JP2007271725A - 単一光子の波長変換装置 - Google Patents
単一光子の波長変換装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007271725A JP2007271725A JP2006094543A JP2006094543A JP2007271725A JP 2007271725 A JP2007271725 A JP 2007271725A JP 2006094543 A JP2006094543 A JP 2006094543A JP 2006094543 A JP2006094543 A JP 2006094543A JP 2007271725 A JP2007271725 A JP 2007271725A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wavelength
- single photon
- wavelength conversion
- pump light
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
【解決手段】単一光子の波長変換装置を、周期分極反転非線形光学材料からなり、単一光子2とポンプ光3とが入射され、波長変換された単一光子4を出射する波長変換素子1と、波長変換素子1の一方の端面に形成され、波長変換素子1の実効長が伸びるように入射された単一光子2及びポンプ光3を反射する反射膜5とを備えるものとする。
【選択図】図1
Description
現在、暗号通信には、公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式が用いられている。現在広く用いられているRSA公開暗号鍵方式は、非常に大きな数の素因数分解を多項式で解くことは膨大な時間を必要とするので解読が困難であるという計算量的側面によってのみ、安全性を保証されている。したがって、非常に高速な並列計算を得意とする量子計算機が登場すれば、このような暗号を解読するのにかかる時間は飛躍的に短縮され、安全性が保証されなくなる。つまり、現在用いられている公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式の安全性は完全ではない。
量子暗号としてよく知られる方式は、1984年にC.H.BennettとG.Brassardにより提案された“BB84型”プロトコルである。
このプロトコルでは、従来の光通信のような光子の集合体ではなく、光子1つ1つに情報を載せて伝送する。情報の1ビットを1つの光子に、例えば光子の偏光状態に付与すれば、各々の光子は、ハイゼンベルクの不確定性原理(共役する物理量は同時に正確に測定できないとする原理)及びno−cloning定理(量子状態を観測することなく複製することはできないといる定理)に従うため、光子の状態を破壊することなしにビット情報を取り出したり、複製したりすることはできない。
量子暗号システムは、送信者側が、1つの光子(単一光子)を生成する単一光子源と、光子に秘密鍵の情報を付与する偏光状態または位相状態制御部とからなり、受信者側は光子の情報を検出する単一光子検出器を有する。
秘密鍵の伝送距離を伸ばすためには、上記単一光子は光ファイバ損失の少ない帯域(1.3−1.55μm)であることが望ましく、特に商用システムにおいては、伝送損失の最も少ない1.55μm帯が多く用いられている。
さらに、近赤外の超微弱光を高効率に検出できる技術は、量子暗号のみならず、生物学・天文学等においても非常に有用と言える。
しかしながら、トラップされたキャリヤによるアフターパルスが膨大なダークカウントを引き起こすため、この影響を低減させる必要があった。
しかしながら、この方法を用いてもダークカウントは依然として高く、さらに飛来するタイミングの分からない光子の測定に用いることも不可能である。また、発生した余剰キャリヤをクエンチングさせるための不感時間も設ける必要があることから、高々100kHz程度までしかカウントレートを上げることができず、量子効率も10%程度と、実用上は様々な問題を抱えている。
ところが、近年、1.3−1.55μm帯の光子を非線形光学材料により可視波長領域に波長変換し、シリコンAPDで検出する方式が注目を集めている(例えば非特許文献1参照)。
なぜなら、シリコンAPDは商用に入手可能(例えばPerkinElmer社製SPCM-AQR等)で、量子効率も650nmで65%以上と高く、また、ゲート動作が不要で、不感時間も50ns程度とInGaAs/InP−APDに比べ、非常に高い性能を持つためである。
そこで、ポンプ光の電場強度を効果的に強める手法として、外部に設けられたリング共振器を用いる手法(例えば非特許文献2参照)、導波路型のPPLNを用いる手法(例えば非特許文献1参照)などが存在する。
Carsten Langrock et al. "Highly efficient single-photon detection at communication wavelengths by use of upconversion in reverse-proton-exchanged periodically poled LiNbO3 waveguides" OPTICS LETTERS, Vol.30, No. 13, p.1725, July 1, 2005 Marius A. Albota et al. "Efficient single-photon counting at 1.55 μm by means of frequency upconversion" OPTICS LETTERS, Vol.29, No.13, p.1449, July 1, 2004
また、導波路型のPPLNを用いると、小型になるものの、新たに導波路を作製する必要があり、導波路に外部光を入射させるときに損失が生じやすく、調整が困難である。
ところで、非線形光学材料の結晶長を長くすれば、高い波長変換効率が得られるようになると考えられるが、その分、結晶自体の歩留まりの問題が生じるほか、温度調整装置も大型化し、高コスト化を招くことになる。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態にかかる単一光子の波長変換装置について、図1,図2を参照しながら説明する。
本実施形態では、さらに、図1に示すように、波長変換素子1の他方の端面側に波長変換素子1内を伝播する入射単一光子2及びポンプ光3を反射する高反射構造(ここでは可動式高反射ミラー)6を設けることで、反射膜5と反射構造6とによって波長変換素子1を挟み込んで共振器構造を構成し、共振器構造に入射された単一光子2及びポンプ光3の双方(あるいは、どちらか一方)を共振器構造内部で多重反射させることで、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子1の実効長を伸ばし、高効率に単一光子の波長変換が行なわれるようにしている。
なお、ここでは、周期分極反転非線形光学材料としてPPLNを用いているが、これに限られるものではない。周期分極反転構造を施せる非線形光学材料であれば良く、上記のニオブ酸リチウム(LiNbO3)だけでなく、チタン酸リン酸カリウム(KTiOPO4)などの非線形係数の大きな光学材料を用いることもできる。
本単一光子の波長変換装置は、図2に示すように、波長変換素子1の単一光子2及びポンプ光3が入射される側とは反対側(ポンプ光3の進行方向の前方側)から波長変換された単一光子4(図3では一点鎖線で示している)が出射される前方取出型波長変換装置であり、ポンプ光3の進行方向(ポンプ光3が出射される方向)と同方向に波長変換後の単一光子4が取り出されるようになっている。
また、図2に示すように、波長変換素子1の単一光子2及びポンプ光3が入射される側(波長変換素子1の入射側;共振器構造の入射側)には、反射構造としての可動式高反射ミラー(入射側ミラー)6が設けられている。この可動式ミラー6を移動させることによって、共振器長の調整を行なえるようになっている。
なお、ここでは、共振器構造の入射側に設けられる入射側ミラー6を可動式にしているが、これに限られるものではなく、逆に、共振器構造の出射側に設けられる出射側ミラーを可動式にしても良い。また、入射側ミラー及び出射側ミラーの双方を高反射膜として構成しても良い。
このように構成される単一光子の波長変換装置は、以下のように動作する。
まず、通信波長帯の波長(λin=1.3−1.55μm)を持つ単一光子2がポート1から入射され、波長λpumpのポンプ光3がポート2から入射されて、WDMカプラ9によって合波される。
本実施形態では、波長λoutの単一光子4が出射される方向に波長λpumpのポンプ光3も出射されるため、フィルタ10によって波長λpumpのポンプ光が除去された後、ポート3から波長λoutの単一光子4が取り出される。
また、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子1の一方の端面に直接高反射膜5を形成しているため、部品点数や調整箇所を減らすことができるという利点もある。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態にかかる単一光子の波長変換装置について、図3を参照しながら説明する。
また、図3に示すように、波長変換素子1の単一光子2及びポンプ光3が入射される側とは反対側(波長変換素子1の出射側;共振器構造の出射側)には、反射構造としての可動式高反射ミラー(出射側ミラー)12が設けられている。この可動式ミラー12を移動させることによって、共振器長の調整を行なえるようになっている。
なお、ここでは、共振器構造の出射側に設けられる出射側ミラー12を可動式にしているが、これに限られるものではなく、逆に、共振器構造の入射側に設けられる入射側ミラーを可動式にしても良い。また、入射側ミラー及び出射側ミラーの双方を高反射膜として構成しても良い。
まず、通信波長帯の波長(λin=1.3−1.55μm)を持つ単一光子2がポート1から入射され、波長λpumpのポンプ光3がポート2から入射される。
これらの単一光子2及びポンプ光3は、誘電体ミラー14を介して、PPLNからなる波長変換素子1に入射され、高反射膜11及び可動式ミラー12によって多重反射されている間に、PPLNの非線形相互作用により、波長λinの単一光子2は、変換効率の飽和領域を除けば、結晶長及びポンプ光の電界強度にほぼ比例する確率で周波数上方変換され、波長λoutの単一光子4が生成される。
本実施形態では、強力なポンプ光(具体的にはポンプ光の残留成分)と、波長変換された単一光子4とが逆方向に出射されるので、上述の第1実施形態のものと比較して、ポンプ光(残留成分)の散乱によるノイズを抑制することができる。
なお、その他の構成及び動作は、上述の第1実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態にかかる単一光子の波長変換装置について、図4を参照しながら説明する。
また、波長変換素子1の単一光子2及びポンプ光3が入射される側の端面には、波長λinの入射単一光子2,波長λpumpのポンプ光,波長変換された波長λoutの単一光子に対して反射防止膜(無反射膜)20が形成されている。
なお、フィルタ等の光学部品の配置は他の配置であっても良い。例えば、上述の第2実施形態のような配置にしても良い。
このように構成される単一光子の波長変換装置は、以下のように動作する。
合波された光は、波長λinの入射単一光子2,波長λpumpのポンプ光に対して反射防止膜(無反射膜)として機能し、波長変換後の波長λoutの単一光子に対して高反射膜として機能する誘電体ミラー16を通過した後、レンズ19によって集光され、反射防止膜20を介してPPLNからなる波長変換素子(PPLN結晶)1に入射される。
本実施形態では、図4に示すように、単一光子2及びポンプ光3が入射される側とは反対側に、波長λinの入射単一光子2,波長λpumpのポンプ光3,波長変換された波長λoutの単一光子4に対して所定値以上の高い反射率を有する高反射膜15が設けられているため、ポンプ光3及び波長変換された単一光子4は、単一光子2及びポンプ光3が入射される側から出射される。
なお、本実施形態では、アイソレータ18を設けているが、これに限られるものではない。例えばアイソレータを設けずに、PPLNからなる波長変換素子1をわずかに傾け、PPLNからなる波長変換素子1に入射されるポンプ光3の光軸とPPLNからなる波長変換素子1から出射されるポンプ光3の光軸とをずらして、ポンプ光3が戻り光としてレーザ光源へ戻ってしまうのを防止することもできる。
したがって、本実施形態にかかる単一光子の波長変換装置によれば、上述の第1実施形態のものと同様の効果がある。特に、本実施形態では、単一光子2及びポンプ光3の両方とも高反射膜15によって折り返されるため、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子1の相互作用長(実効的な結晶長)を2倍に伸ばして変換効率を高めることができるという利点がある。
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態にかかる単一光子の波長変換装置について、図5を参照しながら説明する。
つまり、本実施形態では、図4に示すように、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子(ここではPPLNからなる波長変換素子)1の一方の側に設けられる可動式高反射ミラー21を凹面(凹面型可動式高反射ミラー)にし、共振器部分を半共焦点ファブリ・ペロー型とし、波長変換素子1、反射膜5及び反射構造としての凹面型可動式高反射ミラー21によって半共焦点型エタロンを構成することで、局所的な電界強度を高めることができるようにしている。なお、図4では、上述の第1実施形態(図1参照)と同一のものには同一の符号を付している。
したがって、本実施形態にかかる単一光子の波長変換装置によれば、上述の第2実施形態のものによる効果に加え、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子1が半共焦点型エタロンに内包されているため、共振器を安定させつつ、単位体積・時間当たりの電界強度(内部電界強度;実効強度)を高めることができ、より高効率に単一光子を波長変換することができるという利点がある。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
周期分極反転非線形光学材料からなり、単一光子とポンプ光とが入射され、波長変換された単一光子を出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子の一方の端面に形成され、前記波長変換素子の実効長が伸びるように前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を反射する反射膜とを備えることを特徴とする、単一光子の波長変換装置。
前記波長変換素子の他方の端面側に前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を反射する反射構造を備え、
前記反射膜と前記反射構造とによって前記波長変換素子を挟み込んだ共振器構造によって前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を多重反射させるように構成されており、
前記反射膜又は前記反射構造が、前記波長変換された単一光子を透過するように構成されていることを特徴とする、付記1記載の単一光子の波長変換装置。
前記反射構造が、可動式ミラーであることを特徴とする、付記2記載の単一光子の波長変換装置。
(付記4)
前記反射膜が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側とは反対側に形成され、前記波長変換された単一光子を透過するように構成されており、
前記反射構造が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側に設けられ、前記波長変換された単一光子も反射するように構成されていることを特徴とする、付記2又は3記載の単一光子の波長変換装置。
前記反射膜が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側に形成され、前記波長変換された単一光子を透過するように構成されており、
前記反射構造が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側とは反対側に設けられ、前記波長変換された単一光子も反射するように構成されていることを特徴とする、付記2又は3記載の単一光子の波長変換装置。
前記反射膜が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側とは反対側の端面に形成され、前記波長変換された単一光子も反射するように構成されており、
前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側の端面は、前記入射された単一光子、前記ポンプ光及び前記波長変換された単一光子を透過しうるように構成されていることを特徴とする、付記1記載の単一光子の波長変換装置。
前記波長変換素子、前記反射膜及び前記反射構造が、半共焦点型エタロンを構成することを特徴とする、付記2〜5のいずれか1項に記載の単一光子の波長変換装置。
2 入射単一光子
3 ポンプ光
4 出射単一光子
5,11,15 高反射膜
6,12 可動式高反射ミラー
7 PZT
8 温度調整部
9 WDMカプラ
10 フィルタ
13,14,16 誘電体ミラー
17 バンドパスフィルタ
18 アイソレータ
19 レンズ
20 反射防止膜
21 凹面型可動式高反射ミラー
Claims (5)
- 周期分極反転非線形光学材料からなり、単一光子とポンプ光とが入射され、波長変換された単一光子を出射する波長変換素子と、
前記波長変換素子の一方の端面に形成され、前記波長変換素子の実効長が伸びるように前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を反射する反射膜とを備えることを特徴とする、単一光子の波長変換装置。 - 前記波長変換素子の他方の端面側に前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を反射する反射構造を備え、
前記反射膜と前記反射構造とによって前記波長変換素子を挟み込んだ共振器構造によって前記入射された単一光子及び前記ポンプ光を多重反射させるように構成されており、
前記反射膜又は前記反射構造が、前記波長変換された単一光子を透過するように構成されていることを特徴とする、請求項1記載の単一光子の波長変換装置。 - 前記反射膜が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側に形成され、前記波長変換された単一光子を透過するように構成されており、
前記反射構造が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側とは反対側に設けられ、前記波長変換された単一光子も反射するように構成されていることを特徴とする、請求項2記載の単一光子の波長変換装置。 - 前記反射膜が、前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側とは反対側の端面に形成され、前記波長変換された単一光子も反射するように構成されており、
前記波長変換素子の前記単一光子及び前記ポンプ光が入射される側の端面は、前記入射された単一光子、前記ポンプ光及び前記波長変換された単一光子を透過しうるように構成されていることを特徴とする、請求項1記載の単一光子の波長変換装置。 - 前記波長変換素子、前記反射膜及び前記反射構造が、半共焦点型エタロンを構成することを特徴とする、請求項2又は3記載の単一光子の波長変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006094543A JP2007271725A (ja) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | 単一光子の波長変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006094543A JP2007271725A (ja) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | 単一光子の波長変換装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007271725A true JP2007271725A (ja) | 2007-10-18 |
Family
ID=38674611
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006094543A Pending JP2007271725A (ja) | 2006-03-30 | 2006-03-30 | 単一光子の波長変換装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007271725A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012185378A (ja) * | 2011-03-07 | 2012-09-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光子周波数変換装置 |
JP2017016008A (ja) * | 2015-07-03 | 2017-01-19 | 日本電信電話株式会社 | 量子演算方法 |
WO2018106765A1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-06-14 | Notchway Solutions, Llc | Quantum optical wavelength converter |
WO2023219002A1 (ja) * | 2022-05-12 | 2023-11-16 | 学校法人早稲田大学 | 量子波長変換器、伝令付き単一光子源 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09146134A (ja) * | 1995-09-20 | 1997-06-06 | Mitsubishi Materials Corp | 非線形光学レーザ材料およびその育成方法とレーザ光発生装置 |
JP2004070338A (ja) * | 2002-07-23 | 2004-03-04 | Canon Inc | 光波長変換装置、及び光波長変換方法 |
JP2004172314A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-06-17 | Topcon Corp | 固体レーザ装置 |
JP2006019603A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-01-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | コヒーレント光源および光学装置 |
-
2006
- 2006-03-30 JP JP2006094543A patent/JP2007271725A/ja active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09146134A (ja) * | 1995-09-20 | 1997-06-06 | Mitsubishi Materials Corp | 非線形光学レーザ材料およびその育成方法とレーザ光発生装置 |
JP2004070338A (ja) * | 2002-07-23 | 2004-03-04 | Canon Inc | 光波長変換装置、及び光波長変換方法 |
JP2004172314A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-06-17 | Topcon Corp | 固体レーザ装置 |
JP2006019603A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-01-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | コヒーレント光源および光学装置 |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012185378A (ja) * | 2011-03-07 | 2012-09-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光子周波数変換装置 |
JP2017016008A (ja) * | 2015-07-03 | 2017-01-19 | 日本電信電話株式会社 | 量子演算方法 |
WO2018106765A1 (en) * | 2016-12-06 | 2018-06-14 | Notchway Solutions, Llc | Quantum optical wavelength converter |
US11086191B2 (en) | 2016-12-06 | 2021-08-10 | Notchway Solutions, Llc | Quantum optical wavelength converter |
WO2023219002A1 (ja) * | 2022-05-12 | 2023-11-16 | 学校法人早稲田大学 | 量子波長変換器、伝令付き単一光子源 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10158481B2 (en) | Apparatus and methods for quantum key distribution | |
Vajner et al. | Quantum communication using semiconductor quantum dots | |
Mancinelli et al. | Mid-infrared coincidence measurements on twin photons at room temperature | |
Halder et al. | High coherence photon pair source for quantum communication | |
JP4724035B2 (ja) | 単一光子発生装置 | |
US6529601B1 (en) | Method and apparatus for polarization-insensitive quantum cryptography | |
US20230367176A1 (en) | Quasi-deterministic single-photon source | |
US10129021B2 (en) | Photon pair generator and quantum cryptography system employing the same | |
JP2007271725A (ja) | 単一光子の波長変換装置 | |
Carrasco et al. | Spectral engineering of entangled two-photon states | |
Sharma | Analysis of single photon detectors in differential phase shift quantum key distribution | |
Mori et al. | On the distribution of 1550-nm photon pairs efficiently generated using a periodically poled lithium niobate waveguide | |
Aldama et al. | Integrated QKD and QRNG photonic technologies | |
Hua et al. | Storage of telecom-C-band heralded single photons with orbital-angular-momentum encoding in a crystal | |
Ljunggren et al. | Theory and experiment of entanglement in a quasi-phase-matched two-crystal source | |
Kao et al. | Field test of quantum key distribution with high key creation efficiency | |
JP5487426B2 (ja) | 高効率縺れ光子対スワッピング技術 | |
WO2014183158A1 (en) | Generating secure encryption keys | |
Tseng et al. | Efficient quantum memory for photonic polarization qubits generated by cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion | |
Bonsma-Fisher et al. | Storage of telecom wavelength heralded single photons in a fiber cavity quantum memory | |
JP2003289298A (ja) | 長距離量子暗号システム | |
CN116076035A (zh) | 用于独立于测量设备的量子密钥分发网络的方法和系统 | |
JP2011141477A (ja) | 波長変換装置及び波長変換方法 | |
Alia | Advanced Quantum Communications for Next-generation Secure Optical Networks | |
Tretyakov et al. | Quantum key distribution in single-photon communication system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080813 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20100827 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110308 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110419 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20110524 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |