JP2012048042A - 量子相関光子対発生方法及び量子相関光子対発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】非線形光学媒質20と、励起光を出力する励起光源12と、補助信号光を出力する補助信号光源14と、励起光と補助信号光とを合波して出力する光合波器16と、光合波器から出力される出力光を非線形光学媒質に入力させる光結合器18と、非線形光学媒質から出力される出力光を、補助信号光成分と補助アイドラー光成分とに分別して出力する光分岐部22と、補助信号光成分及び補助アイドラー光成分の強度をそれぞれ検出する第1フォトディテクター24及び第2フォトディテクター26と、制御信号発生部30とを具えている。制御信号発生部は、第1及び第2フォトディテクターが検出した強度に基づき、相関光子対発生過程を制御するための制御信号を発生する。
【選択図】図2
Description
kp=ks+ki+K (1)
ωp=ωs+ωi (2)
2kp=ks+ki+K (3)
2ωp=ωs+ωi (4)
図2を参照してこの発明の実施形態の量子相関光子対発生装置の基本構成及びその動作原理について説明する。この発明の実施形態の量子相関光子対発生装置は、非線形光学媒質20と、励起光を出力する励起光源12と、補助信号光を出力する補助信号光源14と、励起光と補助信号光とを合波して出力する光合波器16と、光合波器16から出力される出力光を非線形光学媒質20に入力させる光結合器18と、非線形光学媒質20から出力される出力光を補助信号光成分と補助アイドラー光成分とに分別して出力する光分岐部22と、補助信号光成分の強度を検出する第1フォトディテクター24と、補助アイドラー光成分の強度を検出する第2フォトディテクター26と、制御信号発生部30とを具えている。
kp=ks-2+ki-2+K (5)
ωp=ωs-2+ωi-2 (6)
2kp=ks-2+ki-2+K (7)
2ωp=ωs-2+ωi-2 (8)
動作の検証実験において、非線形光学媒質として、MgOをドープした化学量論的組成のLiNbO3基板に周期的分極反転構造を施し、またプロトン交換とダイシングによるリッジ形状加工により光導波路を形成したPPLN導波路素子を用いた。PPLN素子の長さは6cm、リッジの幅を10μmとした。また、分極反転構造の周期Λを19.6μmとした。この周期Λは、このPPLN導波路素子で光第2高調波(Second Harmonic Generation、以下SHGと略記することもある。)を発生させた場合に最大のSHG出力が得られる励起光波長(以下、QPM波長ということもある。)が1562.75nmとなるように設定されたものである。ただし、これらPPLN素子の長さ、周期Λ等の値は任意に設定可能であり、この発明の構成を限定するものではない。また、製作したPPLN導波路素子の伝播損失の大きさは、1550nm帯の光に対して、0.1dB/cm程度であった。
まず、PPLNモジュールにQPM波長が1562.75nmの半波長である781.375nmの波長の励起光を入力し、そのときのPPLNモジュールから出力される出力光の光スペクトルを測定した。これによって、上述の式(1)及び(2)によって与えられる関係を満足する単純な通常のSPDC過程(1段SPDC過程)によって発生される相関光子対の光スペクトルの測定が行われた。この測定に用いた光スペクトルアナライザーの波長分解能を5nmに設定した。また、励起光のPPLNモジュールへの入力強度を、当該PPLNモジュールの入力の直前部分で測定し+15dBmとなるように設定した。
この出願の発明者らは、相関光子対の発生過程としてSHGとSPDCとが単一の2次非線形光学媒質で生じることによるカスケードSHG/SPDC過程について研究した結果を既に報告している(参考文献1:荒平慎、岸本直、「PPLNリッジ導波路デバイスを用いたカスケードχ(2)方式によるパラメトリック下方変換光発生」第21回量子情報技術研究会試料、電子情報通信学会、量子情報技術時限研究専門委員会、pp.184-187、2009年)。この参考文献1に記載された方法によれば、PPLN素子に励起光を入力するとPPLN素子内でまずSHG光が発生する。次にこのSHG光を種光としてSPDC過程により相関光子対が発生する。このSHG/SPDC過程は擬似的な3次非線形光学効果と見ることもでき、入力励起光と発生する相関光子対(信号光及びアイドラー光)の波数及び光角振動周波数は、上述した式(3)および式(4)で与えられる関係を満たしている。
上述の検証実験によって得られた知見から、補助アイドラー光の波長変換効率によって、SPDC過程やSFWM過程によって発生する相関光子対の発生確率の期待値を知ることが可能であることが分かった。そしてその際、SPDC(あるいはSFWM)過程とDFG(あるいはSFWM)過程は、基本的にどちらがどちらに従属して発現するわけではなく独立した過程であるから、補助アイドラー光の波長変換効率を測定しても、それが後述する適切な検出方法で測定すれば、相関光子対の量子状態を破壊することはない。
以下2次の非線形光学媒質を利用してこの発明の実施形態の量子相関光子対発生装置の動作態様を、図2を再び参照して説明するが、3次の非線形光学媒質を利用して同様の量子相関光子対発生装置についても同様に説明できる。3次の非線形光学媒質を利用して構成される量子相関光子対発生装置の動作態様については、以下の説明において、SPDCとあるところをSFWMと読み替え、DFGとあるところをSFWMと読み替えればよい。
図7を参照してこの発明の第1実施例の量子相関光子対発生装置の構成及びその動作について説明する。第1実施例の量子相関光子対発生装置は、偏波分離合成器42を含んで構成されるサニャック干渉計型のループ光路46を具えている。そして、このループ光路46中には相関光子対を発生する非線形光学媒質40が設置され、また90度偏波面変換部44が設けられている。90度偏波面変換部44は、この90度偏波面変換部44を通過する直線偏光の偏波面を90度回転させる。またループ外に光分岐部として機能する波長フィルタを具えている。
図8を参照してこの発明の第2実施例の量子相関光子対発生装置の構成及びその動作について説明する。上述したこの発明の第1実施例の量子相関光子対発生装置は偏波量子もつれ光子対の発生装置であったのに対し、この発明の第2実施例の量子相関光子対発生装置は、時間位置量子もつれ光子対の発生装置である。しかしながら、上述した第1実施例の量子相関光子対発生装置とは、その基本的な部分において一部重複した構成となっている。従って、図8では、第1実施例の量子相関光子対発生装置と同一構成要素には同一の符号を付して示し、その重複する機能の説明を一部省略する場合がある。
この発明の第1及び第2実施例の量子相関光子対発生装置では、非線形光学媒質としてPPLN結晶の2次の非線形光学効果を用いた場合を想定したが、PPLN結晶以外の2次の非線形光学効果が発現する媒体であれば利用可能である。更に、光ファイバーやシリコン細線等の3次の非線形光学効果が発現する媒体を用いても、上述の第1のWDMフィルター50、第2のWDMフィルター52の波長透過特性等の設計的な事項を変更することで、この発明の第1及び第2実施例の量子相関光子対発生装置で実現されたものと同様の効果が得られる量子相関光子対発生装置を実現することが可能である。
12、62:励起光源
14、64:補助信号光源
16:光合波器
18:第1光結合器
22:光分岐部
24、56:第1フォトディテクター
26、58:第2フォトディテクター
28:第2光結合器
30、60:制御信号発生部
30-1、60-1:出力比較器
30-2、60-2:制御信号発生器
42:偏波分離合成器
44:90度偏波面変換部
46:ループ光路
48:光サーキュレーター
50:第1のWDMフィルター
52:第2のWDMフィルター
54:光ローパスフィルター
Claims (8)
- 励起光が入力されると自然パラメトリック蛍光に基づいて信号光光子とアイドラー光子とからなる量子相関光子対を発生させ、かつ、補助信号光が入力されると誘導パラメトリック変換過程に基づいて補助アイドラー光を発生させる非線形光学媒質に、前記励起光と前記補助信号光とを同時に入力させる第1ステップと、
前記非線形光学媒質から出力される前記補助信号光の強度と前記補助アイドラー光の強度とを検出して、両者の強度比が予め設定された値に等しくなるように、前記励起光の強度、前記励起光の波長、及び前記非線形光学媒質の温度の少なくともいずれか一つの値を調整する第2ステップと
を含むことを特徴とする量子相関光子対発生方法。 - 励起光が入力されると自然パラメトリック蛍光に基づいて信号光光子とアイドラー光子とからなる量子相関光子対を発生させ、かつ、補助信号光が入力されると誘導パラメトリック変換過程に基づいて補助アイドラー光を発生させる非線形光学媒質に、前記励起光と前記補助信号光とを同時に入力させる第1ステップと、
前記非線形光学媒質から出力される前記補助アイドラー光の強度を検出して、該補助アイドラー光の強度が予め設定された値に保たれるように、前記励起光の強度、前記励起光の波長、及び前記非線形光学媒質の温度の少なくともいずれか一つの値を調整する第2ステップと
を含むことを特徴とする量子相関光子対発生方法。 - 励起光が入力されると自然パラメトリック蛍光に基づいて信号光光子とアイドラー光子とからなる量子相関光子対を発生させ、かつ、補助信号光が入力されると誘導パラメトリック変換過程に基づいて補助アイドラー光を発生させる非線形光学媒質と、
前記励起光を出力する励起光源と、
前記補助信号光を出力する補助信号光源と、
前記励起光と前記補助信号光とを合波して出力する光合波器と、
前記光合波器から出力される出力光を前記非線形光学媒質に入力させる第1光結合器と、
前記非線形光学媒質から出力される出力光を結合する第2光結合器と、
前記第2光結合器からの出力光から補助信号光成分と補助アイドラー光成分とに分別して出力する光分岐部と、
前記補助信号光成分の強度を検出する第1フォトディテクターと、
前記補助アイドラー光成分の強度を検出する第2フォトディテクターと、
前記第1フォトディテクターが検出した強度と前記第2フォトディテクターが検出した強度との比が予め設定された値に等しくなるように、前記励起光の強度、前記励起光の波長、及び前記非線形光学媒質の温度の少なくともいずれか一つの値を調整するための制御信号を発生する制御信号発生部と
を具えていることを特徴とする量子相関光子対発生装置。 - 前記光分岐部が、前記非線形光学媒質から出力される出力光を、補助信号光成分と補助アイドラー光成分とに分別して出力し、かつ、前記信号光成分、前記アイドラー光成分をも分別して出力するとともに、当該補助信号光成分、当該補助アイドラー光成分、前記信号光成分、及び前記アイドラー光成分をそれぞれ別々の光経路に切り分けて出力する波長選択型フィルターを具えていることを特徴とする請求項3に記載の量子相関光子対発生装置。
- 前記波長選択型フィルターがアレイ導波路格子型フィルターであることを特徴とする請求項4に記載の量子相関光子対発生装置。
- 前記前記非線形光学媒質から、前記第1フォトディテクター及び前記第2フォトディテクターに至るまでの光経路中に、前記信号光、前記アイドラー光の波長の半波長の光成分を除去する光ローパスフィルターを、更に具えることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の量子相関光子対発生装置。
- 第1〜第3入出力端を具える偏波分離合成器と、当該偏波分離合成器の第2及び第3入出力端を結んで構成されるループ光路と、該ループ光路外に設置された前記光分岐器を具え、
前記ループ光路中に前記非線形光学媒質と90度偏波面変換部とが設置され、前記偏波分離合成器の第1入出力端から前記励起光及び前記補助信号光とが入力され、かつ当該第1入出力端から前記補助信号光成分、前記補助アイドラー光成分、前記信号光成分、及び前記アイドラー光成分が出力される構成とされており、
前記偏波分離合成器の第2入出力端が、前記ループ光路の右回りに伝播する励起光及び補助信号光に対して前記第1光結合器として動作すると共に、前記ループ光路の左回りに伝播する励起光及び補助信号光に対して第2光結合器として動作し、
前記偏波分離合成器の第3入出力端が、前記ループ光路の左回りに伝播する励起光及び補助信号光に対して前記第1光結合器として動作すると共に、前記ループ光路の右回りに伝播する励起光及び補助信号光に対して第2光結合器として動作し、
前記90度偏波面変換部は、当該90度偏波面変換部を通過する直線偏光の偏波面を90度回転させることにより偏波量子もつれ光子対を発生する
ことを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の量子相関光子対発生装置。 - 前記励起光が2連光パルスで構成されていることにより、時間位置量子もつれ光子対を発生することを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載の量子相関光子対発生装置。
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