Also in the Y polarization mode, the shift in the arrangement of the circular holes and the change in the diameter may be used alone or in combination.
また、位置をシフトさせたり直径を変化させたりする円孔は、電磁場が閉じ込められている方向において点欠陥と同一直線上にある円孔６１、６２（７１、７２）だけには限定されず、Ｘ偏光モード及びＹ偏光モードの共鳴波長の波長差を解消できるのであれば、これらにＹ方向に隣接する円孔を含めても良い。 Further, the circular holes that shift the position and change the diameter are not limited to the circular holes 61 and 62 (71 and 72) that are collinear with the point defect in the direction in which the electromagnetic field is confined, If the wavelength difference between the resonance wavelengths of the X polarization mode and the Y polarization mode can be eliminated, a circular hole adjacent to the Y direction may be included in these.
次に、この方法を用いてＨ１型フォトニック結晶共振器の偏光モード***を補正する方法を説明する。 Next, a method for correcting polarization mode splitting of the H1-type photonic crystal resonator using this method will be described.
先に例に挙げたＨ１型フォトニック結晶共振器は、厚さ２００ｎｍのＧａＡｓスラブに格子定数３５０ｎｍの三角格子状に直径２４０ｎｍの円孔が配列されている。所望のＱ値を得るために、点欠陥に最近接する６個の円孔の直径を例えば１１８ｎｍに設定すると、ＦＤＴＤ計算によって得られるフォトニック結晶共振器のＱ値は約１５０００である。この設計を用いて実際にフォトニック結晶共振器を作成し、その結果、双極子的な共振器モードのＱ値が約５０００のフォトニック結晶共振器が得られたとする。 In the H1-type photonic crystal resonator described above as an example, circular holes having a diameter of 240 nm are arranged in a triangular lattice having a lattice constant of 350 nm on a GaAs slab having a thickness of 200 nm. In order to obtain a desired Q value, if the diameter of the six circular holes closest to the point defect is set to 118 nm, for example, the Q value of the photonic crystal resonator obtained by the FDTD calculation is about 15000. It is assumed that a photonic crystal resonator is actually created using this design, and as a result, a photonic crystal resonator having a dipole resonator mode Q value of about 5000 is obtained.
このフォトニック結晶共振器は双極子的な共振器モードが偏光モード***を起こし、***量の平均値が２ｎｍであり、Ｘ偏光モードが常にＹ偏光モードよりも長い共鳴波長を示すものとする。このようなフォトニック結晶の作成条件の下において偏光無依存なフォトニック結晶を得るためには、図１の円孔３１、３２を−６．２５ｎｍシフトさせることで***量の平均値をゼロとすることが可能になる。また、シフト量の精度を０．８ｎｍ以下とすることで、***量の制御の値を共振器モードの線幅０．２６ｎｍ以下にすることが可能である。 In this photonic crystal resonator, the dipole resonator mode causes polarization mode splitting, the average value of splitting is 2 nm, and the X polarization mode always shows a longer resonance wavelength than the Y polarization mode. In order to obtain a polarization-independent photonic crystal under such photonic crystal production conditions, the average value of the splitting amount is set to zero by shifting the circular holes 31 and 32 in FIG. 1 by −6.25 nm. It becomes possible to do. Further, by setting the shift amount accuracy to 0.8 nm or less, it is possible to set the split amount control value to a resonator mode line width of 0.26 nm or less.
このように、本発明によれば、フォトニック結晶共振器を作成する条件（設計条件のみならず環境条件をも含む）が再現するという条件の下、作成誤差に起因する面内の歪みを補正することが可能になる。この方法によって、偏光無依存なフォトニック結晶共振器を作成する際の歩留まりを向上させることが可能となる。この偏光無依存なフォトニック結晶共振器は、量子ドットを用いたエンタングルメント光子対発生装置に用いることができる。 As described above, according to the present invention, the in-plane distortion caused by the creation error is corrected under the condition that the conditions for creating the photonic crystal resonator (including not only the design conditions but also the environmental conditions) are reproduced. It becomes possible to do. By this method, it is possible to improve the yield when producing a polarization-independent photonic crystal resonator. This polarization-independent photonic crystal resonator can be used in an entanglement photon pair generator using quantum dots.
また、この方法によって得られる偏光無依存のフォトニック結晶共振器は、エンタングルメント光子対発生器以外にも次のような使用が考えられる。Q.A.Turchette, C.J.Hood, W.Lange, H.Mabuchi, and H.J.Kimble, Physical Review Letters 75,4710(1995) では、共振器の中の単一原子を利用して、光子の位相を光子によって制御する実験が説明されている。この光子の位相を制御する素子は、光子を量子ビットとする量子情報処理において制御ノットゲートとして機能する。上記文献の原子を量子ドットに、共振器をフォトニック結晶共振器に置き換えることで、同様な制御ノットゲートを固体素子で実現可能である。このとき、光子の偏光が量子ビットの基底となるため、量子ドットが埋め込まれるフォトニック結晶共振器は偏光無依存である必要がある。本発明の偏光無依存のフォトニック結晶共振器はこの制御ノットゲートにも適用可能である。 In addition to the entanglement photon pair generator, the polarization-independent photonic crystal resonator obtained by this method can be used as follows. In QATurchette, CJHood, W. Lange, H. Mabuchi, and HJKimble, Physical Review Letters 75, 4710 (1995), the photon phase is controlled by photons using a single atom in the resonator. The experiment is explained. The element that controls the phase of this photon functions as a control knot gate in quantum information processing using photons as qubits. A similar control knot gate can be realized with a solid state element by replacing the atoms in the above document with quantum dots and the resonator with a photonic crystal resonator. At this time, since the polarization of the photon becomes the basis of the qubit, the photonic crystal resonator in which the quantum dot is embedded needs to be independent of polarization. The polarization-independent photonic crystal resonator of the present invention can also be applied to this control knot gate.
ここでは具体例として、格子点が三角格子であるフォトニック結晶共振器について説明したが、正方格子によって構成されるフォトニック結晶共振器であっても同様の効果が得られる。 Here, as a specific example, a photonic crystal resonator whose lattice point is a triangular lattice has been described, but the same effect can be obtained even with a photonic crystal resonator formed of a square lattice.
本発明によれば、偏光に無依存なフォトニック結晶共振器を作成できるため、エンタングルメント光子対発生装置のような量子情報処理デバイスに適用可能である。
一般に、光子の偏光状態を損なうことなく、量子ドット中の励起子や、不純物準位の電子、分子の励起状態などの物質の量子状態に、光子の量子状態を効率よく変換することが必要とされる量子情報処理デバイスにおいて本発明によって実現される偏光無依存のフォトニック結晶共振器は有効である。
According to the present invention, since a photonic crystal resonator independent of polarization can be created, the present invention can be applied to a quantum information processing device such as an entanglement photon pair generation device.
In general, it is necessary to efficiently convert the quantum state of a photon into a quantum state of a substance such as an exciton in a quantum dot, an electron in an impurity level, or an excited state of a molecule without impairing the polarization state of the photon. In a quantum information processing device, the polarization-independent photonic crystal resonator realized by the present invention is effective.
１１ フォトニッククリスタル共振器
１２ 点欠陥
１３ 低屈折率物質
１４ 高屈折率物質
３１、３２、５１、５２、６１、６２、７１、７２ 円孔
11 Photonic crystal resonator 12 Point defect 13 Low
Claims (6)
前記高屈折材料と前記低屈折材料との周期構造は、前記点状欠陥に最も近接する格子点ではない格子点において、前記第１及び第２の光閉じ込め方向で非対称に変調されたことを特徴とするフォトニック結晶共振器。 A first light confinement direction and a second light confinement direction orthogonal to the first light confinement direction are symmetrically arranged in the lattice plane of the two-dimensional photonic crystal having a periodic structure composed of a high refraction material and a low refraction material. A photonic crystal resonator in which at least one of the arranged lattice points is missing in a dot shape to provide a point defect,
The periodic structure of the high refraction material and the low refraction material is asymmetrically modulated in the first and second light confinement directions at a lattice point that is not the lattice point closest to the point defect. A photonic crystal resonator.
前記点状欠陥は前記格子点を少なくとも一つ含み、該点状欠陥に含まれる格子点には、前記低屈折材料が配置されておらず、
前記点状欠陥に最も近接して配置される前記低屈折率材料は、寸法及び形状の少なくとも一方が、前記所定の同一寸法・形状から変えられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のフォトニック結晶共振器。 The low refractive material is arranged in a predetermined same size and shape at the lattice points set in the two-dimensional slab made of the high refractive index material,
The point-like defect includes at least one of the lattice points, and the lattice point included in the point-like defect is not disposed with the low refractive material,
4. The low refractive index material disposed closest to the point defect has at least one of a size and a shape changed from the predetermined same size and shape. The photonic crystal resonator according to claim 1.
前記点状欠陥には単一の量子ドットが埋め込まれた構造を有し、前記量子ドットにおける励起子分子を生成する手段を備えており、
励起子分子発光が緩和する過程において励起子分子発光に対応する第１の光子と励起子発光に対応する第２の光子とを発生し、前記第１及び第２の光子が量子力学的にもつれあっていることを特徴とする光子対発生装置。 A photon pair generating apparatus using the photonic crystal resonator according to claim 4,
The point-like defect has a structure in which a single quantum dot is embedded, and includes means for generating exciton molecules in the quantum dot,
In the process of relaxation of exciton molecular light emission, a first photon corresponding to exciton molecular light emission and a second photon corresponding to exciton light emission are generated, and the first and second photons are entangled quantum mechanically. A photon pair generating device characterized by being matched.
前記点状欠陥には、単一の２準位系が埋め込まれた構造を有し、
前記２準位系に入射する制御光子によって前記２準位系の複素屈折率が変化することにより、該２準位系に別途入射される被制御光子の位相が変調されることを特徴とする光子位相変調装置。 A photon phase modulator using the photonic crystal resonator according to claim 4,
The point-like defect has a structure in which a single two-level system is embedded,
The phase of the controlled photon separately incident on the two-level system is modulated by changing the complex refractive index of the two-level system by the control photon incident on the two-level system. Photon phase modulator.
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