JP2007271725A - 単一光子の波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品点数を抑えて、装置全体の小型化、低コスト化を図りながら、簡便に波長変換効率を高めることができるようにする。
【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

本発明は、例えば単一光子の周波数上方変換に用いて好適の単一光子の波長変換装置に関する。

電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。
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。

例えば、公開暗号鍵方式では、公開鍵が解読されてしまうと、第三者によるデータの盗聴や改ざんのおそれがある。また、秘密暗号鍵方式は、情報の送信者と受信者が同一の秘密鍵を所有し、送信者が秘密鍵で暗号化したデータを受信者がその秘密鍵でデータを解読する。このような秘密暗号鍵方式では、秘密鍵自体をこれらの二者に配信する際に盗聴されるおそれがある。

このような安全性の問題を解決する手段として期待されているのが量子暗号である。
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。

したがって、通信経路上で第三者による情報の複製（盗聴）や改ざんが行われれば直ちに検知することができ、第三者による観測が行われていない“クリーンな”鍵のみを送信者・受信者の間で共有することができる。このようにして二者間で共有された暗号鍵の安全性は、情報の担い手が単一光子である限り、計算量的困難性ではなく物理的原理に基づいて保証される。

近年、量子暗号システムの商用化が進んでいる。
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。

最終的な鍵伝送レートや距離は、受信機の性能に多く依存するため、この帯域における高感度・高速・低ノイズの単一光子検出器を実現することは、高速・長距離の量子暗号を実用化するための重要な技術である。
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。

従来、このような波長帯の単一光子を検出するのに、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ)を用いるのが主流であった(例えばid-Quantique社製id200等)。
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。

この場合に最も良く用いられる方法は、ねらった時間のみ極めて短い測定ゲート（５ｎｓ程度）を開けて光子の検出を行なう、いわゆる“ゲート動作”とよばれる測定方法である。
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。

以上のことから、ゲート動作の不要な高速・高感度の通信波長帯単一光子検出器が切望されてきた。
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）。

これは、非線形光学材料として周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically-Poled Lithium Niobate：ＰＰＬＮ）を用いるもので、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤで直接検出する方式に比べ、原理的に高いＳ／Ｎ比が得られるメリットがある。
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。

ところで、例えばＰＰＬＮなどの周期分極反転非線形光学材料による単一光子の波長変換には２次の非線形光学過程を用いるため、高い波長変換効率を得るために、非常に強力なポンプ光（例えば数Ｗ〜２０Ｗ程度）を用いる必要がある。
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

しかしながら、リング共振器を用いると、外部に複数のミラーが必要になるため、大型化し、調整も困難である。
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。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、光学部品点数を抑えて、装置全体の小型化、低コスト化を図りながら、簡便に波長変換効率を高めることができるようにした、単一光子の波長変換装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の単一光子の波長変換装置は、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、波長変換素子の一方の端面に形成され、波長変換素子の実効長が伸びるように入射された単一光子及びポンプ光を反射する反射膜とを備えることを特徴としている。

したがって、本発明の単一光子の波長変換装置によれば、装置全体の小型化、低コスト化を図りながら、簡便に波長変換効率を高めることができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる単一光子の波長変換装置について説明する。
［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。

本発明にかかる単一光子の波長変換装置（周波数上方変換装置）は、図１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１を備え、この波長変換素子１に入射された単一光子（入射単一光子）２と、単一光子２と同軸に入射されたポンプ光３とを、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子１の内部で非線形相互作用させることで、波長変換された単一光子（ここでは周波数上方変換された単一光子；出射単一光子）４を出射するものであり、波長変換素子１の一方の端面に、例えば蒸着法等を用いて直接高反射膜（高反射ミラー）５を形成することで、波長変換素子１内を伝播する入射単一光子２（図３では実線で示している）及びポンプ光３（図３では破線で示している）の双方（あるいは、どちらか一方）を反射させて、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子１の作用長（有効相互作用長；実効長；実効的な結晶長）を伸ばし、有効ポンプ光強度を強め、波長変換効率を高めることを可能にしたものである。

このように構成される単一光子の波長変換装置は、例えば、量子暗号通信に用いられる検出器（通信波長帯単一光子検出器）や近赤外の微弱光検出を必要とする天体・宇宙分野における検出器等に用いることが可能である。
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。

また、本実施形態では、周期分極反転非線形光学材料として、周期分極反転構造を施したニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）を用いている。
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。

また、本実施形態では、図２に示すように、反射膜５と反射構造（可動式高反射ミラー）６とによってＰＰＬＮからなる波長変換素子１を内包するエタロン構造を形成し、ＰＺＴ（lead zirconate titanate；チタン酸ジルコン酸鉛；圧電素子）７による掃引によって可動式高反射ミラー６と高反射膜５との間の距離を調整することで、λ_in，λ_pumpに対してファブリ・ペロー型共振器を形成することで、多重反射させるようにしている。

ここで、可動式高反射ミラー６と高反射膜５との間の距離を調整する手段としては、ＰＺＴ７による掃引のほか、エタロン全体を密封容器の中に入れて圧力を変化させる方法、エタロンの温度を変化させる方法、エタロンを回転させて角度をつける方法などがある。なお、エタロンの温度を変化させる方法などを用いる場合には、可動式高反射ミラーを用いる必要はなく、例えば蒸着などによって高反射膜を端面に直接形成するようにしても良い。

また、ＰＰＬＮからなる波長変換素子１には、分極反転の周期を微調し、変換効率を最適化するための温度調整部８が設けられている。このため、多重反射による折り返し回数は、主に高反射膜６及び反射構造（可動式高反射ミラー）５の反射率によって決まり、フィネスＦ＝−π√Ｒ／（１−Ｒ）とほぼ同等の値として得られる。
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。

このため、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（波長変換素子１の出射側；共振器構造の出射側）の端面には、直接、波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３に対して所定値以上の高い反射率を有する高反射膜（出射側ミラー）５が形成されている。この高反射膜５は、波長変換された波長λ_outの単一光子４に対しては反射防止膜（無反射膜）として機能するように構成されている。つまり、この高反射膜５は、波長変換された単一光子４を透過するように構成されている。

なお、高反射膜５は、例えば蒸着法などを用いて、簡便かつ高精度に成膜することが可能である。
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。

ここで、波長変換素子１の入射側に設けられる可動式ミラー６は、波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３，波長変換された波長λ_outの単一光子４の全てに対して所定値以上の高い反射率を有するものとして構成される。
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。

このほか、本単一光子の波長変換装置は、図２に示すように、単一光子２とポンプ光３とを合波するためのＷＤＭカプラ９を備える。また、波長変換された単一光子４はポンプ光３とともに出射されるため、ポンプ光３を除去するためのフィルタ１０も備える。
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（λ_in＝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λ_pump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。

合波された光は、ＰＰＬＮからなる波長変換素子１に入射され、高反射膜５及び可動式ミラー６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λ_in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（即ち、結晶長とポンプ光の実効強度の積におおよそ比例する確率で；高効率で）周波数上方変換され、波長λ_outの単一光子４が出射される。

ここで、変換後の波長は、エネルギー保存則λ_out〜(λ_in ^-1＋λ_pump ^-1)^-1にしたがう。例えば、λ_in＝１．５５μｍ，λ_pump＝１．２μｍの場合、λ_out〜６７６ｎｍとなる。
本実施形態では、波長λ_outの単一光子４が出射される方向に波長λ_pump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λ_pumpのポンプ光が除去された後、ポート３から波長λ_outの単一光子４が取り出される。

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、装置全体の小型化、低コスト化を図りながら、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子１の相互作用長を伸ばして、簡便に変換効率を高めることができるという利点がある。これにより、高性能な通信波長帯単一光子検出器を実現できることになる。
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。

さらに、波長変換素子１の端面に高反射膜５を直接形成する場合、成膜のためのガラス基板等が不要になるため、例えば、入射されるポンプ光３の強度が大きい場合などに、余分な光学材料を透過する際に生じるノイズ（ラマン散乱等）の発生を低減できるという効果もある。
［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。

本実施形態にかかる単一光子の波長変換装置（周波数上方変換装置）は、図３に示すように、波長変換素子（ここではＰＰＬＮからなる波長変換素子）１の単一光子２（図３では実線で示している）及びポンプ光３（図３では破線で示している）が入射される側（ポンプ光３の進行方向の後方側）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）が出射される後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）と逆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おり、この点が上述の第１実施形態のものと異なる。

このため、本単一光子の波長変換装置では、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（波長変換素子１の入射側；共振器構造の入射側）の端面には、直接、波長変換素子１内を伝播する波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３に対して所定値以上の高い反射率を有する高反射膜（入射側ミラー）１１が形成されている。この高反射膜１１は、波長変換された波長λ_outの単一光子４に対しては反射防止膜（無反射膜）として機能するように構成されている。つまり、この高反射膜１１は、波長変換された単一光子４を透過するように構成されている。なお、図３では、上述の第１実施形態（図２参照）と同一のものには同一の符号を付している。

なお、高反射膜１１は、例えば蒸着法などを用いて、簡便かつ高精度に成膜することが可能である。
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。

ここで、波長変換素子１の出射側に設けられる可動式ミラー１２は、波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３，波長変換された波長λ_outの単一光子４の全てに対して所定値以上の高い反射率を有するものとして構成される。
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。

また、上述の第１実施形態のＷＤＭカプラ９に代えて、図３に示すように、波長変換された波長λ_outの単一光子に対して所定値以上の高い反射率を持つ高反射膜として機能し、波長λ_inの入射単一光子２に対して反射防止膜（無反射膜）として機能する誘電体ミラー１３が設けられている。さらに、上述の第１実施形態のフィルタ１０に代えて、図３に示すように、波長λ_inの入射単一光子２及び波長変換された波長λ_outの単一光子に対して反射防止膜（無反射膜）として機能し、波長λ_pumpのポンプ光３に対して所定値以上の高い反射率を持つ高反射膜として機能する誘電体ミラー１４が設けられている。

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（λ_in＝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λ_pump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λ_in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λ_outの単一光子４が生成される。

本実施形態では、図３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λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３，波長変換された波長λ_outの単一光子４の全てに対して所定値以上の高い反射率を有する可動式高反射ミラー１２が設けられているため、ポンプ光３は、単一光子２及びポンプ光３が入射される側とは反対側から出射される一方、波長変換された波長λ_outの単一光子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。

そして、波長変換された波長λ_outの単一光子４は、誘電体ミラー１４を透過し、誘電体ミラー１３によって反射され、ポンプ光３による散乱光を除去するためのフィルタ９を介して、ポート４から取り出される。
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。

特に、本実施形態では、波長変換時に生じるダークノイズ（単一光子が入射しなくても生じる出力光）は、強力な入射ポンプ光がガラス・非線形媒質などの光学材料を通過するときに生じている可能性が高いため（例えばOpt. Lett. Vol.30, 1725 (2005)参照）、図３に示すように、入射ポンプ光３が透過する光学材料の数が最も少なくなるように構成し、入射単一光子２及びポンプ光３を入射する側の端面に直接高反射膜１１を形成している。このような構成にすることで、ノイズ源として考えられているラマン散乱や迷光を最小に抑えることが可能である。

なお、ここでは、入射ポンプ光強度が大きい場合を想定して、図３に示すような構成を採用しているが、このような構成に限られるものではなく、例えば入射ポンプ光強度が小さい場合には、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、後述の第３実施形態のような配置にしても良い。
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。

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実施形態のものにおける効果に加え、波長変換後の単一光子４を、ポンプ光３の進行方向と逆方向に出射させるため、ポンプ光３に起因する散乱光を低減することができるという利点がある。
［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。

本実施形態にかかる単一光子の波長変換装置（周波数上方変換装置）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のみミラー（高反射膜）１５を有し、単一光子２及びポンプ光３をそれぞれ１回のみ反射させて（単純に１回折り返して）、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子１の作用長（有効相互作用長；実効長；実効的な結晶長）を２倍に伸ばし、有効ポンプ光強度を強め、波長変換効率を高めることを可能にしたものであり、この点が上述の第１実施形態のものと異なる。

このため、本単一光子の波長変換装置では、図４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）とは反対側の端面に、波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光，波長変換された波長λ_outの単一光子（出射単一光子）に対して所定値以上の高い反射率を有する高反射膜１５が形成されている。なお、図４では、上述の第１実施形態（図２参照）と同一のものには同一の符号を付している。

なお、高反射膜１５は、例えば蒸着法などを用いて、簡便かつ高精度に成膜することが可能である。
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λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光，波長変換された波長λ_out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。

また、上述の第１実施形態のフィルタ１０に代えて、図４に示すように、誘電体ミラー１６及びバンドパスフィルタ１７が設けられている。
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。

まず、通信波長帯の波長（λ_in＝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λ_pumpのポンプ光３がポート２から入射される。ここでは、ポンプ光３は、戻り光を防ぐためのアイソレータ１８を介して入射される。そして、これらの単一光子２とポンプ光３とはＷＤＭカプラ９によって合波される。
合波された光は、波長λ_inの入射単一光子２，波長λ_pump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λ_out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。

そして、高反射膜１５によって反射され、再び反射防止膜２０に達するまでの間に、ＰＰＬＮの非線形相互作用により、波長λ_in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て、波長λ_outの単一光子４が生成される。
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λ_inの入射単一光子２，波長λ_pumpのポンプ光３，波長変換された波長λ_out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。

そして、ＰＰＬＮからなる波長変換素子１によって波長変換された波長λ_outの単一光子４は、誘電体ミラー１６によって反射され、バンドパスフィルタ１７によって散乱光などの余分な成分を除去された後、ポート３から取り出される。
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。

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。
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。

本実施形態にかかる単一光子の波長変換装置（周波数上方変換装置）は、上述の第１実施形態のものに対し、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子を半共焦点型エタロン中に配置している点が異なる。
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。

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。
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。

なお、ここでは、上述の第１実施形態の変形例として説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、上述の第２実施形態や第３実施形態のものに本実施形態のものを適用することもできる。
［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。

（付記１）
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。

（付記２）
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。

（付記３）
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。

（付記５）
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。

（付記６）
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。

（付記７）
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。

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の構成を示す模式図である。 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の構成を示す模式図である。 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の構成を示す模式図である。 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の構成を示す模式図である。 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の構成を示す模式図である。

符号の説明

１ 周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
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。
5. 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。

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