CN1305605A - 单一光子发生装置 - Google Patents
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Abstract
具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于在由该时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置。
Description
技术领域
本发明涉及用于作为通过使光子一个一个地携带信息而可以发现窃听者的传输系统的量子密码通信系统等的光源。
背景技术
在量子密码通信系统中，通过使光子一个一个地携带信息，利用量子力学的原理可以发现窃听者。但是，如果使2个以上的光子携带相同的信息，窃听者就有可能利用这些关系的一部分从而不能检测到窃听者的存在。这样，理想的就使必须利用最多只包含1个光子的脉冲。作为这样的脉冲，通常是利用衰减器对来自激光光源的光进行衰减，使每1脉冲的光子的平均数μ约为0.1。通过这样处理，可以减少在脉冲中包含2个以上的光子的概率。但是，在脉冲中包含1个光子的概率也减少为约0.1。即，在μ=0.1时，在10次当中实际上只能进行1次传输。
作为改善这种方法的先有技术的1例，下面，使用图9说明日本特表平8-505019号公报的「使用量子密码的密钥分配些和方法」所述的技术。在图9中，9是发生用于抽运非线性光学晶体5的抽运光的激光器。在非线性光学晶体11中，发生抽运光的1个光子概率地发生2个光子的参量荧光对。其中的1个光子(这里，称为空载光子)由光检测器和门控制装置49检测，检测到时就打开门装置4让另一方的光子(称为信号光子)通过。
但是，在先有的技术中，存在以下的问题。
首先，第一，在先有的方法中，在检测器的反应时间内发生2个光子对时，通过门操作将射出2个信号光子，从而在脉冲内将存在2个光子。
另外，在先有的方法中，不能控制在脉冲内部的光子发生的时刻。
另外，在即使检测光子的到达的检测器未检测到光子而由于噪声等发生输出脉冲的所谓的「暗计数脉冲」时，将输出射出光子不存在的光脉冲，效率将变坏。
本发明就是为了解决这样的问题而提案的，目的旨在在脉冲内只发生1个光子。
另外，目的旨在降低由于检测器的暗计数脉冲而引起的光子不存在的光脉冲的发生。
另外，目的旨在在脉冲内部在特定的时刻发生光子。
发明的概要
本发明的单一光子发生装置具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于在由该时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置。
另外，具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于仅对由该时钟规定的一定时间内的最初的光子检测器的信号开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置。
另外，作为入射抽运光的非线性光学介质，设置了抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a对应的直线相切的角度的非线性光学晶体。
另外，作为入射抽运光的非线性光学介质，具有抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a、b对应的直线相切的角度的非线性光学晶体。
另外，作为入射抽运光的非线性光学介质，具有波导型的非线性光学介质。
另外，作为入射抽运光的非线性光学介质，具有伪假相位匹配小型化非线性光学介质。
另外作为控制信号光子的射出的门装置，具有以比开关时间短的时间差进行开关的多个快门。
另外，具有使从光子对发生的信号光子到达控制该光子的射出的门装置的光纤。
在本发明中，由光子检测器检测空载光子的光子的入射，在由时钟发生器的时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关控制信号光子的射出的门装置。
另外，由光子检测器检测空载光子的光子的入射，仅对由时钟发生器的时钟规定的一定时间内的最初的光子检测器的信号开关控制信号光子的射出的门装置。
另外，使来自抽运光光源的抽运光入射，将由非线性光学介质发生的发生时刻具有相关关系的光子对作为空载光子和信号光子使用。
另外，在设置入射抽运光的非线性光学介质时，将抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a对应的直线相切的角度。
另外，在设置入射抽运光的非线性光学介质时，将抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a、b对应的直线相切的角度。
另外，将抽运光入射到波导型的非线性光学介质中。
另外，将抽运光入射到伪假相位匹配型非线性光学介质中。
另外，由以比开关时间短的时间差进行开关的多个快门构成的门装置控制信号光子的射出。
另外，使用光纤使从光子对发生的信号光子到达控制该光子的射出的门装置。
附图的简单说明
图1是本发明的一个实施例的全体结构图。
图2是本发明的一个实施例的结构图。
图3是表示由非线性光学介质发生的光子的波长与发射角度的关系的图。
图4是用于说明本发明的一个实施例的动作的图。
图5是用于说明本发明的一个实施例的动作的图。
图6是本发明的一个实施例的全体结构图。
图7是在本发明的一个实施例中使用的门装置部的结构图。
图8是用于说明在本发明的一个实施例中使用的门装置部的动作的图。
图9是先有技术的一例的全体结构图。
实施例1．
图1是本发明的一个实施例的全体结构图。
在图1中，1是发生发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、2是检测空载光子5的光子检测器、3是将从光子检测器发生的信号脉冲进行微分的微分电路、8是与微分电路3的信号和时钟发生部7的控制数对应地控制门装置4的门控制装置。
图2表示本实施例的详细的结构。在本实施例中，在时钟内的特定的时刻，高效地发生仅包含单一光子的光脉冲。
(光子对发生器的说明)
在图2中，9是抽运非线性光学介质11的抽运光10的光源。在非线性光学介质11中，通过降频发生具有抽运光10的波长λ的2倍的波长2λ的空载光子5和信号光子6。在本实施例中，作为抽运光光源9，使用具有351.1nm的波长的氩激光器。这时，空载光子5和信号光子6分别作为相互发生的光子的能量之和与351.1nm的波长的光子的能量相等的对即分别为702.2nm的波长的光子而发生。
如日本特愿平9-353078的「光子光束发生装置」所详细说明的那样，通过将非线性光学介质11的光轴设定为与抽运光10成某一特定的角度，便可使发生的空载光子5和信号光子6以光束状并且高效率地发生。图3表示β-Barium-Boron-Oxcide(BBO)晶体的光轴设定为与抽运光成50.4度的角度时的谐振曲线。在图3中，横轴表示发生的光子的波长，纵轴表示光子相对于抽运光的入射方向的出射方向。由图可知，2个谐振曲线与和波长702.2nm对应的直线相切。在该条件下，波长702.2nm的荧光对分别在+3度和-3度的方向以光束状射出。通过使用这样的非线性光学介质，相对于抽运光的入射功率可以有效地发生光子对，结果，在以同等的比率发生单一光子时，便可减小装置的电力消耗。
空载光子5由透镜15聚焦，通过使波长2λ的光子有选择地透过的滤波器17聚焦到光子数检测器2上。
(光子检出器的说明)
在本实施例中，作为光子检测器2，使用了精工EG＆G公司制造的SPCM-AQ。该光子检测器作为受光元件，以有源猝熄的盖格模式驱动雪崩光电二极管(APD)。APD加上某一一定电压(击穿电压)以上的电压时，即使仅入射单一光子，由其所激励的内部载流子也将被外加电压所加速，激励其他载流子的过程不会结束，从而将成为反复击穿的状态。这样，就不能检测下一个光子的入射。所谓猝熄，就是在检测到光子的入射引起发生击穿状态时就使加到APD上的电压降低到击穿电压以下，结束击穿状态，从而可以检测下一个光子的入射。将在电压供给部分简单地插入串联电阻等无源元件而具有这种效果的情况称为无源猝熄，将使用放大器等而能动地进行这种控制的情况称为有源猝熄。在SPCM-AQ中，从光子入射后到可以检测下一个光子的时间即检测器的无信号时间(deadtime)约为100ns，输出脉冲宽度约为9ns。当然，也可以使用无源猝熄的光子检测器。
(控制方法的说明)
下面，使用图4说明空载光子5入射到光子检测器2中时用于控制门装置4的微分电路3、时钟发生部7和门装置控制部8的动作。在图4中，18是从时钟发生部输出的时钟脉冲，19是表示空载光子5向光子检测器2的入射时刻的曲线，20是表示从检测器2输出的信号脉冲的形状的曲线，21是表示微分电路的输出信号的曲线，22是表示门装置控制部的输出信号等的曲线。
在本实施例中，实现了在18所示的时钟脉冲的前沿之后一定时间τ的期间输出仅包含1个光子的光脉冲、而在除此以外的时间不输出光子的动作。
空载光子5设定为在时间τ的期间发生的概率非常高。即，设定为空载光子的发生概率高。设空载光子的发生光子数为每秒平均N个时，就设定为N＞1/τ。时间τ是光子输出的周期性的指标，为了提高周期性，就将τ设定小，相应地将N设定大即可。
伴随由19所看到的各时刻的空载光子的入射，从检测器2输出由20所看到的信号脉冲串。例如，在时刻23发生光子的入射时，相应地就从检测器2输出脉冲25，但是，对于在此后的时刻24入射的光子，若是在检测器的无信号时间以内，就不发生脉冲。发生的脉冲25经过微分电路后变换为26那样的微分信号。作为触发门装置控制部的信号，可以直接使用光子检测器的输出脉冲25，但是，通过将这样的微分信号作为触发信号使用，可以抑制由于信号脉冲25的形状的起伏引起的光子检测时刻的起伏。
在门装置控制部8中，在时钟脉冲18的前沿之后，仅根据最初的微分信号26的触发生成仅以短的时间δ开放门装置4的控制信号27。与空载光子5对应的信号光子6在门装置4中的透过时刻，在曲线22上用虚线和实线的棒表示。空载光子5引起的信号脉冲20仅延迟了电子电路的信号处理时间，所以，信号光子6也由延迟单元仅延迟相同的时间，但是，在图4中将它们省略了。在门装置4中，信号光子28可以透过，但是，通过缩短门装置的开放时间δ，便可抑制其后继续的信号光子的射出。在下一个时钟中，同样射出信号光子30。
该信号光子6由透镜15聚焦，通过使波长2λ的光子有选择地透过的滤波器16，聚焦到光纤12上。14是用于将信号光子6有效地入射到光纤12上的微动装置。
为了使光子传达到门装置4，光纤12的长度设定为使用图4说明的信号处理需要的时间所必须的长度。该时间的微调，可以利用光纤12的长度的调整，也可以利用在门装置控制部8等中设置的信号延迟器进行。
利用上述结构，可以实现在时钟脉冲前沿之后的一定时间τ的期间输出仅包含1个光子的光脉冲、而在除此以外的时间不输出光子的单一光子源。
这里，向外部输出图4所示的时钟信号18、信号脉冲25、控制信号27和微分信号26是非常有用的。时钟信号18可以作为控制量子密码通信系统的全体系统的信号使用。另外，也可以利用从外部供给的时钟供给时钟发生部7或使之同步。
另外，通过使用信号脉冲25或微分信号26缩短接收机侧的门装置的开放时间，量子密码通信系统的光子的接收者便可将信号光子与其他噪声信号分离而接收。
在本实施例中，从时钟开始仅让第1个光子透过，但是，如果使用由时钟18置位后，输出脉冲数达到预先设定的数N时复位的预置位计数器，在时钟内就可以输出N个光子。这时，便可生成在一定时间内包含N个光子的状态。
在本实施例中，将连续光(CW光)作为抽运光10使用，但是，也可以将脉冲光作为抽运光使用。另外，通过在非线性光学介质11的前后设置反射抽运光的镜子，构成集光器，也可以更有效地发生空载光子5和信号光子6。
实施例2．
在实施例1中，作为检测器2，使用了有源猝熄控制的APD，但是，也可以不是总是给APD加上超过击穿电压的电压，而只加一定时间。下面，使用图5说明这时的控制情况。在图5中，31表示加到APD上的外加电压的随时间的变化的曲线，32表示APD的信号脉冲的曲线，33表示从微分电路3输出的微分信号的曲线。
在实施例1中，如在对有源猝熄说明的部分中所述的那样，在比击穿电压高的电压加到APD上时，对于1个光子的入射具有无限大的倍增率，APD的输出成为饱和的击穿状态。在本实施例中，根据时钟18控制加到APD上的电压。
仅在由18所看到的时钟的前沿之后约时间τ的期间使外加电压成为高于击穿电压的状态(34)。其间，在与光子入射的同时，APD成为击穿状态，输出达到饱和，该状态持续到外加电压变为低于击穿电压为止。因此，从APD可以得到35那样的输出脉冲。由微分信号36的前沿触发门装置控制部8，可以切出单一光子。
在使用有源猝熄控制的APD时，由于猝熄所使用的电路的限制，难于缩短其无反应时间及脉冲长度，从而难于使1时钟时间比检测器的无反应时间及脉冲长度短，但是，用该方法可以实现比其更短的时钟时间。
实施例3．
在实施例1中，发生的信号光的波长为702.2nm，但是，通过选择适当的非线性光学介质，可以任意改变该波长。例如，也可以发生在使用光纤的通信中通常所使用的1550nm附近、1310nm附近以及800nm附近的波长。
实施例1(图3)所示的光子对的发生方法，是适合于得到波长相等、角度展宽小的光子对光束的方法，但是，对于别的目的，通过改变BBO晶体的光轴方向，也可以得到波长不同的光子对。这时，图3的2个谐振曲线分别与和不同的波长对应的直线相切。这时，光子的取出方向就是以图3所示的谐振曲线与和各波长对应的直线相切的角度取出。按照该条件，通常扩展为圆锥状的光子就集束为1条光束，从而可以得到分布密度高的光子光束。
作为本发明的这样的其他实施例，有在图2中使用半导体激励Yag激光器的升频激光器作为抽运光源7发生532nm的抽运光8、发生1310nm的光子作为信号光子6而发生896nm的光子作为空载光子5的装置。这时，按照日本特愿平9-353078的「光子光束发生装置」所详细说明的方法，将非线性光学介质的光轴的角度设定为其谐振曲线分别在1310nm和896nm相切的角度，提高了光子对的发生效率。另外，通过将空载光子的波长设定为接近可见光的波长的近红外区域，可以在光子数检测器2的量子效率高的状态检测光子数。
利用这样的结构，可以发生在光纤中的传输损失小的1310nm附近的光子，而在时钟脉冲的前沿之后一定时间τ以内不会密集地存在2光子。另外，在本实施例中，通过如上述那样设定晶体的角度，便可高效率地发生光子对，另外，可以维持空载光子的光子数的高检测效率，结果，便可减少装置的电力消耗。
实施例4．
本发明的其他实施例示于图6。在本实施例中，9是抽运波导型非线性光学介质38的抽运光源、37是在光纤中导引抽运光的光纤、39是分辨从波导型非线性光学介质38发生的荧光对和抽运光的波导型滤波器、40是抽运光的删除口、41是将荧光对分配到2个分支中的波导型滤波器。
在本实施例中，参量荧光对在波导型非线性光学介质38中发生。荧光对分别具有纵、横的偏振光，在作为偏振光光束分离器而动作的波导型滤波器41中，具有其中的一方的偏振光的荧光向光子数检测器2传输，另一方向光纤12传输。
利用这样的结构，可以实现装置的小型化，另外，不需要进行光学的调整。
在本实施例中，作为波导型非线性光学介质38，使用伪假相位匹配型非线性光学介质。如由日本物理学会讲演概要集第53卷第2号第2分册341页的佐中等人的「光波导型非线性元件的2光子相关现象I」所述的那样，在伪假相位匹配型的波导型非线性介质中，通过伪假相位匹配，可以得到满足所使用的抽运光和发生的光子平行地发生的条件的非线性。
这样，就可以任意选择抽运光和发生光子的波长。
当然，在本实施例中，作为抽运光源9，可以使用脉冲光源和CW光源。另外，通过在波导型非线性光学介质38的前后设置反射抽运光的镜子，构成集光器，可以更有效地发生空载光子和信号光子。
实施例5．
作为其他的实施例，图2中的门装置4具有2个快门的结构示于图7。在图7中，12是用于使信号光子到达门装置的到达时刻延迟的光纤，43、45是电光元件，42、44、46是偏振片，47是“非”门，48是延迟器，8是控制装置。这时，偏振片44和46设定为对通过偏振片42的光的偏振光具有最大的透过率、而不让具有与其正交的偏振光透过。另外，电光元件43和45在给定的控制信号的逻辑值为1时使偏振光转动90度，在逻辑值为0时就不使偏振光转动。利用一对偏振片和将其夹在中间的使偏振光转动的电光元件可以构成快门，但是，在本实施例中，偏振片44是在2个快门中共用的形式。
门装置尽可能仅在光子存在的期间保持开的状态，而在除此以外的期间关闭。但是，在以应答时间短为特征的电光元件中，在单体中不能将其门时间设定为小于由电光元件的反复应答时间给定的时间。本实施例通过具有2个门装置，可以实现比门装置的反复应答时间短的时间的门操作。
下面，使用图8说明门电路的动作。在图8中，横轴表示时间。最上边的曲线表示作为目标的光子数的状态到达门操作部的概率，曲线A表示在图7的A点的信号的状态，曲线B同样表示图7的B点的信号的状态。可以认为A是控制装置的控制信号本身。电光元件45在通过与偏振片44、46的组合而输入逻辑0时使光子透过，在输入逻辑1时将光子阻挡。
电光元件43通过与偏振片42和44的组合，也起同样的作用。
如图8的曲线A的时刻T0的状态那样，总是将控制装置的控制信号设定为1。这时，由电光元件45作为门装置而不让光子透过。这时，逻辑0通过“非”门47输入电光元件43，使光子透过。
控制装置8使输出的逻辑值从1变化为0，用以在预测为光子到达门操作部之前的时刻T1使偏振光透过电光元件45。这时，由于延迟器48的作用，电光元件45仍然是逻辑0。这时，光子可以透过门装置。该状态在由延迟器设定的时间的期间继续。在该延迟之后，在时刻T2，输入电光元件的逻辑值变化为1，光子不能透过由电光元件43构成的快门。在时刻T3，控制信号再次从0变化为1，电光元件45转移为关闭状态，在时刻T4，，返回到初始状态。
利用上述结构，可以仅在非常短的时间将门装置打开，从而可以仅使所需要的光子有选择地射出。
在本实施例中，使用电光元件构成快门，但是，当然也可以使用其他的快门。例如，如果使用光-光开关，就可以实现更高速的快门动作。另外，使用声音光学元件时，可以廉价地构成比其反复速度高的高速的快门。另外，也可以使用机械式快门。
本发明的第1结构的单一光子发生装置具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于在由该时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置，所以，在时钟脉冲的前沿之后一定时间内可以发生小于特定的个数的光子。
本发明的第2结构的单一光子发生装置具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于仅对由该时钟规定的一定时间内的最初的光子检测器的信号开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置，所以，在时钟脉冲的前沿之后一定时间内可以仅发生1个光子。
本发明的第3结构的单一光子发生装置，在第1或第2的结构中，作为上述光子对源，具有抽运光光源和入射上述抽运光的非线性光学介质，所以，在时钟脉冲的前沿之后一定时间内可以发生小于特定的个数的光子或有效地仅发生1个光子。
本发明第4结构的单一光子发生装置，在第3结构中，作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a对应的直线相切的角度的非线性光学晶体，所以，可以有效地发生特定的单一波长的光子对。
本发明的第5结构的单一光子发生装置，在第3结构中，作为入射抽运光的非线性光学介质，具有抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a、b对应的直线相切的角度的非线性光学晶体，所以，可以有效地发生特定的2个波长的光子对。
本发明的第6结构的单一光子发生装置，在第3结构中，作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有波导型的非线性光学介质，所以，可以实现不需要进行光学的调整的小型的单一光子发生装置。
本发明的第7结构的单一光子发生装置，在第3～第6的任一结构中，作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有伪假相位匹配型非线性光学介质，所以，可以在与抽运光平行的方向发生光子对。
本发明的第8结构的单一光子发生装置，在第1～7的任一结构中，作为控制上述信号光子的射出的门装置，具有以比开关时间短的时间差进行开关的多个快门，所以，可以实现以比快门的开关时间短的时间进行开关的门。
本发明的第9结构的单一光子发生装置，在第1～8的任一结构中，具有使从上述光子对发生的信号光子到达控制该光子的射出的门装置的光纤，所以，可以使门的开关时刻与信号光子到达门的到达时刻一致。
工业上的可利用性
本发明的单一光子发生装置具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于在由该时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置，作为在时钟脉冲的前沿之后一定时间内可以发生小于特定的个数的光子的单一光子发生装置是有用的。
Claims (9)
1．单一光子发生装置，其特征在于：具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于在由该时钟规定的一定时间内仅以小于特定的次数的次数开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置。
2．单一光子发生装置，其特征在于：具有发生由信号光子和空载光子组成的发生时刻具有相关关系的光子对的光子对源、检测空载光子的光子的入射的光子检测器、时钟发生器、生成用于仅对由该时钟规定的一定时间内的最初的光子检测器的信号开关门装置的信号的门控制装置和根据门控制装置的信号而开关的门装置。
3．按权利要求1所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为上述光子对源，具有抽运光光源和入射上述抽运光的非线性光学介质。
4．按权利要求3所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a对应的直线相切的角度的非线性光学晶体。
5．按权利要求3所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为入射抽运光的非线性光学介质，具有抽运光与非线性光学介质的光轴的夹角设定为其谐振曲线与和某一特定的单一波长a、b对应的直线相切的角度的非线性光学晶体。
6．按权利要求3所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有波导型的非线性光学介质。
7．按权利要求3所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为入射上述抽运光的非线性光学介质，具有伪假相位匹配型非线性光学介质。
8．按权利要求1所述的单一光子发生装置，其特征在于：作为控制上述信号光子的射出的门装置，具有以比开关时间短的时间差进行开关的多个快门。
9．按权利要求1所述的单一光子发生装置，其特征在于：具有使从上述光子对发生的信号光子到达控制该光子的射出的门装置的光纤。
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