JP2006086375A

JP2006086375A - 光共振器

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Publication number: JP2006086375A
Application number: JP2004270251A
Authority: JP
Inventors: Hayato Goto; 隼人後藤; Koichi Ichimura; 厚一市村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: JP4354891B2

Abstract

【課題】カップリングレンズなどの光学素子を使用することなくシングルモード光ファイバに直接結合する光共振器であって、共振器寿命が長く、外部から共振器内に光を照射しやすい、といった特長を有する共振器長の長い光共振器を提供する。
【解決手段】光共振器を平面ミラー10と球面ミラー11とから構成し、共振器モード12のウエストの位置にある平面ミラー10からの共振器出力と結合するようにシングルモード光ファイバ2を平面ミラー10の近傍に設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバと結合している光共振器に関する。

近年、光共振器を用いた量子計算の方法がいくつか提案されている。量子計算において、計算結果の読み出しは光共振器から出てくる共振器モードの光の検出によって行う。量子計算に使う光共振器に光ファイバ、特に、シングルモード光ファイバを結合して、このシングルモード光ファイバを通して共振器モードの光を検出すれば、計算結果の読み出しを低雑音・高効率で行える。

このように光共振器とシングルモード光ファイバを結合した構造は、近年の光通信の普及に伴い提案されている。例えば、半導体レーザに用いられている共振器とその出力の伝送に用いるシングルモード光ファイバを高効率で結合するために、共振器を構成する２つのミラーのうち１つをシングルモード光ファイバの端面や内部に設置した構造が提案されている（特許文献１参照）。

この構造では、共振器の２つのミラーはともに平面状であり、その上シングルモード光ファイバに結合するために共振器モードの径が非常に小さいので、その共振器長は非常に短かい。そのため、共振器寿命を長くすることは難しく、また、外部から共振器内に光を照射することが困難なため、外部から共振器内へ光照射が必要な量子計算には適さない。

その他の共振器−ファイバ一体型の構造としては、共振器がファイバ内部に設置された構造がある。この場合は、共振器寿命を長くすることは容易だが、外部から共振器内に共振周波数に近い周波数の光を照射することは困難なので、やはり上記の量子計算に利用する場合などには適さない。
特開２００３―２４９７２１公報

共振器を構成する２つのミラーのうち１つをシングルモード光ファイバの端面や内部に設置した光共振器は、共振器寿命が短く、外部から共振器内へ光照射が困難なため、量子計算には適さなかった。また、ファイバ内部に設置された光共振器では、共振器寿命を長くすることは容易だが、外部から共振器内に共振周波数に近い周波数の光を照射することは困難なので、やはり量子計算に適さない。

よって、光共振器の外部から共振器内に光を照射しやすく、共振器寿命の長い光共振器の提供が待たれている。

本発明は、球面ミラーと、球面ミラーとともに光共振器を構成し、光共振器の共振器モードのウエスト位置に設置された平面ミラーと、平面ミラーと結合するシングルモード光ファイバを備えることを特徴とする光共振器を提供する。

シングルモード光ファイバを通して共振器モードの光を低雑音・高効率で取り出せ、かつ、共振器寿命を長くでき、外部から共振器内に光を照射しやすい等の効果がある。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳しく説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通する構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、参照する各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、図面表示の便宜上、形状や寸法、比等は実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光共振器1の共振器長方向の断面模式図である。光共振器1は平面ミラー10と球面ミラー11とから構成される。この共振器1の共振器モード12は平面ミラー10上にウエスト（共振器の最も幅の狭い位置を指す）を持つように位置調節されている。この際に、ウエストの径を後述するシングルモード光ファイバ2のモードフィールド径に略一致させることで、平面ミラー10からの共振器出力を直接シングルモード光ファイバ2に結合させることができる。

シングルモード光ファイバ2のモードフィールド径は通常数μmなので、それに対応して共振器モードのウエストの径も数μmと非常に小さくする必要がある。従来のように共振器のミラー対がすべて平面形状である場合には、ファイバ共振器を用いない限り共振器長を非常に短くしなければ安定な共振器にならなかった。しかし、ファイバ共振器を用いた場合、外部から共振器内に光を照射することが困難である。

本実施の形態に係る共振器1は、平面ミラー10だけでなく球面ミラー11を用いて構成される。その結果、シングルモード光ファイバ2に直接結合するほど小さなウエストを持ちながら、共振器寿命を長くでき、かつ、外部からの光を共振器内に照射しやすい、といった特長を有する。

シングルモード光ファイバ2は中心軸を通るコア20とコア20を包むクラッド21から構成される。シングルモード光ファイバ2の一端は平面ミラー10の直後（平面ミラー10の球面ミラー11に対抗する側と反対側）に設置される。シングルモード光ファイバ2として、モードフィールド径を比較的大きくできるフォトニック結晶ファイバを用いてもよい。

シングルモード光ファイバ2は、図１のように平面ミラー10の直後に置くだけでもよいし、図２の断面模式図に示すように平面ミラー10に接着させてもよい。このように共振器のミラーとファイバを一体化することで、両者を離間して設けた構造における外部からの雑音の混入を回避することができる。

また、図３の断面模式図に示すように平面ミラー10はシングルモード光ファイバ2の端面を加工することによって形成してもよい。このように平面ミラー10とシングルモード光ファイバの間に隙間を作らないことにより、外部からの雑音がファイバ内に混入することを避けることができる。

球面ミラー11の曲率半径は、要請される共振器長をもとに、共振器モード12のウエストの径がシングルモード光ファイバのモードフィールド径に一致するように設計される。

また、平面ミラー10の反射率を球面ミラー11の反射率に比べ十分小さくすると、共振器1から出てくる共振器モード12の光のほとんどすべてを平面ミラー10の側に取り出すことができるので、共振器から出てくる共振器モードの光のほとんどすべてをシングルモード光ファイバ2によって外部へ伝送できる。特に、シングルモード光ファイバ2を光検出器に接続すれば、共振器1から出てくる共振器モードの光のほとんどすべてを低雑音・高効率で検出できる。

また、図４の断面模式図に示すように、薄膜状の固体材料13を平面ミラー10の球面ミラー11に対抗する表面に一様に設置してもよい。平面ミラー10上で共振器モード12は非常に小さな断面積を持たせることができるので、固体材料13と共振器モード12の結合は比較的強い。また、共振器長が長いので、外部から固体材料に光を照射することが比較的容易にできる。従って、図４の断面構造は、光共振器を用いた量子計算を固体材料で実現するのに適している。固体材料13表面における反射によるロスを避けるために、固体材料表面には反射防止コーティングを施すことが好ましい。反射防止コーティングは、用いる光に対して反射率の低い材料で構成する。また、平面ミラー10は、固体材料の球面ミラー11と反対側の表面に形成した高反射コーティングにより代替することも可能である。

また、図５の断面模式図のように、共振器1内部の固体材料13の存在しない領域を透明な媒体14で満たすこともできる。この構造では、透明媒体14の屈折率が固体材料に十分近いように固体材料13を選べば、固体材料表面における反射ロスを避けることができる。球面ミラー11は、透明な媒体14の表面に形成した高反射コーティングにより代替することも可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
シングルモード光ファイバ2に直接結合する光共振器の具体例を説明する。

光源として波長約606nmのリング色素レーザを用いる。シングルモード光ファイバとしては、カットオフ波長約500nm、モードフィールド径約4μmのものを用いる。要請される共振器長は約5mmとする。共振器は、Y₂SiO₅（YSO）結晶15（波長606nmの光に対して透明）を加工して作成される。平面ミラー10と球面ミラー11はともに高反射コーティングが施されている。反射率はともに99%とした。

本実施例の場合、平面ミラー上における共振器モードの径と曲率は約4μmと無限大に、球面ミラーにおける共振器モードの径と曲率半径は531μmと5.000284mmとなる。そこで、共振器長5.00000mm、球面ミラーの曲率半径5.00028mmの、図６に示した形状の共振器を、YSO結晶15を加工して作成し、共振器モードと結合するように上記のシングルモード光ファイバ2を平面ミラー10に接着した。

シングルモード光ファイバ2に光を入射して、その光の周波数を挿引しながら共振器からの透過光強度を測定したところ、そのシグナルは共振器と入射光が高い効率で結合していることを示した。

（実施例２）
図７に示したような、実施例１の共振器内の平面ミラー19側のYSO結晶5μmをPr³⁺イオンが0.001%ドープされたYSO結晶（Pr:YSO結晶）16で置き換えた共振器を作成した。本実施例では、平面ミラー10の反射率を99.99%、球面ミラー11の反射率を99.999%とした。また、図７に示したように、シングルモード光ファイバをフォトンカウンタ22に接続した。平面ミラー10の反射率が球面ミラー11の反射率よりも低いので、共振器から出てくる共振器モードの光はほとんど平面ミラー10の裏面側から出てきてファイバを通してフォトンカウンタ22へと伝送される。

図８に示したように、共振器モードとPr:YSO結晶16が交わる位置に、まず共振器の共振周波数の光17を外部からしばらく照射して（共振器モードの光をPr³⁺イオンが吸収しないようにするため）、その照射を終了した直後に同じようにして今度は共振器の共振周波数から17.3MHz離れた周波数の光17を外部から徐々に強度が強くなるように照射していった。Pr³⁺イオンの下準位のエネルギー差が17.3MHzなので、外部光17の周波数をこのように選んだ。実験は液体ヘリウムを用いて温度4Kの環境下で行った。このとき共振器の共振周波数から17.3MHz離れた周波数の光の強度が強くなっていくにつれて、フォトンカウンタのカウント数が増えていった。外部光17はシングルモード光ファイバに対して斜めに入射しているために、このカウントは外部光17を検出したものではない。これは、共振器モードとPr³⁺イオンが強く結合しているところに外部光17が徐々に強度が強くなるように照射されたことで共振器モードの光子が生成され、それがシングルモード光ファイバを通してフォトンカウンタ22へと伝送されて検出された結果である。このようにして生成される光子の総数は多くとも外部光17を吸収するPr³⁺イオンの数ほどしかないので、こうして得られた共振器からの出力は非常に微弱である。このように、本発明の共振器を用いると、共振器内で生成された微弱な共振器モードの光を低雑音・高効率で検出することができる。

（実施例３）
実施例２の構造の場合、外部光17は共振器モード12に対して斜めから入射しなければならず、共振器モード12と外部光17のオーバーラップは完全ではない。そこで、図９のように、偏光ビームスプリッタ18を共振器内部に挿入すると、外部光17を平面ミラー10に対し垂直に入射でき、共振器モード12と外部光17を完全にオーバーラップさせることができる。ここで、外部光17の偏光は偏光ビームスプリッタ（図示せず）を透過するように選択され、共振器モードの光の偏光は外部光17の偏光に対し垂直とする。

本実施例の場合、外部光17の一部が平面ミラーを透過してシングルモード光ファイバ内に混入するが、それはフォトンカウンタ22の前に偏光子23を挿入することで除くことができる。このようにすると、ファイバ内に混入した外部光17の一部はすべて偏光子23を通れずに除かれ、共振器モードの光だけが偏光子23を透過してフォトンカウンタ22によって検出される。偏光子の代わりに偏光ビームスプリッタを用いてもよい。

本発明の実施形態に係る光共振器の共振器長方向の断面模式図。本発明の実施の形態に係るシングルモード光ファイバが平面ミラーに接着された様子を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施の形態に係る平面ミラーがシングルモード光ファイバの端面上に設置された様子を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施の形態に係る共振器内部の平面ミラー上に固体材料が設置された様子を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施の形態に係る共振器内部の固体材料以外の部分を透明な媒体で満たした様子を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施例１における光共振器を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施例２における光共振器を示す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施例２において外部光を共振器内に照射する様子を表す共振器長方向の断面模式図。本発明の実施例３における光共振器を示す共振器長方向の断面模式図。

符号の説明

10…平面ミラー、11…球面ミラー、12…共振器モード、13…固体材料、14…透明媒体、15…Y₂SiO₅結晶、16…Pr³⁺:Y₂SiO₅結晶、17…外部光、18…偏光ビームスプリッタ、20…シングルモード光ファイバのコア、21…シングルモード光ファイバのクラッド、22…フォトンカウンタ、23…偏光子

Claims

球面ミラーと、
前記球面ミラーとともに光共振器を構成し、前記光共振器の共振器モードのウエスト位置に設置された平面ミラーと、
前記平面ミラーを介して前記光共振器と結合するシングルモード光ファイバとを備えることを特徴とする光共振器。
前記シングルモード光ファイバと前記平面ミラーが接触していることを特徴とする請求項１記載の光共振器。
前記平面ミラーの反射率が前記球面ミラーの反射率に比べ低いことを特徴とする請求項１または２に記載の光共振器。
前記平面ミラーの共振器内表面に固体材料が設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光共振器。