JP2013025253A - Polarized quantum entangled photon pair generator - Google Patents

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慎 荒平
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarized quantum entangled photon pair generator which is capable of selecting and achieving all of four bell states.SOLUTION: A polarized quantum entangled photon pair generator includes: a loop optical path 20 of a Sagnac interferometer configured to include a polarization splitting and combining device 101 and its two input/output ends; and an optical branch input/output part 10 which inputs excitation light to the loop optical path and spatially separates and outputs quantum entangled photo pair wavelength components outputted from the loop optical path. In the loop optical path, a nonlinear optical medium 102, a polarization plane 90-degree rotating part 103, and a polarization plane and optical phase adjustment part 104 are disposed in series and are connected by an optical fiber. The optical branch input/output part is configured to include a band pass optical filter 105, a low pass optical filter 106, and a WDM filter 107. A half wave plate 108 is disposed in a succeeding stage of the optical branch input/output part.

Description

この発明は、量子暗号、量子コンピュータなど量子情報通信技術等で必要とされる量子もつれ光子対発生装置に関し、特に、4つのベル状態の偏波量子もつれ光子対のいずれの状態の光子対も選択して出力することができる偏波量子もつれ光子対発生装置に関する。   The present invention relates to a quantum entangled photon pair generator required in quantum information communication technologies such as quantum cryptography and quantum computers, and in particular, selects any one of the four bell-state polarization entangled photon pairs. The present invention relates to a polarization entangled photon pair generator that can output in the same manner.

量子もつれ光子対発生は、量子暗号、量子コンピュータなど、量子力学的粒子(光子)の非局所性を応用した高度な量子情報通信技術を実現するための重要な要素技術となっている。   Quantum entangled photon pair generation has become an important elemental technology for realizing advanced quantum information communication technology that applies the nonlocality of quantum mechanical particles (photons) such as quantum cryptography and quantum computers.

量子もつれ光子対を発生させる手段として、従来から2次あるいは3次の非線形光学媒質中での自然パラメトリック蛍光を用いる方法が研究されてきた。2次あるいは3次の非線形光学媒質中に、波長λp、波数kp、角周波数ωpの励起光子を入力すると、波長λs、波数ks、角周波数ωsのシグナル光子と、波長λi、波数ki、角周波数ωiのアイドラー光子が出力されるのが自然パラメトリック蛍光である。その際、シグナル光子、アイドラー光子は必ず対(ペア)となって同時に発生する。 As a means for generating entangled photon pairs, a method using natural parametric fluorescence in a second-order or third-order nonlinear optical medium has been studied. When an excitation photon with wavelength λ p , wave number k p , and angular frequency ω p is input into a second-order or third-order nonlinear optical medium, a signal photon with wavelength λ s , wave number k s , angular frequency ω s , and wavelength λ It is natural parametric fluorescence that idler photons of i , wave number k i , and angular frequency ω i are output. At that time, the signal photon and the idler photon are always generated simultaneously as a pair.

以後、励起光子、シグナル光子、アイドラー光子を、それぞれ励起光、シグナル光、アイドラー光と記載する。   Hereinafter, excitation photons, signal photons, and idler photons are referred to as excitation light, signal light, and idler light, respectively.

励起光、シグナル光、アイドラー光の波数、角周波数には、それぞれ運動量保存則、エネルギー保存則に相当する相関関係がある。   The wave number and angular frequency of excitation light, signal light, and idler light have correlations corresponding to the momentum conservation law and energy conservation law, respectively.

2次の非線形光学媒質を用いた場合、自然パラメトリック蛍光現象は自然パラメトリック下方変換(SPDC: Spontaneous parametric down conversion)とも呼ばれる。このとき、各光子の波数、角周波数はそれぞれ次式(1)、(2)を満足する。
kp=ks+ki+K (1)
ωp=ωs+ωi (2)
一方、3次の非線形光学媒質を用いた場合、自然パラメトリック蛍光現象は自然4光波混合(SFWM: Spontaneous four wave mixing)とも呼ばれる。このとき、各光子の波数、角周波数はそれぞれ次式(3)、(4)を満足する。
2kp=ks+ki+K (3)
p=ωs+ωi (4)
ここで、式(1)及び式(3)に含まれるKは、非線形光学定数の周期的変調構造の周期に対応するパラメータであり、周期的変調構造の周期がΛである場合K=2π/Λで与えられる。非線形光学定数の周期的変調構造は、擬似位相整合により非線形光学効果を高効率化することを目的に、例えばLiNbO3結晶を非線形光学媒質として採用する場合などで現在頻繁に利用されている。
When a second-order nonlinear optical medium is used, the natural parametric fluorescence phenomenon is also called natural parametric down conversion (SPDC). At this time, the wave number and angular frequency of each photon satisfy the following equations (1) and (2), respectively.
k p = k s + k i + K (1)
ω p = ω s + ω i (2)
On the other hand, when a third-order nonlinear optical medium is used, the natural parametric fluorescence phenomenon is also called natural four-wave mixing (SFWM). At this time, the wave number and angular frequency of each photon satisfy the following equations (3) and (4), respectively.
2k p = k s + k i + K (3)
p = ω s + ω i (4)
Here, K included in the expressions (1) and (3) is a parameter corresponding to the period of the periodic modulation structure of the nonlinear optical constant, and when the period of the periodic modulation structure is Λ, K = 2π / Is given by Λ. A periodic modulation structure having a nonlinear optical constant is frequently used at present, for example, when a LiNbO 3 crystal is used as a nonlinear optical medium, for the purpose of improving the efficiency of the nonlinear optical effect by quasi phase matching.

この発明の発明者らは、自然パラメトリック蛍光の生成プロセスとして、SPDC過程の種光となる光第2高調波(SHG: Second harmonic generation)とSPDCが、単一の2次非線形光学媒質中で生じることによる、カスケードSHG/SPCD過程について既に報告している(非特許文献1参照)。   The inventors of the present invention, as a process of generating natural parametric fluorescence, generate second harmonic generation (SHG) and SPDC, which are seed light in the SPDC process, in a single second-order nonlinear optical medium. The cascade SHG / SPCD process has already been reported (see Non-Patent Document 1).

この手法によれば、LiNbO3結晶に非線形光学定数の周期的変調構造を作りつけたLiNbO3結晶(PPLN: Periodically Poled Lithium Niobate、以後、PPLN結晶ということもある)に励起光を入力すると、PPLN結晶内でまずSHG光が発生し、次に、このSHG光を種光としてSPDCが生ずる。この過程は、擬似的な3次非線形光学効果と見ることができ、入力する励起光と発生するシグナル光、アイドラー光の波数、角周波数は、それぞれ上述の式(3)及び(4)の関係を満足する。 According to this method, when excitation light is input to a LiNbO 3 crystal (PPLN: Periodically Poled Lithium Niobate, hereinafter also referred to as a PPLN crystal) in which a LiNbO3 crystal has a periodically modulated structure with a nonlinear optical constant, First, SHG light is generated, and then SPDC is generated using this SHG light as seed light. This process can be regarded as a pseudo third-order nonlinear optical effect, and the wave number and angular frequency of the input excitation light and the generated signal light, idler light are related to the above equations (3) and (4), respectively. Satisfied.

上述の波数、角周波数、発生時間の相関関係以外にも、シグナル光、アイドラー光間には、偏波についても相関関係が存在する。以後このような自然パラメトリック蛍光で発生する相関のあるシグナル光、アイドラー光の光子対を相関光子対と呼ぶこともある。   In addition to the above-described correlation between the wave number, the angular frequency, and the generation time, there is also a correlation with respect to polarization between the signal light and the idler light. Hereinafter, a correlated photon pair of signal light and idler light generated by such natural parametric fluorescence may be referred to as a correlated photon pair.

また、上述したSPDC過程、SFWM過程、またはカスケードSHG/SPDC過程で生じさせた相関光子対を利用することで、偏波相関を利用した偏波量子もつれ光子対を生成することができる。この一例として、偏波分離合成器(PBS: Polarization Beam Splitter)と単一のPPLN結晶を用いたサニャック型干渉計を利用した波長1550 nm帯量子もつれ光子対発生装置が従来文献に開示されている(例えば、非特許文献2参照)。非特許文献2では、PBSとPPLN結晶を結ぶ偏波面保存光ファイバーにおいて、その一箇所に90度光軸変換箇所が設けられている。この90度光軸変換箇所は光ファイバー融着技術等によって形成可能である。   Further, by using a correlated photon pair generated in the above-described SPDC process, SFWM process, or cascade SHG / SPDC process, a polarization entangled photon pair using polarization correlation can be generated. As an example of this, a 1550 nm band entangled photon pair generator using a Sagnac interferometer using a polarization beam splitter (PBS) and a single PPLN crystal has been disclosed in the prior art. (For example, see Non-Patent Document 2). In Non-Patent Document 2, a 90 ° optical axis conversion part is provided at one place in a polarization-maintaining optical fiber connecting PBS and a PPLN crystal. This 90-degree optical axis conversion portion can be formed by an optical fiber fusion technique or the like.

非特許文献2に開示されている量子もつれ光子対発生装置では、PBSを介して波長776 nmで45度偏光した励起光をPPLN結晶に入力すると、PPLN結晶中で自然パラメトリック下方変換によって波長1542 nmのシグナル光及び1562 nmのアイドラー光の相関光子対が発生する。量子もつれ光子対発生装置では、励起光強度が十分に弱いので、これら相関光子対はサニャック型干渉計のループを時計回りに伝播する励起光か、ループを反時計回りに伝播する励起光のどちらか一方からしか発生しない。この場合、この量子もつれ光子対発生装置から発生する相関光子対の状態は、ループを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。すなわちこの量子もつれ光子対発生装置から偏波量子もつれ光子対が発生する。   In the entangled photon pair generator disclosed in Non-Patent Document 2, when 45-degree polarized excitation light having a wavelength of 776 nm is input to a PPLN crystal via PBS, the wavelength is 1542 nm by natural parametric down-conversion in the PPLN crystal. Signal light and 1562 nm idler light are generated. In the entangled photon pair generator, the intensity of the excitation light is sufficiently weak, so these correlated photon pairs are either the excitation light propagating clockwise in the Sagnac interferometer loop or the excitation light propagating counterclockwise in the loop. It occurs only from either one. In this case, the state of the correlated photon pair generated from the quantum entangled photon pair generator is such that the correlated photon pair propagating clockwise through the loop and the correlated photon pair propagating counterclockwise and orthogonally polarized with the clockwise component. It will be in the superposition state. In other words, a polarization entangled photon pair is generated from this entangled photon pair generator.

一方、タイプIIと呼ばれる位相整合あるいは擬似位相整合を利用した2次非線形光学媒質中でSPDCを利用して偏波量子もつれ光子対を生成する手法が開示されている(例えば、非特許文献3参照)。この手法によれば、シグナル光、アイドラー光の相関光子対は互いに直交した偏波状態が生成される。   On the other hand, a technique for generating a polarization entangled photon pair using SPDC in a second-order nonlinear optical medium using phase matching or quasi phase matching called type II is disclosed (for example, see Non-Patent Document 3). ). According to this technique, the correlated photon pair of the signal light and idler light is generated in a polarization state orthogonal to each other.

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資料、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)Shin Arahira, Naoshi Kishimoto, "Generating Parametric Down-Conversion Light Using Cascade Chi (2) Method Using PPLN Ridge Waveguide Devices", 21st Quantum Information Technology Meeting, IEICE, Quantum Information Technology Timed Research Specialist Society, pp.184-187, (2009) H.C.Lim, A.Yoshizawa, H.Tsuchida, and K.Kikuchi, "Stable source of high quality telecom-band polarization-entangled photon-pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLN waveguide," Optics Express. vol.16, No.17, pp.12460-12468, (2008)HCLim, A. Yoshizawa, H. Tsuchida, and K. Kikuchi, "Stable source of high quality telecom-band polarization-entangled photon-pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLN waveguide," Optics Express. Vol. 16, No.17, pp.12460-12468, (2008) 長谷川啓佑、大日方政史、行方直人、栗村直、井上修一郎、「Type−II型周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路による1550 nm帯狭帯域直交偏光量子もつれ光子対の生成」、第19回量子情報技術研究会資料、電子情報通信学会、量子情報技術時限研究専門委員会、pp.137-140、(2008)Keigo Hasegawa, Masafumi Ohinata, Naoto Nogata, Nao Kurimura, Shuichiro Inoue, "Generation of 1550 nm narrow-band orthogonally polarized entangled photon pairs using Type-II type periodically poled lithium niobate waveguide", 19th Quantum Information Technology Research Materials, IEICE, Quantum Information Technology Timed Research Committee, pp.137-140, (2008)

偏波量子もつれ光子対に関して、最大の量子もつれ状態を実現する量子状態としては以下に示す4つの状態が存在することが知られている。この4つの状態は式で表すと、次式(5-a)〜(5-d)となる。
|H>s|H>i + |V>s|V>i (5-a)
|H>s|H>i - |V>s|V>i (5-b)
|H>s|V>i + |V>s|H>i (5-c)
|H>s|V>i - |V>s|H>i (5-d)
ここで、状態ベクトル|H>及び|V>は、それぞれ横偏波及び縦偏波の光子の状態を示すケットベクトルである。また、これらケットベクトルに付されたサブスクリプトs及びiはそれぞれシグナル光及びアイドラー光を識別する符牒である。
Regarding the polarization entangled photon pair, it is known that the following four states exist as quantum states for realizing the maximum entangled state. These four states are expressed by the following equations (5-a) to (5-d).
| H> s | H> i + | V> s | V> i (5-a)
| H> s | H> i- | V> s | V> i (5-b)
| H> s | V> i + | V> s | H> i (5-c)
| H> s | V> i- | V> s | H> i (5-d)
Here, the state vectors | H> and | V> are ket vectors indicating states of photons of transverse polarization and longitudinal polarization, respectively. Further, subscripts s and i attached to these ket vectors are codes for identifying signal light and idler light, respectively.

式(5-a)及び式(5-b)で表される量子状態はともに同じ偏波状態のシグナル光、アイドラー光がペアで発生している状態であり、一方、式(5-c)及び式(5-d)はそれぞれ直交した偏波状態のシグナル光、アイドラー光がペアで発生している状態である。また、式(5-a)と式(5-b)で表される状態、式(5-c)と式(5-d)で表される状態は、それぞれ重ね合わせの状態の位相が反転している状態を示している。式(5-a)、式(5-b)、式(5-c)、式(5-d)で表される状態は「ベル状態」とも呼ばれ、これらの状態を実現可能とする偏波量子もつれ光源の開発は、量子情報通信分野における重要な課題とされている。   The quantum states represented by the formula (5-a) and the formula (5-b) are both states in which signal light and idler light having the same polarization state are generated in pairs, while the formula (5-c) And (5-d) are states in which orthogonally polarized signal light and idler light are generated in pairs. In addition, in the state represented by Formula (5-a) and Formula (5-b), and the state represented by Formula (5-c) and Formula (5-d), the phases of the superimposed states are reversed. It shows the state. The states represented by the formula (5-a), the formula (5-b), the formula (5-c), and the formula (5-d) are also called “bell states”. The development of wave entangled light sources is an important issue in the field of quantum information communications.

上述した非特許文献2に開示された偏波量子もつれ光源においては、シグナル光、アイドラー光は同じ偏波状態のペアとして発生している状態なので、式(5-a)及び式(5-b)で表されるいずれかの状態を実現可能である。   In the polarization quantum entangled light source disclosed in Non-Patent Document 2 described above, the signal light and idler light are generated as a pair of the same polarization state, so the equations (5-a) and (5-b ) Can be realized.

一方、上述した非特許文献3に開示されている偏波量子もつれ光子対生成の手法によれば、シグナル光、アイドラー光の相関光子対は互いに直交した偏波状態で生成されるので、式(5-c)及び式(5-d)で表されるいずれかの状態を実現可能である。   On the other hand, according to the method of generating the polarization entangled photon pair disclosed in Non-Patent Document 3 described above, the correlation photon pair of the signal light and idler light is generated in a polarization state orthogonal to each other. Any of the states represented by 5-c) and (5-d) can be realized.

しかしながら、これまで同一の装置によって式(5-a)、式(5-b)、式(5-c)、式(5-d)で表される4つのベル状態のいずれをも選択して実現可能とする偏波量子もつれ光子対出力光源、すなわち偏波量子もつれ光子対発生装置は開発されていない。   However, any one of the four bell states represented by the formula (5-a), the formula (5-b), the formula (5-c), and the formula (5-d) can be selected by the same apparatus so far. A polarization entangled photon pair output light source that can be realized, that is, a polarization entangled photon pair generator has not been developed.

この出願の発明者は、非線形光学媒質を備えるループ光路に、励起光を入力し、時計回り及び反時計回りに相関光子対を発生させて、このループ光路から出力される時計回りの相関光子対と、この相関光子対と偏波面が直交する反時計回りの相関光子対とを、波長分離フィルターで相関光子対のそれぞれの光子の波長成分を分離して取り出す構成を検討した。このような構成とすることによって、上述の式(5-a)及び式(5-b)で表されるいずれかの状態が実現可能であること、及び波長分離された波長成分のいずれか一方を1/2波長板を介して取り出す構成とすることによって、式(5-c)と式(5-d)で表されるいずれかの状態が実現可能であることに思い至った。すなわち、波長分離フィルターで相関光子対のそれぞれの光子の波長成分を分離して取り出す構成とし、一方の波長成分の光路中に、1/2波長板を設置することによって、4つのベル状態の全てを選択して実現可能とする偏波量子もつれ光子対発生装置を実現させることが可能であることに思い至った。   The inventor of this application inputs excitation light into a loop optical path including a nonlinear optical medium, generates a correlation photon pair clockwise and counterclockwise, and outputs a clockwise correlation photon pair output from the loop optical path. Then, a configuration in which the correlated photon pair and the counterclockwise correlated photon pair whose polarization planes are orthogonal to each other is extracted by separating the wavelength components of the photons of the correlated photon pair with a wavelength separation filter. By adopting such a configuration, any one of the states represented by the above formulas (5-a) and (5-b) can be realized, and any one of the wavelength-separated wavelength components can be realized. It has been thought that either state represented by the formula (5-c) or the formula (5-d) can be realized by adopting a configuration in which is taken out through a half-wave plate. That is, the wavelength separation filter is configured to separate and extract the wavelength components of each photon of the correlated photon pair, and by installing a half-wave plate in the optical path of one wavelength component, all four bell states I realized that it is possible to realize a polarization entangled photon pair generator that can be realized by selecting.

そして、この出願の発明者が鋭意研究を行った結果、4つのベル状態の全てを具体的に実現するには、さらにループ光路中に設置する偏波面及び光位相調整部によって、偏波面が直交する相関光子対間の光位相差を調整することとし、このループ光路外に配置する、励起光をこのループ光路に入力しこのループ光路中で生成される相関光子対を出力する機能部分の構成及び配置方法を工夫することによって実現可能であることを確かめた。   As a result of the earnest research by the inventors of this application, in order to specifically realize all four bell states, the plane of polarization is orthogonal by the plane of polarization and the optical phase adjustment unit installed in the loop optical path. The configuration of the functional part that adjusts the optical phase difference between the correlated photon pairs and that is arranged outside this loop optical path and that inputs the excitation light into this loop optical path and outputs the correlated photon pair generated in this loop optical path And it was confirmed that it can be realized by devising the arrangement method.

また、ループ光路中に偏波面を回転する機能部分及び偏波面が直交する相関光子対間の光位相差を調整する複屈折媒体を工夫して配置し、この複屈折媒体によって偏波面が直交する相関光子対間の光位相差を調整することとし、このループ光路外に配置する、励起光をこのループ光路に入力しこのループ光路中で生成される相関光子対を出力する機能部分の構成及び配置方法を工夫することによっても、4つのベル状態の全てを選択して実現することが可能であることを確かめた。   In addition, a birefringent medium that adjusts the optical phase difference between the functional part that rotates the plane of polarization in the loop optical path and the correlated photon pair in which the plane of polarization is orthogonal is devised and the plane of polarization is orthogonalized by this birefringent medium. The configuration of the functional part that adjusts the optical phase difference between the correlated photon pairs, is arranged outside the loop optical path, inputs the excitation light to the loop optical path, and outputs the correlated photon pair generated in the loop optical path, and It was confirmed that it is possible to select and realize all four bell states by devising the arrangement method.

また、ループ光路外の、後述するように45度偏波の励起光がループ光路に入力されるまでの光路に、45度偏波の励起光の直交する偏波面間の光位相差を調整する複屈折媒体を工夫して配置し、この複屈折媒体によって偏波面が直交する励起光間の光位相差を調整することとし、このループ光路外に配置する、励起光をこのループ光路に入力しこのループ光路中で生成される相関光子対を出力する機能部分の構成及び配置方法を工夫することによっても、4つのベル状態の全てを選択して実現することが可能であることを確かめた。   In addition, as described later, the optical phase difference between the orthogonal polarization planes of the 45-degree polarized excitation light is adjusted to the optical path outside the loop optical path until the 45-degree polarized excitation light is input to the loop optical path. The birefringent medium is devised and arranged, and the optical phase difference between the pumping lights whose polarization planes are orthogonal is adjusted by this birefringent medium. The pumping light placed outside this loop optical path is input to this loop optical path. It was confirmed that all four bell states can be selected and realized by devising the configuration and arrangement method of the functional part that outputs the correlated photon pair generated in the loop optical path.

したがって、この発明の目的は、簡便な構成の装置であって、4つのベル状態の全てを選択して実現可能とする偏波量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a polarization entangled photon pair generating device that is an apparatus having a simple configuration and can be realized by selecting all four bell states.

そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の偏波量子もつれ光子対発生装置が提供される。   Therefore, according to the gist of the present invention, there is provided a polarization entangled photon pair generating device having the following configuration.

この発明の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、ループ光路と光分岐入出力部とこの光分岐入出力部の後段に配置される1/2波長板とを備える偏波量子もつれ光子対発生装置である。   A first polarization entangled photon pair generating device according to the present invention comprises a polarization quantum entangled photon comprising a loop optical path, an optical branching input / output unit, and a half-wave plate disposed downstream of the optical branching input / output unit. Pair generator.

ループ光路中には、非線形光学媒質と、このループ光路にこのループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光に基づいて、この非線形光学媒質中で発生しこのループ光路を伝播するシグナル光及びアイドラー光のループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分との間の光位相差を調整する偏波面及び光位相調整部とが配置されている。   A loop optical path is generated in the nonlinear optical medium based on a nonlinear optical medium and excitation light that is input to the loop optical path so that the loop optical path propagates clockwise and counterclockwise. A polarization plane and an optical phase adjuster for adjusting the optical phase difference between the light component that rotates clockwise and the light component that rotates counterclockwise in the loop optical path of the signal light and idler light propagating through the light are disposed.

光分岐入出力部は、ループ光路に励起光を入力し、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対を、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力する。   The optical branching input / output unit inputs excitation light to the loop optical path, and correlates the correlated photon pair consisting of signal light and idler light propagating clockwise and counterclockwise along the loop optical path into the signal light wavelength component and idler light wavelength component. Are output in a state of being separated into spaces.

そして、光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に1/2波長板が配置されている。   A half-wave plate is disposed in one of the optical paths from which the signal light wavelength component and the idler light wavelength component that are separated and output from the light branching input / output unit are output.

この発明の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、次のように構成するのが好適である。   The first polarization entangled photon pair generating device of the present invention is preferably configured as follows.

ループ光路を、第1〜第3入出力端を備える偏波分離合成器の第2及び第3入出力端を、非線形光学媒質と偏波面及び光位相調整部とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成する。   The loop optical path is connected to the second and third input / output terminals of the polarization beam splitter / combiner including the first to third input / output terminals by arranging the nonlinear optical medium, the polarization plane, and the optical phase adjusting unit in series. Connected to both ends of the optical fiber.

光分岐入出力部の出力端は、偏波分離合成器の第1入出力端に接続され、励起光がこの光分岐入出力部の入力端から入力されてこの光分岐入出力部を介して偏波分離合成器の第1入出力端からループ光路に入力され、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分が、光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とする。   The output terminal of the optical branching input / output unit is connected to the first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner, and the pumping light is input from the input terminal of the optical branching input / output unit and passes through the optical branching input / output unit. The signal is input to the loop optical path from the first input / output end of the polarization beam splitter, and the signal light wavelength component and the idler light wavelength component are output in a state of being spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit. .

この発明の第2の偏波量子もつれ光子対発生装置は、ループ光路と入力部と光分岐入出力部とを備える偏波量子もつれ光子対発生装置である。   The second polarization quantum entangled photon pair generation device of the present invention is a polarization quantum entangled photon pair generation device including a loop optical path, an input unit, and an optical branching input / output unit.

ループ光路中には、第1非相反偏波面変換部と非線形光学媒質と第2非相反偏波面変換部と複屈折媒体とが直列に配置されている。   In the loop optical path, a first nonreciprocal polarization plane conversion unit, a nonlinear optical medium, a second nonreciprocal polarization plane conversion unit, and a birefringence medium are arranged in series.

入力部は、励起光を入力させる部分である。そして、光分岐入出力部は、ループ光路にこのループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光に基づいて非線形光学媒質中で発生するループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対を、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力する。   The input unit is a part for inputting excitation light. The optical branching input / output unit then rotates the loop optical path generated in the nonlinear optical medium clockwise and counterclockwise based on the excitation light input so as to propagate in the loop optical path clockwise and counterclockwise. A correlated photon pair consisting of signal light and idler light propagating around is output in a state of being spatially separated into a signal light wavelength component and an idler light wavelength component.

そして、光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分のいずれか一方が通過する光路中に第1の1/2波長板が配置されている。   The first half-wave plate is disposed in the optical path through which either the signal light wavelength component or the idler light wavelength component output after being spatially separated from the light branching input / output unit passes.

この発明の第2の偏波量子もつれ光子対発生装置は、次のように構成するのが好適である。   The second polarization entangled photon pair generating device of the present invention is preferably configured as follows.

ループ光路を、第1〜第4入出力端を備える偏波分離合成器の第2入出力端と第3入出力端とを、第1非相反偏波面変換部と非線形光学媒質と第2非相反偏波面変換部と複屈折媒体とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成する。そして、入力部を、第1〜第4入出力端を備える偏波分離合成器の第1入出力端とする。偏波分離合成器の第4入出力端と光分岐入出力部の入力端とを接続する。   The loop optical path includes a second input / output end and a third input / output end of a polarization beam splitter / combiner having first to fourth input / output ends, a first nonreciprocal polarization plane conversion unit, a nonlinear optical medium, and a second non-optical medium. A reciprocal polarization plane converter and a birefringent medium are connected to both ends of an optical fiber that is arranged and connected in series. The input unit is the first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner including the first to fourth input / output terminals. The fourth input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner is connected to the input terminal of the optical branching input / output unit.

第1非相反偏波面変換部は、偏波面を45度回転する第1ファラデー回転子と第2の1/2波長板を備えて構成し、第2非相反偏波面変換部は、偏波面を45度回転する第2ファラデー回転子と第3の1/2波長板を備えて構成する。   The first non-reciprocal polarization plane conversion unit includes a first Faraday rotator that rotates the polarization plane by 45 degrees and a second half-wave plate, and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit It comprises a second Faraday rotator that rotates 45 degrees and a third half-wave plate.

また、励起光が偏波分離合成器の第1入出力端から入力されてこの偏波分離合成器を介して偏波分離合成器の第1入出力端からループ光路に入力され、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分が、光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とする。   Also, the pumping light is input from the first input / output end of the polarization beam splitter / combiner and is input to the loop optical path from the first input / output port of the polarization beam splitter / combiner via this polarization beam splitter / combiner. The component and the idler wavelength component are output in a state of being spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit.

この発明の第3の偏波量子もつれ光子対発生装置は、ループ光路と光分岐入出力部とこの光分岐入出力部の後段に配置される1/2波長板とを備える偏波量子もつれ光子対発生装置である。   A third polarization entangled photon pair generating device according to the present invention comprises a polarization entangled photon comprising a loop optical path, an optical branching input / output unit, and a half-wave plate disposed downstream of the optical branching input / output unit. Pair generator.

ループ光路中には、非線形光学媒質と、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光のいずれか一方と、またこの励起光に基づいて、この非線形光学媒質中で発生しこのループ光路を伝播するシグナル光及びアイドラー光のループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分のいずれか一方の偏波面を90度回転する90度偏波面回転部が配置されている。   In the loop optical path, a nonlinear optical medium, one of excitation light input to propagate clockwise and counterclockwise in the loop optical path, and the nonlinear optical medium based on the excitation light. A 90-degree polarization plane rotation unit that rotates the polarization plane of either the signal light that propagates through this loop optical path and the optical component that rotates clockwise in the loop path of idler light or the light component that rotates counterclockwise by 90 degrees is arranged Has been.

光分岐入出力部は、ループ光路に励起光を入力し、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対を、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力する。また、励起光をループ光路に入力するまでのいずれかの光路に、後述する45度偏波の励起光の直交する偏波面間の光位相差を調整する複屈折媒体が配置されている。   The optical branching input / output unit inputs excitation light to the loop optical path, and correlates the correlated photon pair consisting of signal light and idler light propagating clockwise and counterclockwise along the loop optical path into the signal light wavelength component and idler light wavelength component. Are output in a state of being separated into spaces. Also, a birefringence medium for adjusting the optical phase difference between orthogonal polarization planes of 45-degree polarized excitation light, which will be described later, is disposed in any optical path until the excitation light is input to the loop optical path.

そして、光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に1/2波長板が配置されている。   A half-wave plate is disposed in one of the optical paths from which the signal light wavelength component and the idler light wavelength component that are separated and output from the light branching input / output unit are output.

この発明の第3の偏波量子もつれ光子対発生装置は、次のように構成するのが好適である。   The third polarization entangled photon pair generator of the present invention is preferably configured as follows.

ループ光路を、第1〜第3入出力端を備える偏波分離合成器の第2及び第3入出力端を、非線形光学媒質と90度偏波面回転部とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成する。   An optical fiber that connects the second and third input / output ends of a polarization beam splitter / combiner having first to third input / output ends by connecting a nonlinear optical medium and a 90-degree polarization plane rotation unit in series to the loop optical path. Connected to both ends.

光分岐入出力部の出力端は、偏波分離合成器の第1入出力端に接続され、励起光がこの光分岐入出力部の入力端から入力されてこの光分岐入出力部を介して偏波分離合成器の第1入出力端からループ光路に入力され、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分が、光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とする。また45度偏波の励起光の直交する偏波面間の光位相差を調整する上述の複屈折媒体は、上述の光分岐入出力部の入力端に配置される。また、光分岐入出力部の出力端と偏波分離合成器の第1入出力端を接続する箇所に配置しても良い。いずれにしろ、励起光が45度偏光の励起光となった後にループ光路に入力されるまでに経過するいずれかの光路に配置する。   The output terminal of the optical branching input / output unit is connected to the first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner, and the pumping light is input from the input terminal of the optical branching input / output unit and passes through the optical branching input / output unit. The signal is input to the loop optical path from the first input / output end of the polarization beam splitter, and the signal light wavelength component and the idler light wavelength component are output in a state of being spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit. . The above-described birefringent medium that adjusts the optical phase difference between orthogonal polarization planes of 45-degree polarized excitation light is disposed at the input end of the above-described optical branching input / output unit. Further, it may be arranged at a location where the output terminal of the optical branching input / output unit and the first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner are connected. In any case, it is arranged in any optical path that passes after the excitation light becomes 45-degree polarized excitation light and is input to the loop optical path.

この発明の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置によれば、ループ光路にこのループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光に基づいて、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光が、このループ光路中に配置された非線形光学媒質によって発生する。   According to the first polarization entangled photon pair generating device of the present invention, the loop optical path is changed to the clockwise direction based on the excitation light that is input to the loop optical path so as to propagate the loop optical path clockwise and counterclockwise. Signal light and idler light propagating around and counterclockwise are generated by a nonlinear optical medium disposed in the loop optical path.

偏波面及び光位相調整部によって、後述するように時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光と、反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光の偏波面とが互いに直交する状態となる。また、偏波面及び光位相調整部によって、ループ光路を時計回りする光成分と反時計回りをする光成分との間の位相差が調整される。この位相差の調整を行うこと、及び光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に1/2波長板を配置することによって、後述するように式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態のいずれをも選択して実現される。   As will be described later, the polarization plane of the signal light and idler light propagating clockwise and the polarization plane of the signal light and idler light propagating counterclockwise are orthogonal to each other by the polarization plane and the optical phase adjustment unit. Further, the phase difference between the light component that rotates clockwise in the loop optical path and the light component that rotates counterclockwise is adjusted by the polarization plane and the optical phase adjustment unit. Adjusting this phase difference, and placing a half-wave plate in one of the optical paths that output the signal light wavelength component and idler light wavelength component that are separated and output from the optical branching input / output unit By doing so, it is realized by selecting any of the bell states represented by the equations (5-a) to (5-d) as described later.

この発明の第2の偏波量子もつれ光子対発生装置によれば、ループ光路にこのループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光に基づいて、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光が、このループ光路中に配置された非線形光学媒質によって発生する。   According to the second polarization entangled photon pair generating apparatus of the present invention, the loop optical path is changed to the clockwise direction based on the excitation light that is input to the loop optical path so as to propagate the loop optical path clockwise and counterclockwise. Signal light and idler light propagating around and counterclockwise are generated by a nonlinear optical medium disposed in the loop optical path.

第1非相反偏波面変換部と第2非相反偏波面変換部とによって、時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光と、反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光の偏波面とが互いに直交する状態となる。また、複屈折媒体によって、後述するようにループ光路を時計回りする光成分と反時計回りをする光成分との間の位相差が調整される。この位相差の調整を行うこと、及び光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分のいずれか一方が出力される光路中に1/2波長板を配置することによって、後述するように式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態のいずれをも選択して実現される。   Signal light and idler light propagating clockwise and signal light and idler light propagating counterclockwise are orthogonal to each other by the first non-reciprocal polarization conversion unit and the second non-reciprocal polarization conversion unit It becomes a state to do. Further, the birefringent medium adjusts the phase difference between the light component that rotates clockwise in the loop optical path and the light component that rotates counterclockwise, as will be described later. Adjusting this phase difference and placing a half-wave plate in the optical path where either the signal light wavelength component or idler light wavelength component that is output after being spatially separated from the optical branching input / output unit is output By doing so, it is realized by selecting any of the bell states represented by the equations (5-a) to (5-d) as described later.

この発明の第3の偏波量子もつれ光子対発生装置によれば、ループ光路にこのループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光に基づいて、このループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光が、このループ光路中に配置された非線形光学媒質によって発生する。   According to the third polarization entangled photon pair generating device of the present invention, the loop optical path is changed to the clockwise direction based on the excitation light that is input to propagate in the loop optical path clockwise and counterclockwise. Signal light and idler light propagating around and counterclockwise are generated by a nonlinear optical medium disposed in the loop optical path.

第3の偏波量子もつれ光子対発生装置においては、光分岐入出力部を経過しループ光路に励起光が入力される光路に複屈折媒体が配置される。したがって、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と異なり、光子対は複屈折媒体を経過しない。一方、横偏波の相関光子対を生成する励起光の光位相と、縦偏波の相関光子対を生成する励起光の光位相は、複屈折媒体で生じるリタデーションに応じて異なる。このリタデーションの調整を行うこと、及び光分岐入出力部から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分のいずれか一方が出力される光路中に1/2波長板を配置することによって、後述するように式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態のいずれをも選択して実現される。   In the third polarization entangled photon pair generating device, a birefringent medium is disposed in the optical path through which the excitation light is input to the loop optical path after passing through the optical branching input / output unit. Therefore, unlike the first polarization entangled photon pair generator, the photon pair does not pass through the birefringent medium. On the other hand, the optical phase of the excitation light that generates the cross-polarized correlation photon pair and the optical phase of the excitation light that generates the longitudinally-polarized correlation photon pair differ depending on the retardation generated in the birefringent medium. This retardation adjustment is performed, and a half-wave plate is disposed in the optical path where either one of the signal light wavelength component and the idler light wavelength component output after being spatially separated from the light branching input / output unit is output. As described later, this is realized by selecting any of the bell states represented by the equations (5-a) to (5-d).

この発明の実施形態の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の概略的ブロック構成図である。1 is a schematic block configuration diagram of a first polarization entangled photon pair generation device according to an embodiment of the present invention. FIG. 偏波面及び光位相調整部の構成及びその機能についての説明に供する図である。It is a figure where it uses for description about the structure of a polarization plane and an optical phase adjustment part, and its function. 第1ファラデー回転子の代わりに直線偏波光の偏波面を-45度回転する第3ファラデー回転子を使用する構成とした偏波面及び光位相調整部の構成及びその機能についての説明に供する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and function of a polarization plane and an optical phase adjustment unit configured to use a third Faraday rotator that rotates a polarization plane of linearly polarized light by −45 degrees instead of the first Faraday rotator. is there. 1/2波長板の光学軸の方向をどのように設定して当該1/2波長板を配置するかについての説明に供する図であり、(A)は式(5-a)及び式(5-b)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合の配置方法の、(B)は式(5-c)及び式(5-d)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合の配置方法の説明に供する図である。It is a diagram for explaining how to set the direction of the optical axis of the half-wave plate and arrange the half-wave plate, (A) is a formula (5-a) and formula (5 (B) shows the arrangement method for generating the bell-state photon pair given by -b), and (B) shows the case for generating the bell-state photon pair given by equations (5-c) and (5-d). It is a figure where it uses for description of the arrangement method. この発明の実施形態の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第1変形例の概略的ブロック構成図である。FIG. 6 is a schematic block configuration diagram of a first modification of the first polarization entangled photon pair generation device according to the embodiment of the present invention. この発明の実施形態の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第2変形例の概略的ブロック構成図である。FIG. 6 is a schematic block configuration diagram of a second modification of the first polarization entangled photon pair generation device according to the embodiment of the present invention. この発明の実施形態の第2の偏波量子もつれ光子対発生装置の概略的ブロック構成図である。FIG. 3 is a schematic block configuration diagram of a second polarization entangled photon pair generation device according to an embodiment of the present invention. 第1非相反偏波面変換部の概略的構成及びその動作の説明に供する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a schematic configuration and operation of a first nonreciprocal polarization plane converter. 第2非相反偏波面変換部の概略的構成及びその動作の説明に供する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a schematic configuration and operation of a second nonreciprocal polarization plane conversion unit. この発明の実施形態の第3の偏波量子もつれ光子対発生装置の概略的ブロック構成図である。FIG. 5 is a schematic block configuration diagram of a third polarization entangled photon pair generation device according to an embodiment of the present invention. 励起光がループ光路に入力されるまでのいずれかの光路に挿入される複屈折媒体の光学軸と励起光の偏波方向との関係の説明に供する図である。It is a figure where it uses for description of the relationship between the optical axis of the birefringent medium inserted in any one optical path until excitation light is input into a loop optical path, and the polarization direction of excitation light.

以下、図1〜図9を参照してこの発明の実施形態につき説明する。以下の説明において、特定の素子及び動作条件などを取り上げることがあるが、これら素子及び動作条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、図1及び図5〜図7は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係などを概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, specific elements and operating conditions may be taken up. However, these elements and operating conditions are only one of preferred examples, and thus are not limited to these. FIG. 1 and FIGS. 5 to 7 illustrate an example of the configuration according to the present invention, and merely schematically show the arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. However, the present invention is not limited to the illustrated example.

≪第1の偏波量子もつれ光子対発生装置≫
<構成の説明>
図1を参照してこの発明の実施形態の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の基本構成について説明する。
≪First polarization entangled photon pair generator≫
<Description of configuration>
A basic configuration of the first polarization entangled photon pair generating device of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、偏波分離合成器101とその2つの入出力端とを含んで構成されるサニャック型干渉計のループ光路20と、励起光をループ光路20に入力し、またこのループ光路20から出力される偏波量子もつれ光子対波長成分を空間分離して出力する光分岐入出力部10を備えている。   The first polarization entangled photon pair generator includes a Sagnac interferometer loop optical path 20 including a polarization splitting synthesizer 101 and its two input / output terminals, and pump light into the loop optical path 20. An optical branching input / output unit 10 is provided for spatially separating and outputting the polarization entangled photon pair wavelength component output from the loop optical path 20.

ループ光路20は、非線形光学媒質102と偏波面及び光位相調整部104と90度偏波面回転部103とが光ファイバーで直列に配置接続されており、この光ファイバーの両端を、第1入出力端101-1、第2入出力端101-2、及び第3入出力端101-3を備える偏波分離合成器101の第2入出力端101-2及び第3入出力端10-3に接続することによって構成されている。   In the loop optical path 20, a nonlinear optical medium 102, a polarization plane and optical phase adjustment unit 104, and a 90-degree polarization plane rotation unit 103 are connected in series with an optical fiber, and both ends of the optical fiber are connected to the first input / output end 101. -1, connected to the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 10-3 of the polarization beam splitter / combiner 101 having the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3. Is made up of.

光分岐入出力部10は、第1入出力端105-1、第2入出力端105-2及び第3入出力端105-3を備えるバンドパス光フィルター105、ローパス光フィルター106、WDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルター107を備えて構成されている。波長λpである励起光は第1入出力端105-1からバンドパス光フィルター105に入力され、このバンドパス光フィルター105を介して偏波分離合成器101の第1入出力端101-1からループ光路20に入力される。 The optical branching input / output unit 10 includes a bandpass optical filter 105, a lowpass optical filter 106, a WDM (wavelength) including a first input / output terminal 105-1, a second input / output terminal 105-2, and a third input / output terminal 105-3. (Division Multiplexer / Demultiplexer) filter 107 is provided. The pumping light having the wavelength λ p is input to the bandpass optical filter 105 from the first input / output terminal 105-1, and the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 passes through the bandpass optical filter 105. To the loop optical path 20.

光分岐入出力部10を介してループ光路20に、このループ光路20を時計回り及び反時計回りに伝播するように励起光が入力されると、この励起光に基づく非線形光学媒質102中で非線形光学効果によって、ループ光路20を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対が生成される。この相関光子対は、ループ光路20を構成する偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力されて、バンドパス光フィルター105の、第2入出力端105-2からバンドパス光フィルター105に入力され、第3入出力端105-3から光分岐入出力部10が備えるローパス光フィルター106を介してWDMフィルター107に入力される。WDMフィルター107に入力されたシグナル光及びアイドラー光からなる相関光子対は、WDMフィルター107によって、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力される。   When excitation light is input to the loop optical path 20 via the optical branching input / output unit 10 so as to propagate clockwise and counterclockwise in the loop optical path 20, nonlinearity is generated in the nonlinear optical medium 102 based on the excitation light. Due to the optical effect, a correlated photon pair consisting of signal light and idler light propagating clockwise and counterclockwise in the loop optical path 20 is generated. This correlated photon pair is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 constituting the loop optical path 20, and is then bandpassed from the second input / output terminal 105-2 of the bandpass optical filter 105. The light is input to the optical filter 105 and is input from the third input / output terminal 105-3 to the WDM filter 107 via the low-pass optical filter 106 provided in the optical branching input / output unit 10. The correlated photon pair consisting of signal light and idler light input to the WDM filter 107 is output in a state of being spatially separated into a signal light wavelength component and an idler wavelength component by the WDM filter 107.

ローパス光フィルター106は、後述するように、非線形光学媒質102で発生したSHG光の波長成分(λp/2)を除去する働きをする。 As will be described later, the low-pass optical filter 106 functions to remove the wavelength component (λ p / 2) of the SHG light generated in the nonlinear optical medium 102.

WDMフィルター107から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分のいずれか一方が出力される光路中に、通過する光子の偏光方向を90度回転させる1/2波長板108が配置されている。図1に示す装置では、アイドラー光波長成分が出力される光路中に1/2波長板108が配置されているが、シグナル光波長成分が出力される光路中に1/2波長板108が配置される構成としてもよい。   A half-wave plate 108 that rotates the polarization direction of the passing photon by 90 degrees in the optical path in which either the signal light wavelength component or the idler light wavelength component that is output after being spatially separated from the WDM filter 107 is output. Has been placed. In the apparatus shown in FIG. 1, the half-wave plate 108 is disposed in the optical path from which the idler wavelength component is output, but the half-wave plate 108 is disposed in the optical path from which the signal light wavelength component is output. It is good also as a structure to be made.

第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、好ましくは偏波面保存光学系で構成するのがよい。その上で、ループ光路20を構成する偏波分離合成器101、非線形光学媒質102、90度偏波面回転部103、偏波面及び光位相調整部104等の光学軸の関係は後述する特別の配慮を以って規定されている。   The first polarization entangled photon pair generating device is preferably composed of a polarization plane preserving optical system. In addition, the relationship between the optical axes of the polarization splitting / combining device 101, the nonlinear optical medium 102, the 90-degree polarization plane rotating unit 103, the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104, etc., constituting the loop optical path 20, is described below with special considerations. It is prescribed with.

また、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、各光学部品を光結合レンズによって空間的に結合する構成としてもよい。また、偏波面保存光ファイバーで各光学部品を結合する構成としてもよい。いずれにしても、この装置は、シグナル光、アイドラー光が最終的に空間分離出力される出力端に至るまで、偏波面保存光学系で構成するのが望ましい。   In addition, the first polarization entangled photon pair generation device may be configured to spatially couple each optical component with an optical coupling lens. Moreover, it is good also as a structure which couple | bonds each optical component with a polarization-maintaining optical fiber. In any case, it is desirable that this apparatus is composed of a polarization plane preserving optical system until reaching the output end where the signal light and idler light are finally spatially separated and output.

ただし、偏波面保存光ファイバーの代わりに偏波面が保存されることが補償されていない通常の光ファイバーを用いて構成する場合であっても、適宜偏波面コントローラー等の付加光学部品を用いることによって、擬似的に偏波面保存光学系を構成することは可能である。   However, even in the case of using a normal optical fiber that is not compensated for preserving the polarization plane in place of the polarization plane-maintaining optical fiber, it can be simulated by using additional optical components such as a polarization plane controller as appropriate. In other words, it is possible to construct a polarization plane preserving optical system.

励起光波長を、発生させる偏波量子もつれ光子対の波長の近傍波長であるλpとする。すなわち、発生させる偏波量子もつれ光子対の波長帯域が1550 nmであるならば、励起光波長λpの値は1550 nmの近傍の値に設定する。 Let the excitation light wavelength be λ p , which is the wavelength near the wavelength of the polarization entangled photon pair to be generated. That is, if the wavelength band of the generated polarization entangled photon pair is 1550 nm, the value of the excitation light wavelength λ p is set to a value in the vicinity of 1550 nm.

非線形光学媒質102は、PPLN等の2次非線形光学効果を効果的に発現する非線形光学媒質、もしくは光ファイバー等の3次非線形光学効果を効果的に発現する非線形光学媒質とする。いずれにしても励起光によってパラメトリック蛍光を発生する非線形光学媒質を採用する。   The nonlinear optical medium 102 is a nonlinear optical medium that effectively expresses a second-order nonlinear optical effect such as PPLN or a nonlinear optical medium that effectively expresses a third-order nonlinear optical effect such as an optical fiber. In any case, a nonlinear optical medium that generates parametric fluorescence by excitation light is employed.

非線形光学媒質102に2次非線形光学媒質を採用した場合、カスケードSHG/SPDC過程によって相関光子対を発生させることが可能である(非特許文献1参照)。すなわち、波長λpの励起光を用いると、2次非線形光学媒質中で波長λp/2のSHG光が発生し、このSHG光を種光としたSPDC過程によって、波長λsのシグナル光及び波長λiのアイドラー光の相関光子対が同時に空間的に同一箇所で、すなわち同時空間的に発生する。 When a second-order nonlinear optical medium is employed as the nonlinear optical medium 102, correlated photon pairs can be generated by a cascade SHG / SPDC process (see Non-Patent Document 1). That is, when excitation light having a wavelength λ p is used, SHG light having a wavelength λ p / 2 is generated in a second-order nonlinear optical medium, and signal light having a wavelength λ s is generated by an SPDC process using the SHG light as seed light. Correlated photon pairs of idler light of wavelength λ i are simultaneously generated at the same spatial location, that is, simultaneously spatially.

一方、非線形光学媒質102に3次非線形光学媒質を採用した場合、SFWM過程によって相関光子対が発生する。すなわち、波長λpの励起光によって、SFWM過程によって波長λsのシグナル光及び波長λiのアイドラー光の相関光子対が同時空間的に発生する。 On the other hand, when a third-order nonlinear optical medium is adopted as the nonlinear optical medium 102, a correlated photon pair is generated by the SFWM process. That is, the excitation light having the wavelength λ p simultaneously generates a correlated photon pair of the signal light having the wavelength λ s and the idler light having the wavelength λ i through the SFWM process.

2次非線形光学媒質あるいは3次非線形光学媒質のいずれのパラメトリック蛍光過程を利用するにせよ、励起光、シグナル光、アイドラー光の波長であるλp、λs、λiは、次式(6)で与えられるエネルギー保存則に相当する関係を満足する。ここで、λp、λs、λiは、いずれも真空中における波長である。 Regardless of the parametric fluorescence process of the second-order nonlinear optical medium or the third-order nonlinear optical medium, the wavelengths of the excitation light, signal light, and idler light λ p , λ s , and λ i are expressed by the following equation (6) Satisfies the relation corresponding to the law of conservation of energy given by. Here, λ p , λ s , and λ i are all wavelengths in vacuum.

2/λp=1/λs+1/λi (6)
ただし、λs≠λp、λi≠λpであるとする。
2 / λ p = 1 / λ s + 1 / λ i (6)
However, it is assumed that λ s ≠ λ p and λ i ≠ λ p .

バンドパス光フィルター105では、第1入出力端105-1から入力される入力光(波長λpの励起光)は、このバンドパス光フィルター105の透過波長である波長λpの成分が透過して第2入出力端105-2から出力されて偏波分離合成器101の第1入出力端101−1に入力される。 In the band pass optical filter 105, the input light (excitation light of wavelength λ p ) input from the first input / output terminal 105-1 transmits the component of wavelength λ p that is the transmission wavelength of the band pass optical filter 105. Are output from the second input / output terminal 105-2 and input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101.

一方、ループ光路20から出力される、すなわち偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力されバンドパス光フィルター105の第2入出力端105-2に入力される入力光のうち、波長がλpの近傍の波長成分(励起光成分)のみが選択的にバンドパス光フィルター105を透過し、第1入出力端105-1から出力される。この透過される波長成分以外の波長成分、すなわちバンドパス光フィルター105の反射成分のうち、シグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分を含む波長成分は、第3入出力端105-3から出力されてローパス光フィルター106を介してWDMフィルター107に入力される。 On the other hand, the input light output from the loop optical path 20, that is, output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 and input to the second input / output terminal 105-2 of the bandpass optical filter 105 is input. Of these, only the wavelength component (excitation light component) in the vicinity of λ p is selectively transmitted through the bandpass optical filter 105 and output from the first input / output terminal 105-1. Among the wavelength components other than the transmitted wavelength component, that is, the reflected wavelength component of the bandpass filter 105, the wavelength component including the signal wavelength component and the idler wavelength component is output from the third input / output terminal 105-3. The light is input to the WDM filter 107 via the low-pass optical filter 106.

バンドパス光フィルター105には、誘電体多層膜を利用した光学フィルターの一種で、現在バンドパス光フィルターとして市販されている光学フィルターを適宜利用できる。また、いわゆるAWG(Arrayed waveguide grating)型のWDMフィルターを適宜利用することもできる。   The band-pass optical filter 105 is a kind of optical filter using a dielectric multilayer film, and an optical filter currently available as a band-pass optical filter can be appropriately used. Also, a so-called AWG (Arrayed waveguide grating) type WDM filter can be used as appropriate.

偏波分離合成器101は、バンドパス光フィルター105の第2入出力端105-2と結合する第1入出力端101-1と、第1入出力端101-1の入力光を直交した偏波成分、すなわちp偏波成分とs偏波成分に分離してそれぞれ出力するための第2入出力端101-2と第3入出力端101-3とを備えている。このような偏波分離合成器101には、例えば市販されている偏光ビームスプリッタから適宜選択して利用することができる。あるいはまた、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを適宜利用することもできる。   The polarization beam splitter / combiner 101 includes a first input / output terminal 101-1 coupled to the second input / output terminal 105-2 of the bandpass optical filter 105, and a polarization signal obtained by orthogonalizing the input light from the first input / output terminal 101-1. A second input / output terminal 101-2 and a third input / output terminal 101-3 for separating and outputting the wave component, that is, the p-polarized wave component and the s-polarized wave component are provided. For such a polarization beam splitter / combiner 101, for example, a commercially available polarizing beam splitter can be appropriately selected and used. Alternatively, a so-called polarizing prism using a birefringent crystal can be used as appropriate.

偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から入力されたp偏波成分は、第2入出力端101-2から出力され、第1入出力端101-1から入力されたs偏波成分は、第3入出力端101-3から出力される。また、第2入出力端101-2から入力されたp偏波成分は、第1入出力端101-1から出力され、第3入出力端101-3から入力されたs偏波成分は第1入出力端101-1から出力される。   The p-polarization component input from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 is output from the second input / output terminal 101-2 and s input from the first input / output terminal 101-1. The polarization component is output from the third input / output terminal 101-3. The p-polarized component input from the second input / output terminal 101-2 is output from the first input / output terminal 101-1, and the s-polarized component input from the third input / output terminal 101-3 is the first 1 Output from the input / output terminal 101-1.

偏波分離合成器101の第2入出力端101-2には非線形光学媒質が光ファイバーによって接続されている。一方、第3入出力端101-3には90度偏波面回転部103が光ファイバーによって接続されている。   A nonlinear optical medium is connected to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitter / combiner 101 by an optical fiber. On the other hand, a 90-degree polarization plane rotation unit 103 is connected to the third input / output terminal 101-3 by an optical fiber.

波長λpの励起光は、バンドパス光フィルター105の第1入出力端105-1から入力され、第2入出力端105-2から出力される。その後、波長λpの励起光は、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へと入力され、p偏波成分とs偏波成分とに分離され、それぞれ偏波分離合成器101の第2入出力端101-2、第3入出力端101-3から出力される。 The excitation light having the wavelength λ p is input from the first input / output terminal 105-1 of the bandpass optical filter 105 and output from the second input / output terminal 105-2. Thereafter, the pumping light of wavelength λ p is input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 and separated into the p polarization component and the s polarization component, respectively. 101 is output from the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3.

上述の偏波分離された励起光のp偏波成分とs偏波成分とは、同一強度でなければならない。そのために、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へ入力されるときの励起光は、p偏波成分とs偏波成分の強度比が1:1であるように偏波調整しておく。   The p-polarized component and the s-polarized component of the polarization-separated pumping light must have the same intensity. For this reason, the excitation light when input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 is polarized so that the intensity ratio of the p-polarized component and the s-polarized component is 1: 1. Adjust it.

偏波分離合成器101におけるp偏波方向もしくはs偏波方向から45度傾いた直線偏波となるように調整するには、例えば、バンドパス光フィルター105の第1入出力端105-1の手前に偏波面コントローラーを用意し、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へ入力されるときの励起光の偏波状態を、偏波分離合成器101におけるp偏波方向もしくはs偏波方向から45度傾いた直線偏波となるように調整すればよい。このように強度比が調整された励起光を、以後45度偏波の励起光ということもある。   In order to adjust the polarization splitting / combining device 101 so that the linear polarization is inclined by 45 degrees from the p-polarization direction or the s-polarization direction, for example, the first input / output terminal 105-1 of the bandpass optical filter 105 A polarization plane controller is prepared in front, and the polarization state of the pumping light when input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 is changed to the p polarization direction in the polarization beam splitter / combiner 101 or What is necessary is just to adjust so that it may become a linear polarization inclined 45 degree | times from the s polarization direction. The pumping light whose intensity ratio is adjusted in this way may be referred to as 45-degree polarized pumping light hereinafter.

90度偏波面回転部103は、直線偏波光に対してその偏波面を90度回転する機能を有する。すなわち、直線偏波光である励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波面を90度回転する。90度偏波面回転部103に利用して好適な素子の一例は、1/2波長板である。以後、特に断らない限り1/2波長板という場合は、波長λpの光に対する1/2波長板を意味する。 The 90-degree polarization plane rotation unit 103 has a function of rotating the polarization plane by 90 degrees with respect to linearly polarized light. That is, the planes of polarization of excitation light, signal light, and idler light that are linearly polarized light are rotated by 90 degrees. An example of an element suitable for use in the 90-degree polarization plane rotating unit 103 is a half-wave plate. Hereinafter, unless otherwise specified, the term “half-wave plate” means a half-wave plate for light of wavelength λ p .

また、90度偏波面回転部103の好適な構成例として、以下のような手法で形成される融着接続部としてもよい。すなわち、ループ光路20として、第1〜第3入出力端を備える偏波分離合成器101の第2入出力端101-2及び第3入出力端101-3を、非線形光学媒質102と偏波面及び光位相調整部104とを直列に配置して接続する偏波面保存光ファイバーの両端とを結んで構成させた光モジュール構成の部品を採用し、偏波分離合成器101の第3入出力端101-3と偏波面及び光位相調整部104とを結ぶ偏波面保存光ファイバーの途中箇所を、偏波面保存光ファイバーの互いに直交する光学軸(進相軸と遅相軸)を90度回転させて融着接続することで90度偏波面回転部103を形成することができる。   Further, as a preferable configuration example of the 90-degree polarization plane rotating unit 103, a fusion splicing unit formed by the following method may be used. That is, as the loop optical path 20, the second input / output end 101-2 and the third input / output end 101-3 of the polarization beam splitter / combiner 101 having the first to third input / output ends are connected to the nonlinear optical medium 102 and the polarization plane. And a third input / output terminal 101 of the polarization beam splitter / combiner 101, which employs an optical module component configured by connecting both ends of a polarization-maintaining optical fiber that is connected in series with the optical phase adjustment unit 104. -3 and the polarization plane preserving optical fiber connecting the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 are fused by rotating the optical axes (fast axis and slow axis) perpendicular to each other by 90 degrees. By connecting, the 90-degree polarization plane rotation unit 103 can be formed.

偏波面及び光位相調整部104の構成及びその機能について図2を参照して説明する。偏波面及び光位相調整部104は、図1に示したように、90度偏波面回転部103と非線形光学媒質102との間に設置される。   The configuration and function of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 will be described with reference to FIG. The polarization plane and optical phase adjustment unit 104 is installed between the 90-degree polarization plane rotation unit 103 and the nonlinear optical medium 102 as shown in FIG.

偏波面及び光位相調整部104は、直線偏波光の偏波面を+45度回転する第1ファラデー回転子278、光学軸X、Yを有する複屈折媒体282、直線偏波光の偏波面を-45度回転する第2ファラデー回転子280をこの順序で直列に配置して構成される。   The polarization plane and optical phase adjustment unit 104 includes a first Faraday rotator 278 that rotates the polarization plane of linearly polarized light by +45 degrees, a birefringent medium 282 having optical axes X and Y, and a polarization plane of linearly polarized light of −45. The second Faraday rotator 280 rotating in degrees is arranged in series in this order.

偏波面及び光位相調整部104の動作は以下のとおりである。   The operation of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 is as follows.

図2で時計回り成分として示した方向に光が伝播する場合、すなわち、p偏波の光が偏波面及び光位相調整部104の第2ファラデー回転子280側から入力され、第1ファラデー回転子278側から出力されるときの動作を説明する。p偏波の光は、第2ファラデー回転子280を通過して、偏波方向が-45度回転する。偏波回転された後の偏波方向が複屈折媒体282の光学軸方向の一つ(図2ではY軸)と一致するように、複屈折媒体282を配置する。この光は、複屈折媒体282を当該複屈折媒体282のY軸と平行な直線偏波として通過した後、第1ファラデー回転子278に入力される。そして、第1ファラデー回転子278において、+45度偏波回転される。その結果、この光は、再びp偏波の光に戻って偏波面及び光位相調整部104から出力される。   When light propagates in the direction indicated as the clockwise component in FIG. 2, that is, p-polarized light is input from the second Faraday rotator 280 side of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104, and the first Faraday rotator The operation when output from the 278 side will be described. The p-polarized light passes through the second Faraday rotator 280 and the polarization direction is rotated by −45 degrees. The birefringent medium 282 is arranged so that the polarization direction after the polarization rotation coincides with one of the optical axis directions of the birefringent medium 282 (the Y axis in FIG. 2). This light passes through the birefringent medium 282 as a linearly polarized wave parallel to the Y axis of the birefringent medium 282 and is then input to the first Faraday rotator 278. Then, the first Faraday rotator 278 is rotated by +45 degrees of polarization. As a result, this light returns to p-polarized light again and is output from the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104.

次に、図2で反時計回り成分として示した方向に光が伝播する場合、すなわち、p偏波の光が偏波面及び光位相調整部104の第1ファラデー回転子278側から入力され、第2ファラデー回転子280側から出力されるときの動作を説明する。このp偏波の光は、第1ファラデー回転子278を通過して、偏波方向が+45度回転する。このとき、偏波回転された光の偏波方向は、複屈折媒体282のX軸の方向と一致する。したがって、この光は、複屈折媒体282を当該複屈折媒体282のX軸と平行な直線偏波として通過する。その後、第2ファラデー回転子280に入力される。そして、第2ファラデー回転子280において、-45度偏波回転される。その結果、この光は、再びp偏波光に戻って偏波面及び光位相調整部104から出力される。   Next, when light propagates in the direction indicated as the counterclockwise component in FIG. 2, that is, p-polarized light is input from the first Faraday rotator 278 side of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104, and the first The operation when output from the 2 Faraday rotator 280 side will be described. The p-polarized light passes through the first Faraday rotator 278 and the polarization direction is rotated by +45 degrees. At this time, the polarization direction of the polarization-rotated light coincides with the X-axis direction of the birefringent medium 282. Therefore, this light passes through the birefringent medium 282 as a linearly polarized wave parallel to the X axis of the birefringent medium 282. Thereafter, the signal is input to the second Faraday rotator 280. Then, the second Faraday rotator 280 is rotated by −45 degrees of polarization. As a result, the light returns to the p-polarized light again and is output from the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104.

すなわち、偏波面及び光位相調整部104の図2に示す左右から入力されたp偏波光は、偏波面及び光位相調整部104の存在にもかかわらず、p偏波光として偏波面及び光位相調整部104から出力される。一方、偏波面及び光位相調整部104に図2に示す左右から入力されたp偏波光は、偏波面及び光位相調整部104内に配置された複屈折媒体282を、互いに直交する光学軸(X軸及びY軸)に平行な直線偏波の状態で通過する。そのため、図2に示す左右から入力される両光間に、複屈折媒体282の有する複屈折に基づく光位相差が生じる。   That is, the p-polarized light input from the left and right of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 shown in FIG. 2 is the polarization plane and optical phase adjustment as p-polarized light regardless of the presence of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104. Output from the unit 104. On the other hand, the p-polarized light input from the left and right shown in FIG. 2 to the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 is transmitted through the birefringent medium 282 disposed in the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 with optical axes orthogonal to each other ( Passes in a state of linear polarization parallel to the X and Y axes). For this reason, an optical phase difference based on the birefringence of the birefringent medium 282 is generated between both lights input from the left and right shown in FIG.

すなわち、偏波面及び光位相調整部104をループ光路20内に挿入することにより、ループ光路20内を時計回り及び反時計回りに伝播する光成分間に、複屈折媒体282の有する複屈折に基づく光位相差を生じさせることができる。   That is, by inserting the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104 into the loop optical path 20, the birefringence of the birefringent medium 282 is based on the light component propagating clockwise and counterclockwise in the loop optical path 20. An optical phase difference can be generated.

複屈折媒体282としては、偏波面保存光ファイバーを利用することができる。また、1軸性もしくは2軸性の複屈折を有する光学結晶を利用してもよい。いずれの場合においても、当該複屈折媒体の長さを調整することによって生じさせる光位相差の量を調整できる。あるいはまた、生じさせるべき光位相差量を生じさせるために必要とされる長さにほぼ等しく調整された複屈折媒体を用意して、この複屈折媒体の温度を制御することによって正確に生じさせるべき光位相差を生じさせることができるように制御する手法を採用しても良い。   As the birefringent medium 282, a polarization-preserving optical fiber can be used. Further, an optical crystal having uniaxial or biaxial birefringence may be used. In either case, the amount of optical phase difference generated by adjusting the length of the birefringent medium can be adjusted. Alternatively, a birefringent medium adjusted to be approximately equal to the length required to produce the amount of optical phase difference to be produced is provided and precisely generated by controlling the temperature of the birefringent medium. A control method may be adopted so that a power optical phase difference can be generated.

一方、複屈折媒体の好適例としてバビネソレイユ補償板を用いることもできる。この場合、光位相差量を広範囲に変化させることができ、この発明の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の性能を最大限実現することが可能となる。   On the other hand, as a suitable example of the birefringent medium, a Babinet Soleil compensator can also be used. In this case, the optical phase difference amount can be changed in a wide range, and the performance of the first polarization entangled photon pair generating device of the present invention can be realized to the maximum.

また、偏波面及び光位相調整部104において、第1ファラデー回転子の代わりに直線偏波光の偏波面を-45度回転する第3ファラデー回転子を使用する構成とした偏波面及び光位相調整部を利用することによって、偏波面及び光位相調整部104と90度偏波面回転部103の機能を一体化することが可能である。すなわち、このように構成される偏波面及び光位相調整部を偏波面及び光位相調整部104の代わりに利用することによって、90度偏波面回転部103が不要となる。以後、第3ファラデー回転子を使用する構成とした偏波面及び光位相調整部を、偏波面及び光位相調整部109と記載する。   Further, in the polarization plane and optical phase adjustment unit 104, a polarization plane and optical phase adjustment unit configured to use a third Faraday rotator that rotates the polarization plane of linearly polarized light by −45 degrees instead of the first Faraday rotator. By using this, it is possible to integrate the functions of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 and the 90-degree polarization plane rotation unit 103. That is, by using the polarization plane and the optical phase adjustment unit configured as described above instead of the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104, the 90-degree polarization plane rotation unit 103 becomes unnecessary. Hereinafter, the polarization plane and optical phase adjustment unit configured to use the third Faraday rotator will be referred to as polarization plane and optical phase adjustment unit 109.

偏波面及び光位相調整部104及び109のいずれも、ループ光路に入力される励起光に基づいて非線形光学媒質中で発生しこのループ光路を伝播するシグナル光及びアイドラー光の、ループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分との間の光位相差を調整する機能を有している。   Both of the polarization plane and optical phase adjusting units 104 and 109 rotate clockwise in the loop optical path of the signal light and idler light generated in the nonlinear optical medium based on the excitation light input to the loop optical path and propagating through the loop optical path. And a function of adjusting the optical phase difference between the light component that rotates and the light component that rotates counterclockwise.

図3を参照して、第1ファラデー回転子の代わりに直線偏波光の偏波面を-45度回転する第3ファラデー回転子を使用する構成とした偏波面及び光位相調整部の構成とその機能について説明する。   Referring to FIG. 3, the configuration and function of the polarization plane and the optical phase adjustment unit configured to use a third Faraday rotator that rotates the polarization plane of linearly polarized light by −45 degrees instead of the first Faraday rotator Will be described.

図3に示すように、偏波面及び光位相調整部109の第2ファラデー回転子280側から入力されたp偏波光は、偏波面及び光位相調整部109から出力されるときs偏波光に変換される。一方、第3ファラデー回転子284側から入力されたs偏波光は、偏波面及び光位相調整部109から出力されるときにp偏波光に変換される。また、図3に示す左右から入力される両光は、複屈折媒体282を当該複屈折媒体282の互いに直交する光学軸(X軸、Y軸)に平行な直線偏波光の状態で通過する。そのため、両光間に複屈折媒体282の有する複屈折に基づく光位相差が生じる。   As shown in FIG. 3, the p-polarized light input from the second Faraday rotator 280 side of the polarization plane and optical phase adjustment unit 109 is converted into s-polarized light when output from the polarization plane and optical phase adjustment unit 109. Is done. On the other hand, the s-polarized light input from the third Faraday rotator 284 side is converted into p-polarized light when output from the polarization plane and optical phase adjustment unit 109. 3 passes through the birefringent medium 282 in a state of linearly polarized light parallel to the optical axes (X axis, Y axis) perpendicular to each other of the birefringent medium 282. For this reason, an optical phase difference based on the birefringence of the birefringent medium 282 occurs between the two lights.

この偏波面及び光位相調整部109によって得られる効果は、上述した偏波面及び光位相調整部104と90度偏波面回転部103の2つの機能部分で実現された効果と等価である。したがって、偏波面及び光位相調整部104と90度偏波面回転部103とを利用する代わりに、偏波面及び光位相調整部109のみを利用しても同一の機能を有する偏波量子もつれ光子対発生装置を形成することが可能である。   The effect obtained by the polarization plane and optical phase adjustment unit 109 is equivalent to the effect realized by the two functional parts of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 and the 90-degree polarization plane rotation unit 103 described above. Therefore, instead of using the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 and the 90-degree polarization plane rotation unit 103, even if only the polarization plane and optical phase adjustment unit 109 are used, the polarization entangled photon pair having the same function is used. It is possible to form a generator.

なお、以上説明した第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の実施の形態においては、非線形光学媒質102に入出力される励起光、SHG光、シグナル光、アイドラー光は、同一偏波方向の直線偏波光であると規定した。非線形光学媒質102に入出力される励起光、SHG光、シグナル光、アイドラー光を同一偏波方向の直線偏波光となるようにするには、例えば、非線形光学媒質102としてPPLN結晶を用い、PPLN結晶の2次非線形光学定数のテンソル成分の内のd33成分を、SHGの発現、SPDCの発現に利用し、PPLN結晶を構成する非線形光学結晶のz軸方向に偏波した励起光を入力させる構成とすることによって実現される。   In the embodiment of the first polarization entangled photon pair generation device described above, the excitation light, SHG light, signal light, and idler light input to and output from the nonlinear optical medium 102 are in the same polarization direction. It was defined as linearly polarized light. To make the excitation light, SHG light, signal light and idler light input / output to / from the nonlinear optical medium 102 become linearly polarized light in the same polarization direction, for example, using a PPLN crystal as the nonlinear optical medium 102, PPLN The d33 component of the tensor component of the second-order nonlinear optical constant of the crystal is used for SHG expression and SPDC expression, and the excitation light polarized in the z-axis direction of the nonlinear optical crystal constituting the PPLN crystal is input. It is realized by doing.

ローパス光フィルター106は、バンドパス光フィルター105の第3入出力端子105-3から出力される出力光の内、非線形光学媒質102で発生したSHG光の波長成分(λp/2)を除去する働きをする。ローパス光フィルター106の透過光の波長成分は、励起光波長成分(λp)の残留光、シグナル光波長成分(λs)、アイドラー光波長成分(λi)である。なお、非線形光学媒質102として3次非線形光学媒質を利用した場合、SHG光が発生しないためローパス光フィルター106は不要である。 The low-pass optical filter 106 removes the wavelength component (λ p / 2) of the SHG light generated in the nonlinear optical medium 102 from the output light output from the third input / output terminal 105-3 of the band-pass optical filter 105. Work. The wavelength components of the transmitted light of the low-pass light filter 106 are the residual light of the excitation light wavelength component (λ p ), the signal light wavelength component (λ s ), and the idler light wavelength component (λ i ). Note that when a third-order nonlinear optical medium is used as the nonlinear optical medium 102, no SHG light is generated, so that the low-pass optical filter 106 is unnecessary.

WDMフィルター107は、ローパス光フィルター106の透過光の内、少なくともシグナル光波長成分(λs)とアイドラー光波長成分(λi)とを別々の光路に切り分け、シグナル光波長成分(λs)とアイドラー光波長成分(λi)とに空間分離された状態で出力する。このようなWDMフィルター107としては、少なくともシグナル光波長成分(λs)とアイドラー光波長成分(λi)とを透過波長成分として有する、AWG型のWDMフィルター等を適宜利用することができる。 The WDM filter 107 cuts at least the signal light wavelength component (λ s ) and the idler light wavelength component (λ i ) out of the transmitted light of the low-pass optical filter 106 into separate optical paths, and the signal light wavelength component (λ s ) It is output in a state of being spatially separated into the idler wavelength component (λ i ). As such a WDM filter 107, an AWG type WDM filter having at least a signal light wavelength component (λ s ) and an idler light wavelength component (λ i ) as transmission wavelength components can be appropriately used.

WDMフィルター107を通過して出力されたシグナル光あるいはアイドラー光が通過するいずれか一方の光路中に1/2波長板108が配置される。図1ではアイドラー光が通過する光路中に1/2波長板108が配置されているが、シグナル光が通過する光路中に1/2波長板108を配置しても良い。   A half-wave plate 108 is arranged in one of the optical paths through which signal light or idler light output through the WDM filter 107 passes. In FIG. 1, the half-wave plate 108 is disposed in the optical path through which idler light passes, but the half-wave plate 108 may be disposed in the optical path through which signal light passes.

図4(A)及び(B)を参照して、1/2波長板108の光学軸の方向をどのように設定して当該1/2波長板108を配置するかについて説明する。図4(A)は式(5-a)及び式(5-b)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合の配置方法の、図4(B)は式(5-c)及び式(5-d)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合の配置方法の説明に供する図である。   With reference to FIGS. 4A and 4B, how to set the direction of the optical axis of the half-wave plate 108 and arrange the half-wave plate 108 will be described. FIG. 4 (A) shows an arrangement method for generating a bell-state photon pair given by the equations (5-a) and (5-b), and FIG. 4 (B) shows the equations (5-c) and It is a figure with which it uses for description of the arrangement | positioning method in the case of producing | generating the bell state photon pair given by (5-d).

式(5-a)及び式(5-b)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合は、図4(A)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸が、p偏波方向、s偏波方向のそれぞれと一致するように配置する。また、式(5-c)及び式(5-d)で与えられるベル状態の光子対を生成する場合は、図4(B)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸が、p偏波方向、s偏波方向のそれぞれと45度の角度を為すように配置する。そして、図4(A)及び図4(B)に示すどちらの配置も任意に選択できるようになっている。そのため、1/2波長板108の好適な一例は、1/2波長板108の光学軸方向を任意に回転させて設定できる1/2波長板モジュールである。   When generating a bell-state photon pair given by Equation (5-a) and Equation (5-b), as shown in FIG.4 (A), the two optical axes of the half-wave plate 108 are: Arrange them so that they match the p-polarization direction and the s-polarization direction. Further, when generating the bell-state photon pair given by the equations (5-c) and (5-d), as shown in FIG.4 (B), the two optical axes of the half-wave plate 108 However, they are arranged to make an angle of 45 degrees with each of the p polarization direction and the s polarization direction. Both arrangements shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B) can be arbitrarily selected. Therefore, a suitable example of the half-wave plate 108 is a half-wave plate module that can be set by arbitrarily rotating the optical axis direction of the half-wave plate 108.

WDMフィルター107及び1/2波長板108を通過した、シグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分は、光ファイバー通信網等の光伝送路を伝播して、それぞれ受信者A及び受信者Bに送信される。受信者A及び受信者Bは同時計測を実行することで、量子情報通信技術に基づく情報伝達を実行する。   The signal light wavelength component and the idler light wavelength component that have passed through the WDM filter 107 and the half-wave plate 108 propagate through an optical transmission line such as an optical fiber communication network, and are transmitted to the receiver A and the receiver B, respectively. . The receiver A and the receiver B execute simultaneous measurement, thereby executing information transmission based on the quantum information communication technology.

偏波分離合成器101、90度偏波面回転部103、偏波面及び光位相調整部104、偏波面及び光位相調整部109としては、波長λp近傍(λs及びλiを含む)でそれぞれ動作を保証できる素子、あるいは装置を利用すればよい。すなわち、波長λp/2においては、これら素子あるいは装置の動作は担保されている必要はない。λpが1550 nmであれば、1550 nm帯用の偏波分離合成器、ファラデー回転子、波長板等として市販されている光学部品を適宜利用することが可能であって、非特許文献2に記載されているようなλp、λp/2の両波長で正常動作する特殊な偏波分離合成器を利用する必要はない。 The polarization beam splitter / combiner 101, the 90-degree polarization plane rotation unit 103, the polarization plane / optical phase adjustment unit 104, and the polarization plane / optical phase adjustment unit 109 are near the wavelength λ p (including λ s and λ i ), respectively. An element or a device that can guarantee the operation may be used. That is, at the wavelength λ p / 2, it is not necessary to ensure the operation of these elements or devices. If λ p is 1550 nm, it is possible to appropriately use commercially available optical components such as a polarization demultiplexer / synthesizer, a Faraday rotator, and a wave plate for the 1550 nm band. It is not necessary to use a special polarization beam splitter / combiner that operates normally at both wavelengths λ p and λ p / 2, as described.

また、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置を作製するには、ループ光路20、バンドパス光フィルター105、ローパス光フィルター106、WDMフィルター107及び1/2波長板108を通過したシグナル光、アイドラー光の偏波保存が成されるのが望ましい。ゆえに、バンドパス光フィルター105、ローパス光フィルター106、WDMフィルター107及び1/2波長板108としては、空間結合系または偏波保存光ファイバーを利用した光モジュールを利用するのが望ましい。   In order to produce the first polarization entangled photon pair generating device, the loop light path 20, the bandpass optical filter 105, the lowpass optical filter 106, the WDM filter 107 and the signal light that has passed through the half-wave plate 108, It is desirable to preserve the polarization of idler light. Therefore, as the band pass optical filter 105, the low pass optical filter 106, the WDM filter 107, and the half-wave plate 108, it is desirable to use an optical module using a spatial coupling system or a polarization maintaining optical fiber.

<動作の説明>
ここでは、式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態の偏波量子もつれ光子対を選択して発生させるために、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置がどのように動作するかについて詳細に説明する。
<Description of operation>
Here, in order to select and generate the bell-state polarization entangled photon pairs represented by the equations (5-a) to (5-d), the first polarization entangled photon pair generator is How it works will be described in detail.

非線形光学媒質102として2次非線形光学媒質であるPPLN結晶を使い、パラメトリック蛍光生成過程として非特許文献1に開示されているカスケードSHG/SPDC過程を利用して、また2次非線形光学定数のテンソル成分d33によるSHG発現、SPDC発現を利用するものとして、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の動作を説明する。 Using a PPLN crystal that is a second-order nonlinear optical medium as the nonlinear optical medium 102, using the cascade SHG / SPDC process disclosed in Non-Patent Document 1 as a parametric fluorescence generation process, and the tensor component of the second-order nonlinear optical constant SHG expression by d 33, as utilizing the SPDC expression, the operation of the first polarization entangled photon pair generating device.

バンドパス光フィルター105の第1入出力端105-1へ波長λpの励起光が入力され、この励起光はその後偏波分離合成器101の第1入出力端101-1に入力される。このとき、励起光は45度偏波の状態であるように適宜偏波調整されていることにより、偏波分離合成器101の第2入出力端101-2、第3入出力端101-3から、それぞれp偏波、s偏波で、同一強度の励起光が出力される。そして、p偏波方向と、PPLN結晶のz軸方向が一致するように、PPLN結晶を配置する。 Excitation light having a wavelength λ p is input to the first input / output terminal 105-1 of the bandpass optical filter 105, and this excitation light is then input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101. At this time, the excitation light is appropriately polarized so as to be in a 45-degree polarization state, so that the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitter / combiner 101 are provided. Therefore, pump light of the same intensity is output with p polarization and s polarization, respectively. Then, the PPLN crystal is arranged so that the p-polarization direction matches the z-axis direction of the PPLN crystal.

ループ光路20を時計回りに伝播し、PPLN結晶に入力されるときの励起光はp偏波であり、このとき、非特許文献1に開示されているように、PPLN結晶内でSHG光が発生し、さらにこのSHG光を種光としてSPDC過程により、PPLN結晶内でシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。これらの光は全てp偏波である。   The pump light propagating clockwise in the loop optical path 20 and entering the PPLN crystal is p-polarized light. At this time, as disclosed in Non-Patent Document 1, SHG light is generated in the PPLN crystal. Furthermore, a correlated photon pair of signal light and idler light is generated in the PPLN crystal by the SPDC process using this SHG light as seed light. All of these lights are p-polarized.

PPLN結晶から出力される励起光、SHG光、シグナル光、アイドラー光(これらの光は全て同一の偏波状態である)は、次に偏波面及び光位相調整部104を通過する。この際、波長がλp近傍である励起光、シグナル光、アイドラー光は、p偏波のまま偏波面及び光位相調整部104から出力される。そして、複屈折結晶282を複屈折結晶282のY軸方向の直線偏波として通過し、Y軸方向の偏波成分に対して光位相が生じる。一方、SHG光については、偏波面及び光位相調整部104の光学系はこのSHG光の波長に対しては最適化されていないので、どのような偏波状態で出力されるのか不確定な要素を含むが、これについては最終的にローパス光フィルター106によってSHG光成分が除去されるため問題とならない。 Next, the excitation light, SHG light, signal light, and idler light (all these lights are in the same polarization state) output from the PPLN crystal pass through the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104. At this time, the excitation light, signal light, and idler light having a wavelength in the vicinity of λ p are output from the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 with p polarization. Then, the birefringent crystal 282 passes as a linearly polarized wave in the Y-axis direction of the birefringent crystal 282, and an optical phase is generated with respect to the polarization component in the Y-axis direction. On the other hand, for the SHG light, the polarization plane and the optical system of the optical phase adjustment unit 104 are not optimized for the wavelength of the SHG light, so it is uncertain what kind of polarization state is output. However, this is not a problem because the SHG light component is finally removed by the low-pass optical filter 106.

次に、励起光、シグナル光、アイドラー光は、90度偏波面回転部103を通過して偏波方向が90度回転してs偏波となって偏波分離合成器101の第3入出力端101-3に入力され、その結果、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1からs偏波として出力される。   Next, the pump light, the signal light, and the idler light pass through the 90-degree polarization plane rotating unit 103 and the polarization direction is rotated by 90 degrees to become s-polarized light, which is the third input / output of the polarization beam splitter / combiner 101. As a result, the signal is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 as s polarized wave.

つまり、ループ光路20を時計回りに伝播する励起光によって、PPLN結晶内でSHG過程とSPDC過程とがともに発現することにより、s偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力される。   In other words, the excitation light propagating clockwise in the loop optical path 20 manifests both the SHG process and the SPDC process in the PPLN crystal, so that the correlated photon pair of s-polarized signal light and idler light is polarized. The signal is output from the first input / output terminal 101-1 of the synthesizer 101.

一方、ループ光路20を反時計回りに伝播する励起光は、偏波分離合成器101の第3入出力端101-3から出力される段階においてはs偏波であるが、90度偏波面回転部103を通過して偏波方向が90度回転してp偏波となる。その後この励起光は、偏波面及び光位相調整部104を通過する。この際、波長がλp近傍である励起光は、p偏波のまま偏波面及び光位相調整部104から出力される。ただしこの際、複屈折結晶282を複屈折結晶282のX軸方向の直線偏波として通過し、X軸方向の偏波成分に対して光位相が生じる。 On the other hand, the pump light propagating counterclockwise in the loop optical path 20 is s-polarized when it is output from the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitter / combiner 101, but rotated by 90 degrees Passing through the section 103, the polarization direction is rotated 90 degrees to become p-polarized light. Thereafter, the excitation light passes through the polarization plane and optical phase adjustment unit 104. At this time, the pumping light having a wavelength in the vicinity of λ p is output from the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104 with p polarization. However, at this time, the birefringent crystal 282 passes through the birefringent crystal 282 as a linearly polarized wave in the X-axis direction, and an optical phase is generated with respect to the polarization component in the X-axis direction.

その後この励起光がPPLN結晶に入力するとき、励起光の偏波はPPLN結晶のz軸方法と一致するp偏波である。すると、PPLN結晶内でSHG光が発生し、さらにこのSHG光を種光としてSPDC過程により、PPLN結晶内でシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。これらは全てp偏波である。   Thereafter, when this excitation light is input to the PPLN crystal, the polarization of the excitation light is p-polarization that matches the z-axis method of the PPLN crystal. Then, SHG light is generated in the PPLN crystal, and a correlated photon pair of signal light and idler light is generated in the PPLN crystal by the SPDC process using this SHG light as seed light. These are all p-polarized waves.

次に、励起光、シグナル光、アイドラー光は、p偏波として偏波分離合成器101の第2入出力端101-2に入力され、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1からp偏波として出力される。つまり、ループ光路を反時計回りに伝播する励起光によって、p偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力される。   Next, the pumping light, the signal light, and the idler light are input as p-polarized light to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitter / combiner 101, and the first input / output terminal 101- 1 is output as p-polarization. That is, the p-polarized signal light and the idler light correlated photon pair is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 by the pump light propagating counterclockwise in the loop optical path.

偏波分離合成器101、バンドパス光フィルター105等の光学部品の光損失を無視すると、PPLN結晶に入力されるループ光路20を時計回りする励起光と、ループ光路20を反時計回りする励起光の強度は等しく、また偏波方向も等しいから、PPLN結晶が中心対称な構造であればPPLN結晶内で発生するSPDC相関光子の生成確率は、時計回り及び反時計回りの励起光に対して等しい。   Neglecting the optical loss of optical components such as the polarization demultiplexer / synthesizer 101, the bandpass optical filter 105, etc., the pumping light that rotates in the loop optical path 20 and the pumping light that rotates counterclockwise in the loop optical path 20 are input to the PPLN crystal. Are equal and the polarization directions are also equal, so if the PPLN crystal has a centrally symmetric structure, the generation probability of SPDC correlated photons generated in the PPLN crystal is equal to the clockwise and counterclockwise excitation light. .

したがって、励起光強度が十分に弱いので、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力されるシグナル光とアイドラー光の相関光子対は、ループ光路20を時計回りに伝播する励起光に基づいて発生したs偏波の相関光子対か、ループ光路20を反時計回りに伝播する励起光に基づいて発生したp偏波の相関光子対のどちらか一方であることになる。すなわち、偏波量子もつれ光子対発生装置から出力される相関光子対の状態は、ループ光路20を時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し時計回り成分とは偏波直交した相関光子対との重ね合わせの状態となる。つまり、偏波量子もつれ光子対発生装置から偏波量子もつれ光子対が生成される。   Accordingly, since the excitation light intensity is sufficiently weak, the correlated photon pair of the signal light and idler light output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 propagates clockwise in the loop optical path 20. This is either an s-polarized correlated photon pair generated based on the pumping light or a p-polarized correlated photon pair generated based on the pumping light propagating counterclockwise in the loop optical path 20. In other words, the state of the correlated photon pair output from the polarization entangled photon pair generator is such that the correlated photon pair propagating clockwise in the loop optical path 20 and the counterclockwise component are polarized orthogonally to the clockwise component. It becomes the state of superposition with the correlated photon pair. That is, a polarization quantum entangled photon pair is generated from the polarization quantum entangled photon pair generator.

偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力された励起光、シグナル光、アイドラー光は、その後バンドパス光フィルター105の第2入出力端105-2に入力されて、シグナル光、アイドラー光は第3入出力端105-3から出力される。また、励起光はその多くが(理想的には全てが)第1入出力端105-1から出力される。一部の残存光成分は第3入出力端105-3から出力される。   The pumping light, signal light, and idler light output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 are then input to the second input / output terminal 105-2 of the bandpass optical filter 105 to be signaled. Light and idler light are output from the third input / output terminal 105-3. Further, most of the excitation light (ideally all) is output from the first input / output terminal 105-1. A part of the remaining light component is output from the third input / output terminal 105-3.

バンドパス光フィルター105の第3入出力端105-3から出力される出力光は、ローパス光フィルター106を通過することで、波長λp/2のSHG光成分が除去される。 The output light output from the third input / output terminal 105-3 of the bandpass optical filter 105 passes through the lowpass optical filter 106, so that the SHG light component having the wavelength λ p / 2 is removed.

次に、WDMフィルター107によって、シグナル光波長成分(λs)、アイドラー光波長成分(λi)を別々の光路に切り分けて出力する。それぞれの光路に残存励起光波長成分(λp)が混入しないように、WDMフィルター107には十分な波長分離能力が必要となる。このようなWDMフィルターとしては、少なくとも、シグナル光波長成分、アイドラー光波長成分を透過波長成分として有する、いわゆるAWG型のWDMフィルター等を適宜利用することができる。また、ブラッグ反射波長がλpである回折格子型のフィルター、例えばファイバーブラッググレーティング等と組み合わせて励起光波長成分を十分除去できる構造とすることもできる。 Next, the signal light wavelength component (λ s ) and the idler light wavelength component (λ i) are separated into separate optical paths and output by the WDM filter 107. The WDM filter 107 needs to have sufficient wavelength separation capability so that the remaining excitation light wavelength component (λ p ) is not mixed in each optical path. As such a WDM filter, a so-called AWG type WDM filter having at least a signal light wavelength component and an idler wavelength wavelength component as a transmission wavelength component can be appropriately used. In addition, a structure capable of sufficiently removing the excitation light wavelength component can be obtained in combination with a diffraction grating type filter having a Bragg reflection wavelength of λ p , such as a fiber Bragg grating.

既に説明したように、WDMフィルター107を通過したシグナル光、アイドラー光が通過するいずれか一方の光路に1/2波長板を配置するが、この1/2波長板の光学軸の方向は図4(A)及び(B)に示すように配置されている。   As already explained, a half-wave plate is arranged in one of the optical paths through which the signal light and idler light that have passed through the WDM filter 107 pass. The direction of the optical axis of this half-wave plate is shown in FIG. They are arranged as shown in (A) and (B).

すなわち、図4(A)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸が、p偏波方向、s偏波方向のそれぞれと一致するように配置されている。または、図4(B)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸が、p偏波方向、s偏波方向のそれぞれと45度の角度を成すように配置されている。そして、これらの配置の一方(図4(A)に示す配置、あるいは図4(B)に示す配置のいずれか一方)を任意に選択できるように構成されている。   That is, as shown in FIG. 4A, the two optical axes of the half-wave plate 108 are arranged so as to coincide with the p-polarization direction and the s-polarization direction, respectively. Alternatively, as shown in FIG. 4B, the two optical axes of the half-wave plate 108 are arranged to form an angle of 45 degrees with each of the p-polarization direction and the s-polarization direction. One of these arrangements (one of the arrangement shown in FIG. 4A or the arrangement shown in FIG. 4B) can be arbitrarily selected.

WDMフィルター107及び1/2波長板108を通過したシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分は、光ファイバー通信網等の光伝送路を通過した後、それぞれ受信者A、受信者Bに送信される。受信者A、Bは同時計測等を実行することで、量子情報通信技術に基づく情報伝達等を実行する。   The signal light wavelength component and idler light wavelength component that have passed through the WDM filter 107 and the half-wave plate 108 are transmitted to the receiver A and the receiver B, respectively, after passing through an optical transmission line such as an optical fiber communication network. The receivers A and B execute information transmission based on the quantum information communication technology by performing simultaneous measurement and the like.

この発明の偏波量子もつれ光子対発生装置を好適に動作させるには、ループ光路20内やバンドパス光フィルター105、ローパス光フィルター106、WDMフィルター107及び、1/2波長板108を通過したシグナル光、アイドラー光の偏波保存が保証されていることが必要である。ゆえに、バンドパス光フィルター105、ローパス光フィルター106、WDMフィルター107及び、1/2波長板108としては、既に説明したように、空間光学系又は偏波面保存光ファイバーを利用した光モジュールを利用するのが望ましい。   In order to allow the polarization quantum entangled photon pair generating device of this invention to operate suitably, the signal that has passed through the loop optical path 20, the bandpass optical filter 105, the lowpass optical filter 106, the WDM filter 107, and the half-wave plate 108 It is necessary to guarantee polarization preservation of light and idler light. Therefore, as described above, as the band-pass optical filter 105, the low-pass optical filter 106, the WDM filter 107, and the half-wave plate 108, an optical module using a spatial optical system or a polarization-maintaining optical fiber is used. Is desirable.

次に、この発明の偏波量子もつれ光子対発生装置が如何にして4つのベル状態を実現できるのかについて説明する。   Next, how the polarization quantum entangled photon pair generating apparatus of the present invention can realize four bell states will be described.

まず、簡単のために、1/2波長板108がない場合について説明する。   First, for simplicity, the case where the half-wave plate 108 is not provided will be described.

この発明の偏波量子もつれ光子対発生装置においては、WDMフィルター107のシグナル光及びアイドラー光の2つの出力端において、同一偏波方向のシグナル光及びアイドラー光の光子対を発生させるために、その実現し得るベル状態は、式(5-a)又は(5-b)で与えられるいずれかである。   In the polarization quantum entangled photon pair generating device of the present invention, in order to generate a photon pair of signal light and idler light in the same polarization direction at the two output ends of the signal light and idler light of the WDM filter 107, The bell state that can be realized is either given by the formula (5-a) or (5-b).

このときの偏波量子もつれ光子対の一般的な状態は、次式(7)で与えられる。
α|H>s|H>i+ βe|V>s|V>i (7)
ただし、jは虚数単位であり、α、βは|α|2 +|β|2 = 1を満たす。
The general state of the polarization entangled photon pair at this time is given by the following equation (7).
α | H> s | H> i + βe | V> s | V> i (7)
However, j is an imaginary unit, and α and β satisfy | α | 2 + | β | 2 = 1.

|α|と|β|はそれぞれ横偏波(H)と縦偏波(V)の光子対が発生する確率を表している。最大もつれ状態は、|α|=|β|= 2-1/2で、かつφ=0またはπのときに実現される。以下、横偏波(H)をH偏波、縦偏波(V)をV偏波と書くこともある。 | Α | and | β | represent the probability of occurrence of a pair of photons of transverse polarization (H) and longitudinal polarization (V), respectively. The maximum entanglement state is realized when | α | = | β | = 2−1 / 2 and φ = 0 or π. Hereinafter, horizontal polarization (H) may be written as H polarization, and vertical polarization (V) as V polarization.

第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、空間光学系又は偏波面保存光ファイバーを利用した光モジュールを利用して形成されている。それゆえ、横偏波(H)と縦偏波(V)のそれぞれの偏波方向は、p偏波とs偏波のそれぞれの偏波方向のいずれかと合致している。   The first polarization entangled photon pair generating device is formed using an optical module using a spatial optical system or a polarization-maintaining optical fiber. Therefore, the respective polarization directions of the transverse polarization (H) and the longitudinal polarization (V) coincide with one of the polarization directions of the p polarization and the s polarization.

ここでは、p偏波と横偏波(H)、s偏波と縦偏波(V)の偏波方向がそれぞれ合致しているものとする。すなわち、ループ光路20の時計回りに伝播する励起光からは、V偏波の相関光子対|V>s|V>iが、ループ光路20の反時計回りに伝播する励起光からは、H偏波の相関光子対|H>s|H>iが、それぞれWDMフィルター107の異なる出力端から出力される。 Here, it is assumed that the polarization directions of p-polarization and transverse polarization (H) and s-polarization and longitudinal polarization (V) are matched. That is, from the pumping light propagating clockwise in the loop optical path 20, the V-polarized correlated photon pair | V> s | V> i is H-polarized from the pumping light propagating counterclockwise in the loop optical path 20. Wave correlated photon pairs | H> s | H> i are output from different output terminals of the WDM filter 107, respectively.

ここで、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へ45度偏波の励起光を入力させたとき、第2入出力端101-2及び第3入出力端101-3からそれぞれ出力されるp偏波成分とs偏波成分の強度が等しくなるように(強度比が1:1になるように)偏波分離合成器101が偏波調整され、かつ、ループ光路20における光損失が無視できるほど小さく調整されていれば、H偏波とV偏波の光子対の発生確率は等しく、|α|=|β|= 2-1/2が実現される。 Here, when the 45-degree polarized excitation light is input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101, the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 The polarization separation combiner 101 is adjusted in polarization so that the intensity of the p-polarization component and the s-polarization component output is equal (intensity ratio is 1: 1), and the loop optical path 20 If the optical loss is adjusted so as to be negligible, the generation probability of H-polarized and V-polarized photon pairs is equal, and | α | = | β | = 2−1 / 2 is realized.

φは縦偏波(V)の光子対と横偏波(H)の光子対との光位相差を表すパラメータである。最大もつれを実現するには、φ=0あるいはφ=πとなるように光の光路長を設定すればよい。そのためには、WDMフィルター107の2つの出力端(V偏波の相関光子対が出力される出力端とH偏波の相関光子対が出力される出力端)にいたるまでに、時計回り及び反時計回りにループ光路を伝播する励起光、シグナル光、アイドラー光が伝播する光路長が、波長以下の精度で調整されている必要がある。   φ is a parameter representing the optical phase difference between a photon pair of longitudinal polarization (V) and a photon pair of transverse polarization (H). In order to realize the maximum entanglement, the optical path length of the light may be set so that φ = 0 or φ = π. In order to do so, it reaches the two output ends of the WDM filter 107 (the output end from which the V-polarized correlated photon pair is output and the output end from which the H-polarized correlated photon pair is output). The optical path lengths through which the excitation light, signal light, and idler light propagating clockwise in the loop optical path need to be adjusted with an accuracy equal to or less than the wavelength.

これを実現するには、空間光学系の空間光路長や、装置を構成するのに使用される偏波面保存光ファイバーの長さを波長以下の精度で調整・制御する必要があり、現実にはこの調整・制御は非常に難しい。   In order to achieve this, it is necessary to adjust and control the spatial optical path length of the spatial optical system and the length of the polarization-preserving optical fiber used to construct the apparatus with sub-wavelength accuracy. Adjustment and control are very difficult.

そこで、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置においては、偏波面及び光位相調整部104あるいは109を使用することによって、励起光、シグナル光、アイドラー光に対する光路長を波長以下の精度で調整・制御することが可能とされている。以下、偏波面及び光位相調整部104を使用することとして上述の光路長の調整・制御について説明する。   Therefore, in the first polarization entangled photon pair generator, the optical path length for the excitation light, the signal light, and the idler light is adjusted with sub-wavelength accuracy by using the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 or 109.・ It can be controlled. Hereinafter, the above-described adjustment and control of the optical path length will be described using the polarization plane and optical phase adjustment unit 104.

V偏波の相関光子対|V>s|V>iが生成される場合(ループ光路20を時計回りに伝播する励起光によって生成される)、偏波面及び光位相調整部104による光位相変化は、偏波面及び光位相調整部104を第2ファラデー回転子280から入力されて通過するp偏波のシグナル光、アイドラー光に対する位相変化の和で考えればよい。このとき、シグナル光、アイドラー光は、複屈折媒体282をY軸方向の直線偏波として通過する。 When V-polarized correlated photon pair | V> s | V> i is generated (generated by pumping light propagating clockwise in loop optical path 20), optical phase change by polarization plane and optical phase adjustment unit 104 Can be considered as the sum of phase changes with respect to the p-polarized signal light and idler light that are input from the second Faraday rotator 280 and pass through the polarization plane and optical phase adjustment unit 104. At this time, the signal light and idler light pass through the birefringent medium 282 as linearly polarized waves in the Y-axis direction.

一方、H偏波の相関光子対|H>s|H>iが生成される場合(ループ光路20を反時計回りに伝播する励起光によって生成される)、偏波面及び光位相調整部104による光位相変化は、偏波面及び光位相調整部104を第1ファラデー回転子278から入力されて通過するp偏波の励起光に対する位相変化を2倍して考えればよい。このとき励起光は、複屈折媒体282をX軸方向の直線偏波として通過する。 On the other hand, when a correlated photon pair of H polarization | H> s | H> i is generated (generated by excitation light propagating counterclockwise in the loop optical path 20), the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 The optical phase change may be considered by doubling the phase change for the p-polarized pumping light that is input from the first Faraday rotator 278 and passes through the polarization plane and optical phase adjustment unit 104. At this time, the excitation light passes through the birefringent medium 282 as a linearly polarized wave in the X-axis direction.

したがって、偏波面及び光位相調整部104の効果を含んだφは一般的に次式(8)で与えられるものと考えればよい。
φ=φ0+2[(2πnXp)L]−[(2πnYs)L]−[(2πnYi)L]
=φ0+2[(2πΔn/λp)L] (8)
ここで、nX、nYはそれぞれ複屈折媒体282のX軸方向Y軸方向の直線偏波に対する屈折率、Lは複屈折媒体282の厚さであり、φ0は偏波面及び光位相調整部104以外の光路で生じる縦偏波の光子対と横偏波の光子対との光位相差の総量である。これは、偏波分離合成器101、偏波面及び光位相調整部104などの光部品やそれらを接続する空間光学系あるいは偏波面保存光ファイバーの複屈折や光路長差によって生じる光位相差の総量である。
Therefore, it can be considered that φ including the effect of the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 is generally given by the following equation (8).
φ = φ 0 +2 [(2πn X / λ p ) L] − [(2πn Y / λ s ) L] − [(2πn Y / λ i ) L]
= Φ 0 +2 [(2πΔn / λ p ) L] (8)
Here, n X and n Y are the refractive indices of the birefringent medium 282 with respect to linear polarization in the X-axis direction and the Y-axis direction, L is the thickness of the birefringent medium 282, φ 0 is the polarization plane and optical phase adjustment This is the total amount of optical phase difference between the longitudinally polarized photon pair and the transversely polarized photon pair generated in the optical path other than the unit 104. This is the total amount of optical phase difference caused by the birefringence and optical path length difference of the optical components such as the polarization beam splitter / combiner 101, the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104, the spatial optical system connecting them, or the polarization plane maintaining optical fiber. is there.

式(8)の2[(2πnXp)L]は、偏波面及び光位相調整部104を通過するp偏波の励起光に対する光位相変化の2倍を与え、[(2πnYs)L]及び[(2πnYi)L]がそれぞれ偏波面及び光位相調整部104を通過するp偏波のシグナル光、アイドラー光に対する光位相変化を与える。式(8)におけるΔn≡nX−nYは複屈折媒体282のリタデーションであり、バビネソレイユ補償板を用いた場合は重ね合わせられた2枚の結晶の厚さの差に相当する。 2 [(2πn X / λ p ) L] in Equation (8) gives twice the optical phase change for the p-polarized pump light passing through the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104, and [(2πn Y / λ s ) L] and [(2πn Y / λ i ) L] give the optical phase change for the p-polarized signal light and idler light passing through the polarization plane and the optical phase adjusting unit 104, respectively. In equation (8), Δn≡n X −n Y is the retardation of the birefringent medium 282, and corresponds to the difference in the thickness of the two stacked crystals when a Babinet Soleil compensator is used.

式(8)で与えられるφを0となるようにLを設定すれば、式(5-a)で与えられるベル状態が実現でき、φ=πとなるようにLを設定すれば式(5-b)で与えられるベル状態が実現できる。複屈折媒体282としては、位相変化量[(2πΔn/λp)L]として0〜πの何れの値も連続的に実現できる可変式バビネソレイユ補償板を利用すれば、任意に与えられたφ0に対して、φ=0、φ=πの何れも実現することが可能である。すなわち、空間光学系の空間光路長や、装置を構成するために使用されている偏波面保存光ファイバーのファイバー長を高精度に調整・制御する必要がなく、式(5-a)及び式(5-b)で与えられるいずれのベル状態も実現することが可能である。 If L is set so that φ given by formula (8) becomes 0, the bell state given by formula (5-a) can be realized, and if L is set so that φ = π, formula (5 The bell state given by -b) can be realized. As the birefringent medium 282, if a variable Babinet Soleil compensator capable of continuously realizing any value of 0 to π as the phase change amount [(2πΔn / λ p ) L] is arbitrarily given φ For 0 , both φ = 0 and φ = π can be realized. In other words, it is not necessary to adjust and control the spatial optical path length of the spatial optical system and the fiber length of the polarization-maintaining optical fiber used to configure the device with high accuracy, and the equations (5-a) and (5 Any bell state given by -b) can be realized.

次に、WDMフィルター107の後段に配置される1/2波長板108の機能について説明する。いま、WDMフィルター107から出力されたシグナル光と、1/2波長板108から出力されたアイドラー光との偏波関係と位相関係を考える。因みに図1では1/2波長板108が、アイドラー光が通過する光路中に配置されているが、シグナル光が通過する光路中に配置してもよい。   Next, the function of the half-wave plate 108 arranged at the subsequent stage of the WDM filter 107 will be described. Now consider the polarization relationship and phase relationship between the signal light output from the WDM filter 107 and the idler light output from the half-wave plate 108. In FIG. 1, the half-wave plate 108 is disposed in the optical path through which idler light passes, but may be disposed in the optical path through which signal light passes.

図4(A)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸がp偏波方向(H偏波方向)、s偏波方向(V偏波方向)のそれぞれと一致する場合、アイドラー光の偏波状態はなんら変化しない。ゆえに、WDMフィルター107のシグナル光出力端と1/2波長板108のアイドラー光出力端に至るまでに時計回り及び反時計回りの励起光、シグナル光、アイドラー光が通過する光路の光路長差に相当する光位相差(φ0)を相殺し、かつ、0又はπの光位相差を加えた光位相差を偏波面及び光位相調整部104に与えてやれば、式(5-a)で与えられるベル状態及び式(5-b)で与えられるベル状態を実現することができる。   As shown in FIG. 4A, when the two optical axes of the half-wave plate 108 coincide with the p polarization direction (H polarization direction) and the s polarization direction (V polarization direction), The polarization state of idler light does not change at all. Therefore, the optical path length difference between the optical path through which the clockwise, counterclockwise excitation light, signal light, and idler light pass from the signal light output end of the WDM filter 107 to the idler light output end of the half-wave plate 108. If the corresponding optical phase difference (φ0) is canceled and an optical phase difference obtained by adding an optical phase difference of 0 or π is given to the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104, it is given by equation (5-a) And the bell state given by equation (5-b) can be realized.

一方、図4(B)に示すように、1/2波長板108の2つの光学軸がp偏波方向(H偏波方向)、s偏波方向(V偏波方向)のそれぞれと45度の角度を成すように配置すると、アイドラー光の偏波面は90度回転することとなる。すなわち、WDMフィルター107から出力されたシグナル光と1/2波長板108から出力されたアイドラー光の状態は、それぞれ偏波直交した偏波状態|H>s|V>i及び|V>s|H>iの重ね合わせで与えられる偏波もつれ状態となる。このとき、WDMフィルター107のシグナル光出力端と1/2波長板108のアイドラー光出力端に至るまでに時計回り及び反時計回りの励起光、シグナル光、アイドラー光が伝播する光路の光路長差に相当する光位相差(φ0)を相殺し、かつ、0又はπの光位相差を加えた光位相差を偏波面及び光位相調整部104によって与えてやれば、式(5-c)で与えられるベル状態及び式(5-d)で与えられるベル状態を実現することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, the two optical axes of the half-wave plate 108 are 45 degrees each in the p polarization direction (H polarization direction) and the s polarization direction (V polarization direction). If they are arranged so as to form the angle, the plane of polarization of idler light is rotated by 90 degrees. That is, the states of the signal light output from the WDM filter 107 and the idler light output from the half-wave plate 108 are polarization states | H> s | V> i and | V> s | The polarization entangled state is given by the superposition of H> i . At this time, the optical path length difference between the optical path through which the clockwise, counterclockwise excitation light, signal light, and idler light propagates from the signal light output end of the WDM filter 107 to the idler light output end of the half-wave plate 108. If the optical phase difference (φ0) corresponding to is canceled and the optical phase difference obtained by adding the optical phase difference of 0 or π is given by the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104, the equation (5-c) The bell state given and the bell state given by equation (5-d) can be realized.

すなわち、光学軸の方法を任意に回転させることができる(少なくとも図4(A)及び(B)に示す2つの状態を取れる)1/2波長板108を用い、また偏波面及び光位相調整部104によって適宜光位相補償を行えば、4つのベル状態(式(5-a)〜(5-d)で与えられるベル状態)のいずれも実現可能な偏波量子もつれ光子対発生措置が実現できる。   In other words, the optical axis method can be arbitrarily rotated (at least the two states shown in FIGS. 4A and 4B can be used), and the half-wave plate 108 is used, and the polarization plane and the optical phase adjustment unit If optical phase compensation is performed appropriately by 104, a polarization quantum entangled photon pair generation measure that can realize any of the four bell states (bell states given by equations (5-a) to (5-d)) can be realized. .

第1の偏波量子もつれ光子対発生装置は、励起光や偏波量子もつれ光子対の入出力部分を構成する形態の相違に基づく変形例がある。以下でこの変形例を2つ、第1変形例及び第2変形例として説明する。   The first polarization entangled photon pair generating device has a modification based on the difference in the configuration of the input / output portions of the excitation light and the polarization entangled photon pair. Hereinafter, two modified examples will be described as a first modified example and a second modified example.

≪第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第1変形例≫
図5を参照して、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第1変形例を説明する。図5に示す第1変形例では、光分岐入出力部を図1に示した第1の偏波量子もつれ光子対発生装置とその構成が少し異なるので、光分岐入出力部12としてある。
≪First modification of first polarization entangled photon pair generator≫
With reference to FIG. 5, a first modification of the first polarization entangled photon pair generation device will be described. In the first modification shown in FIG. 5, the optical branching input / output unit is the optical branching input / output unit 12 because its configuration is slightly different from that of the first polarization entangled photon pair generating device shown in FIG.

第1変形例は、図1に示した偏波量子もつれ光子対発生装置のバンドパス光フィルター105とWDMフィルター107の持つ役割を、1台のWDMフィルター107を用いて実現する構成例である。ここでは、WDMフィルター107として、AWG型のWDMフィルターを用いる。AWG型フィルターとして、シグナル光波長(λs)、アイドラー光波長(λi)、及び励起光波長(λp)の3波長を透過波長成分として有するAWG型フィルターを用いる。 The first modification is a configuration example in which the roles of the bandpass optical filter 105 and the WDM filter 107 of the polarization entangled photon pair generating device shown in FIG. Here, an AWG type WDM filter is used as the WDM filter 107. As the AWG type filter, an AWG type filter having three wavelengths of a signal light wavelength (λ s ), an idler light wavelength (λ i ), and an excitation light wavelength (λ p ) as transmission wavelength components is used.

AWG型フィルターは、その透過波長に相当する波長の光を入力する、複数の透過光入出力ポートと、それぞれの透過光入出力ポートに入力された光を合波出力する共通入出力ポートを有する。逆に、共通入出力ポートに入力された光は、それぞれの波長に応じて分波され、それぞれの透過光波長に相当する透過光入出力ポートから分波して出力される。   The AWG type filter has a plurality of transmitted light input / output ports for inputting light having a wavelength corresponding to the transmitted wavelength, and a common input / output port for combining and outputting the light input to each transmitted light input / output port. . Conversely, the light input to the common input / output port is demultiplexed according to the respective wavelengths, and is demultiplexed from the transmitted light input / output ports corresponding to the respective transmitted light wavelengths.

AWG型フィルターの上述の特性を利用して以下のような構成をとる。すなわち、励起光波長に相当する透過光入出力ポートへ励起光を入力し、共通入出力ポートからの出力光を偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へと入力し、図1に示した装置と同様に、非線形光学媒質102へと双方向に入力する。   Using the above-mentioned characteristics of the AWG filter, the following configuration is adopted. That is, the pump light is input to the transmitted light input / output port corresponding to the pump light wavelength, and the output light from the common input / output port is input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101. Similar to the apparatus shown in FIG. 1, bidirectional input is made to the nonlinear optical medium 102.

偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力される、ループ光路20からの出力光は、AWG型フィルターの共通入出力ポートへと入力され、シグナル光、アイドラー光がそれぞれ対応する透過光入出力ポートへと入力され、この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、SHG光波長成分を除去するために、必要であればWDMフィルター107の共通入出力ポートと偏波分離合成器101の第1入出力端101-1との間にローパス光フィルター106を接続して、SHG光波長成分を除去する。   The output light from the loop optical path 20 output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 is input to the common input / output port of the AWG type filter, and the signal light and idler light respectively correspond To the transmitted light input / output port, and the excitation light wavelength component is removed at this stage. Furthermore, in order to remove the SHG optical wavelength component, a low-pass optical filter 106 is connected between the common input / output port of the WDM filter 107 and the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101, if necessary. Then, the SHG light wavelength component is removed.

≪第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第2変形例≫
図6を参照して、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の第2変形例を説明する。図6に示す第2変形例では、光分岐入出力部を図1に示した第1の偏波量子もつれ光子対発生装置とその構成が少し異なるので、光分岐入出力部14としてある。
≪Second modification of first polarization entangled photon pair generator≫
With reference to FIG. 6, a second modification of the first polarization entangled photon pair generating device will be described. In the second modification shown in FIG. 6, the optical branching input / output unit is the optical branching input / output unit 14 because its configuration is slightly different from that of the first polarization quantum entangled photon pair generating device shown in FIG.

第2変形例は、バンドパス光フィルター105を使用する代わりに、光サーキュレーター110を使用する。光サーキュレーター110の第1入出力端110-1から入力された励起光は、第2入出力端110-2から出力され、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1へ入力され、図1に示した装置と同様にして、非線形光学媒質102へと双方向に入力される。また偏波分離合成器101の第1入出力端101-1から出力されるループ光路20からの出力光は、光サーキュレーター110の第2入出力端110-2へと入力され、第3入出力端110-3から出力される。その後、図1に示した装置と同様に、ローパス光フィルター106とWDMフィルター107とを用いて、SHG光波長成分の除去と、シグナル光とアイドラー光の分離が実行される。   The second modification uses an optical circulator 110 instead of using the bandpass optical filter 105. The pumping light input from the first input / output terminal 110-1 of the optical circulator 110 is output from the second input / output terminal 110-2 and input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101. In the same way as in the apparatus shown in FIG. Also, the output light from the loop optical path 20 output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 is input to the second input / output terminal 110-2 of the optical circulator 110, and the third input / output terminal Output from the end 110-3. Thereafter, similarly to the apparatus shown in FIG. 1, the SHG light wavelength component is removed and the signal light and idler light are separated using the low-pass light filter 106 and the WDM filter 107.

≪第2の偏波量子もつれ光子対発生装置≫
<構成の説明>
図7を参照してこの発明の実施形態の第2の偏波量子もつれ光子対発生装置の基本構成について説明する。
≪Second polarization entangled photon pair generator≫
<Description of configuration>
A basic configuration of the second polarization entangled photon pair generation device of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

第2の偏波量子もつれ光子対発生装置は、上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の動作を基本とし、励起光と偏波量子もつれ光子対とを、偏波分離合成器のそれぞれ異なる入出力端を介して入出力するように構成されている。そのために、上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置で用いた90度偏波面回転部103、偏波面及び光位相調整部104の代わりに、ファラデー回転子と1/2波長板からなる光学部品ペア(非相反偏波面変換部)を2組と、複屈折媒体とを用いる。ここで、複屈折媒体は、上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置で用いた複屈折媒体282と同等の素子を利用する。又、偏波分離合成器として4つの入出力端を有する偏波分離合成器を利用する。   The second polarization quantum entangled photon pair generation device is based on the operation of the first polarization quantum entangled photon pair generation device described above. Input / output is configured via different input / output terminals. Therefore, instead of the 90-degree polarization plane rotation unit 103, the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104 used in the first polarization quantum entangled photon pair generation device described above, a Faraday rotator and a half-wave plate are used. Two pairs of optical components (non-reciprocal polarization plane conversion unit) and a birefringent medium are used. Here, as the birefringent medium, an element equivalent to the birefringent medium 282 used in the first polarization entangled photon pair generating device described above is used. In addition, a polarization beam splitter / combiner having four input / output terminals is used as the polarization beam splitter / combiner.

すなわち、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置は、ループ光路40と励起光を入力させる入力部と、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力する光分岐入出力部30とを備えて構成される。   That is, the second polarization quantum entangled photon pair generating device includes a loop optical path 40 and an input unit for inputting pumping light, and an optical branching input / output that outputs the signal light wavelength component and the idler light wavelength component in a spatially separated state. Part 30.

ループ光路40は、第1〜第4入出力端を備える偏波分離合成器201の第2入出力端201-2と第3入出力端201-3とを、第1非相反偏波面変換部211と非線形光学媒質102と第2非相反偏波面変換部212と複屈折媒体213とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成される。入力部は、偏波分離合成器201の第1入出力端201-1である。   The loop optical path 40 connects the second input / output end 201-2 and the third input / output end 201-3 of the polarization beam splitter / combiner 201 having the first to fourth input / output ends to the first nonreciprocal polarization plane conversion unit. 211, the nonlinear optical medium 102, the second nonreciprocal polarization plane conversion unit 212, and the birefringent medium 213 are connected to both ends of an optical fiber that is arranged and connected in series. The input unit is the first input / output terminal 201-1 of the polarization beam splitter / combiner 201.

偏波分離合成器201の第4入出力端201-4と光分岐入出力部30の入力端とが接続されており、第1非相反偏波面変換部211は、偏波面を45度回転する第1ファラデー回転子207と第2の1/2波長板208を備えており、第2非相反偏波面変換部212は、偏波面を45度回転する第2ファラデー回転子209と第3の1/2波長板210を備えている。   The fourth input / output end 201-4 of the polarization beam splitter / combiner 201 is connected to the input end of the optical branching input / output unit 30, and the first nonreciprocal polarization plane converting unit 211 rotates the polarization plane by 45 degrees. The first Faraday rotator 207 and the second half-wave plate 208 are provided, and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 includes a second Faraday rotator 209 that rotates the polarization plane by 45 degrees, and a third 1 A / 2 wavelength plate 210 is provided.

励起光が偏波分離合成器201の第1入出力端201-1から入力されてこの偏波分離合成器201を介して第1入出力端201-1からループ光路40に入力され、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分が、光分岐入出力部30の出力端から空間分離された状態で出力される構成とされている。   The excitation light is input from the first input / output terminal 201-1 of the polarization beam splitter / combiner 201, and is input to the loop optical path 40 from the first input / output terminal 201-1 via the polarization beam splitter / combiner 201. The wavelength component and the idler wavelength component are output in a state of being spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit 30.

また、光分岐入出力部30から空間分離されて出力されるシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分のいずれか一方が通過する光路中に第1の1/2波長板214が配置されている。   The first half-wave plate 214 is disposed in the optical path through which either the signal light wavelength component or the idler light wavelength component that is spatially separated and output from the light branching input / output unit 30 passes.

第1ファラデー回転子207と第2の1/2波長板208のペアで第1非相反偏波面変換部211を構成する。同様に、第2ファラデー回転子209と第3の1/2波長板210のペアで第2非相反偏波面変換部212を構成する。   A pair of the first Faraday rotator 207 and the second half-wave plate 208 constitutes a first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211. Similarly, the second nonreciprocal polarization plane conversion unit 212 is configured by a pair of the second Faraday rotator 209 and the third half-wave plate 210.

第1ファラデー回転子207と第2ファラデー回転子209は、波長がλpの近傍である励起光、シグナル光、アイドラー光に対して偏波面を-45度(反時計回りに45度)回転させる。また、第2の1/2波長板208と第3の1/2波長板210は、波長がλpの近傍である励起光、シグナル光、アイドラー光に対して1/2波長板として機能する。 The first Faraday rotator 207 and the second Faraday rotator 209, the pumping light wavelength is in the vicinity of lambda p, the signal light and the polarization plane -45 degrees with respect to the idler light (45 degrees counterclockwise) rotating . Further, a second half-wave plate 208 third half-wave plate 210, the excitation light wavelength is near the lambda p, the signal light and functions as a half wavelength plate with respect to the idler light .

偏波分離合成器201は、4つの入出力端子201-1〜201-4を有する。第1入出力端201-1〜第3入出力端201-3の機能と役割は、上述した第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の偏波分離合成器101の3つの入出力端101-1〜101-3がもつ機能と役割と同一である。   The polarization beam splitter / combiner 201 has four input / output terminals 201-1 to 201-4. The functions and roles of the first input / output terminal 201-1 to the third input / output terminal 201-3 are the three input / output terminals 101 of the polarization beam splitter / combiner 101 of the first polarization entangled photon pair generator described above. -1 to 101-3 have the same functions and roles.

すなわち、第1入出力端201-1から入力されたp偏波成分は、第2入出力端201-2から出力され、第1入出力端201-1から入力されたs偏波成分は、第3入出力端201-3から出力される。また、第2入出力端201-2から入力されたp偏波成分は第1入出力端201-1から出力され、第3入出力端201-3から入力されたs偏波成分は第1入出力端201-1から出力される。さらに、偏波分離合成器201においては、第2入出力端201-2から入力されたp偏波成分は第4入出力端201-4から出力され、第3入出力端201-3から入力されたs偏波成分は第4入出力端201-4から出力される。   That is, the p polarization component input from the first input / output terminal 201-1 is output from the second input / output terminal 201-2, and the s polarization component input from the first input / output terminal 201-1 is Output from the third input / output terminal 201-3. The p-polarized component input from the second input / output terminal 201-2 is output from the first input / output terminal 201-1, and the s-polarized component input from the third input / output terminal 201-3 is the first Output from the input / output terminal 201-1. Further, in the polarization beam splitter / combiner 201, the p polarization component input from the second input / output terminal 201-2 is output from the fourth input / output terminal 201-4 and input from the third input / output terminal 201-3. The s-polarized component is output from the fourth input / output terminal 201-4.

このような機能を満たす偏波分離合成器201としては、例えば市販の偏光ビームスプリッタの中から適宜選んで利用することができる。   As the polarization beam splitter / combiner 201 satisfying such a function, for example, a commercially available polarization beam splitter can be appropriately selected and used.

第2の偏波量子もつれ光子対発生装置は、偏波分離合成器201の第1入出力端201-1から、45度偏波の励起光が入力される。この他、上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置で利用されている光学部品と同一機能を有する第2の偏波量子もつれ光子対発生装置で利用される光学部品についての重複する説明を省略する。   The second polarization quantum entangled photon pair generation device receives 45 degree polarized excitation light from the first input / output terminal 201-1 of the polarization beam splitter / combiner 201. In addition, overlapping description of optical components used in the second polarization entangled photon pair generator having the same function as the optical components used in the first polarization entangled photon pair generator described above Is omitted.

<動作の説明>
ここでは、式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態の偏波量子もつれ光子対を選択して発生させるために、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置がどのように動作するかについて詳細に説明する。
<Description of operation>
Here, in order to select and generate the bell-state polarization entangled photon pairs represented by the equations (5-a) to (5-d), the second polarization entangled photon pair generator is How it works will be described in detail.

上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と同様に、波長がλpであり45度偏光の励起光が偏波分離合成器201の第1入出力端201-1から入力され、同一強度のp偏波成分、s偏波成分に分離されて、それぞれ第2入出力端201-2、第3入出力端201-3から出力される。 Similar to the first polarization entangled photon pair generating device described above, the wavelength is λ p and the 45-degree polarized excitation light is input from the first input / output terminal 201-1 of the polarization beam splitter / combiner 201 and is the same The signals are separated into the p-polarized component and the s-polarized component of intensity and output from the second input / output terminal 201-2 and the third input / output terminal 201-3, respectively.

ここで、第1ファラデー回転子207、第2の1/2波長板208、第2ファラデー回転子209、及び第3の1/2波長板210の光学軸の向きと、第1非相反偏波面変換部211及び第2非相反偏波面変換部212の動作について図8及び図9を参照して説明する。図8は第1非相反偏波面変換部211の概略的構成を示し、この第1非相反偏波面変換部211を左右両方向に通過する光の偏波面の変化の様子の説明に供する図である。また、図9は第2非相反偏波面変換部212の概略的構成を示し、この第2非相反偏波面変換部212を左右両方向に通過する光の偏波面の変化の様子の説明に供する図である。   Here, the directions of the optical axes of the first Faraday rotator 207, the second half-wave plate 208, the second Faraday rotator 209, and the third half-wave plate 210, and the first nonreciprocal polarization plane Operations of the conversion unit 211 and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of the first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211, and is a diagram for explaining a change in the polarization plane of light passing through the first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211 in both the left and right directions. . FIG. 9 shows a schematic configuration of the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212, and is a diagram for explaining a change in the polarization plane of light passing through the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 in both the left and right directions. It is.

図8に示すように、第1非相反偏波面変換部211において、第1ファラデー回転子207側あるいは第2の1/2波長板208側から、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力される。この特定の偏波方向とは偏波分離合成器201におけるp偏波方向か、s偏波方向のどちらか一方に一致する。そして第2の1/2波長板208の光学軸は、特定の偏波方向(図8ではs偏波方向として図示されている)と22.5度の角度を成すように調整されている。図9に示すように、第2非相反偏波面変換部212における第3の1/2波長板210においても同様に、22.5度の角度を成すように調整されている。   As shown in FIG. 8, in the first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211, excitation of linear polarization in a specific polarization direction from the first Faraday rotator 207 side or the second half-wave plate 208 side Light is input. This specific polarization direction coincides with either the p polarization direction or the s polarization direction in the polarization beam splitter / combiner 201. The optical axis of the second half-wave plate 208 is adjusted to form an angle of 22.5 degrees with a specific polarization direction (shown as the s polarization direction in FIG. 8). As shown in FIG. 9, the third half-wave plate 210 in the second non-reciprocal polarization plane converter 212 is similarly adjusted to form an angle of 22.5 degrees.

偏波分離合成器201の第3入出力端201-3からループ光路40に入力されこのループ光路40を反時計回りに伝播するs偏波の励起光は、第1ファラデー回転子207と第2の1/2波長板208からなる第1非相反偏波面変換部211を通過する。このときの偏波の状態の変化について図8を参照して説明する。   The s-polarized excitation light that is input to the loop optical path 40 from the third input / output terminal 201-3 of the polarization beam splitter / combiner 201 and propagates counterclockwise through the loop optical path 40 is connected to the first Faraday rotator 207 and the second Faraday rotator 207. The first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211 made up of the half-wave plate 208 is passed through. A change in the polarization state at this time will be described with reference to FIG.

図8において、偏波分離合成器201の第3入出力端201-3から出力された反時計回りに伝播するs偏波の励起光を図中上向きの矢印で示してある。この光が第1ファラデー回転子207を通過する。第1ファラデー回転子207において、図中反時計回りに45度の偏波回転が生じるとすると、第1ファラデー回転子207の出力光の偏波方向は、左斜め上45度向きの矢印で表される。次に、この光が第2の1/2波長板208を通過する。このとき偏波方向は、第2の1/2波長板208の光学軸と22.5度の角度を成すため、第2の1/2波長板208から出力される励起光の偏波方向は、右向き矢印の方向で表すことができる。   In FIG. 8, the s-polarized pumping light propagating counterclockwise output from the third input / output terminal 201-3 of the polarization beam splitter / combiner 201 is indicated by an upward arrow in the figure. This light passes through the first Faraday rotator 207. In the first Faraday rotator 207, assuming that 45 degrees of polarization rotation occurs counterclockwise in the figure, the polarization direction of the output light of the first Faraday rotator 207 is represented by an arrow pointing to the upper left 45 degrees. Is done. Next, this light passes through the second half-wave plate 208. At this time, since the polarization direction forms an angle of 22.5 degrees with the optical axis of the second half-wave plate 208, the polarization direction of the excitation light output from the second half-wave plate 208 is rightward. It can be expressed in the direction of the arrow.

このことは、第2の1/2波長板208を通過して出力される励起光の偏光方向がp偏波方向となることを意味している。すなわち、第1非相反偏波面変換部211を第1ファラデー回転子207と第2の1/2波長板208の順序で通過した励起光は、偏波が90度回転される。この励起光は、非線形光学媒質102に入力され、励起光の偏波(p偏波)と同じ偏波のSHG光、シグナル光とアイドラー光との相関光子対が発生される。   This means that the polarization direction of the excitation light output through the second half-wave plate 208 is the p-polarization direction. That is, the polarization of the excitation light that has passed through the first nonreciprocal polarization plane converter 211 in the order of the first Faraday rotator 207 and the second half-wave plate 208 is rotated by 90 degrees. This excitation light is input to the nonlinear optical medium 102, and a correlated photon pair of SHG light, signal light and idler light having the same polarization as that of the excitation light (p polarization) is generated.

ループ光路40を反時計回りに伝播する励起光、SHG光、相関光子対は、次に第2非相反偏波面変換部212に入力される。このときの偏波状態の変化について図9を参照して説明する。   The excitation light, the SHG light, and the correlated photon pair propagating counterclockwise in the loop optical path 40 are then input to the second nonreciprocal polarization plane conversion unit 212. A change in the polarization state at this time will be described with reference to FIG.

図9に示すように、反時計回りに伝播するp偏波である励起光、相関光子対は、第2ファラデー回転子209を通過した後、図中反時計回りに45度の偏波回転が生じて、右斜め上45度向きの矢印で表される偏波状態となる。次に、この光が第3の1/2波長板210を通過した結果、その偏波方向は上向き矢印、すなわちs偏波に変換される。   As shown in FIG. 9, the excitation light, which is p-polarized light propagating counterclockwise, and the correlated photon pair pass through the second Faraday rotator 209, and then rotate 45 degrees counterclockwise in the figure. This results in a polarization state represented by an arrow pointing 45 degrees diagonally upward to the right. Next, as a result of this light passing through the third half-wave plate 210, the polarization direction is converted into an upward arrow, that is, s-polarized light.

その後、ループ光路40を反時計回りに伝播した励起光と相関光子対は、偏波分離合成器201の第2入出力端201-2に入力され、偏波状態がs偏波であることから、第4入出力端201-4から出力される。すなわち、最初の励起光が入力された入出力端とは異なる入出力端から、励起光及び相関光子対が出力される。   After that, the excitation light and the correlated photon pair propagated counterclockwise in the loop optical path 40 are input to the second input / output terminal 201-2 of the polarization beam splitter / combiner 201, and the polarization state is s polarization. And output from the fourth input / output terminal 201-4. That is, the excitation light and the correlated photon pair are output from an input / output terminal different from the input / output terminal to which the first excitation light is input.

次に、偏波分離合成器201の第2入出力端201-2から出力された、ループ光路40を時計回りに伝播するp偏波の励起光とこの励起光によって生じるループ光路40を時計回りに伝播する相関光子対について説明する。   Next, the p-polarized pump light propagating clockwise through the loop optical path 40 and the loop optical path 40 generated by the pump light output from the second input / output terminal 201-2 of the polarization beam splitter / combiner 201 are rotated clockwise. The correlation photon pair propagating to the above will be described.

励起光は、第2非相反偏波面変換部212を通過する。このときの偏波の状態について図9を参照して説明する。図9に示すように、反時計回りに伝播するp偏波で入力された励起光は、第3の1/2波長板210を通過することで、図中左斜め上45度向きの矢印で表す偏波状態に変換される。次に、励起光は第2ファラデー回転子209を通過し、図中反時計回りに45度の偏波回転が生じる。その結果図中左向きの矢印の偏波、すなわちp偏波となって第2非相反偏波面変換部212から出力される。   The excitation light passes through the second nonreciprocal polarization plane converter 212. The state of polarization at this time will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the excitation light input with p-polarized light propagating counterclockwise passes through the third half-wave plate 210, and is shown by an arrow pointing 45 degrees diagonally to the upper left in the figure. It is converted to the state of polarization to represent. Next, the excitation light passes through the second Faraday rotator 209, and the polarization rotation of 45 degrees occurs counterclockwise in the figure. As a result, it is output from the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 as a polarized wave indicated by a left arrow in the drawing, that is, a p-polarized wave.

この励起光は、p偏波として非線形光学媒質102に入力され、励起光の偏波(p偏波)と同じ偏波のSHG光、SPDC相関光子対を発生させる。ループ光路40を時計回りに伝播するSHG光、SPDC相関光子対は、次に第1非相反偏波面変換部211に入力される。このときの偏波状態の変化について図8を参照して説明する。   This excitation light is input as p-polarized light to the nonlinear optical medium 102, and generates SHG light and SPDC correlated photon pairs having the same polarization as the polarization of the excitation light (p-polarization). The SHG light and SPDC correlation photon pair propagating clockwise in the loop optical path 40 is then input to the first nonreciprocal polarization plane converter 211. A change in the polarization state at this time will be described with reference to FIG.

図8に示すように、反時計回りに伝播するp偏波である励起光及びSPDC相関光子対は、まず第2の1/2波長板08を通過した結果、左斜め上45度向きの矢印で表される偏波に変換される。次に、第1ファラデー回転子207を通過した後、図中反時計回りに45度の偏波回転が生じて、図中左向きの矢印で表されるp偏波に変換される。   As shown in FIG. 8, the excitation light and the SPDC correlation photon pair, which are p-polarized waves propagating counterclockwise, first pass through the second half-wave plate 08, and as a result, an arrow pointing to the upper left 45 degrees It is converted into the polarization expressed by Next, after passing through the first Faraday rotator 207, a 45-degree polarization rotation occurs in the counterclockwise direction in the figure, and is converted into a p-polarized wave represented by a left-pointing arrow in the figure.

その後、ループ光路40を時計回りに伝播してきた励起光と相関光子対は、偏波分離合成器201の第3入出力端201-3に入力され、偏波状態がp偏波であることから、第4入出力端201-4から出力される。すなわち、最初の励起光が入力された入出力端とは異なる入出力端から、励起光及び相関光子対が出力される。そして出力されるこれらの励起光及び相関光子対は、ループ光路40を反時計回りに伝播してきた励起光及び相関光子対が出力される入出力端と同一であり、かつ、ループ光路40を反時計回りに伝播してきた励起光及び相関光子対とは偏波直交の関係となっている。すなわち、偏波分離合成器201の第4入出力端201-4から、偏波量子もつれ光子対が出力される。   After that, the excitation light and the correlated photon pair propagating clockwise in the loop optical path 40 are input to the third input / output terminal 201-3 of the polarization beam splitter / combiner 201, and the polarization state is p polarization. And output from the fourth input / output terminal 201-4. That is, the excitation light and the correlated photon pair are output from an input / output terminal different from the input / output terminal to which the first excitation light is input. The pumping light and correlated photon pairs that are output are the same as the input / output ends from which the pumping light and correlated photon pairs that have propagated counterclockwise in the loop optical path 40 are output, and the loop optical path 40 is counteracted. The excitation light and the correlated photon pair propagating clockwise are in a relationship of orthogonal polarization. That is, the polarization quantum entangled photon pair is output from the fourth input / output terminal 201-4 of the polarization beam splitter / combiner 201.

偏波分離合成器201の第4入出力端201-4から出力された偏波量子もつれ光子対は、その後、ローパス光フィルター106及びWDMフィルター107で余分なSHG光波長成分及び励起光波長成分が除去されて、シグナル光波長成分とアイドラー光波長成分に空間分離された状態で出力される。   After that, the polarization entangled photon pair output from the fourth input / output terminal 201-4 of the polarization beam splitter / combiner 201 has an extra SHG wavelength component and pump wavelength component in the low-pass optical filter 106 and the WDM filter 107. After being removed, the signal light wavelength component and idler light wavelength component are output in a spatially separated state.

一方、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置で最大もつれ状態の偏波量子もつれ光子対を得るためには、φを0またはπに設定するための光位相補償装置をこの偏波量子もつれ光子対発生装置のいずれかの場所に挿入しなければならない。   On the other hand, in order to obtain the maximum entangled polarization entangled photon pair in the second polarization entangled photon pair generator, the optical phase compensator for setting φ to 0 or π is provided with this polarization entangled photon pair. It must be inserted somewhere on the photon pair generator.

第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の偏波面及び光位相調整部104の動作として説明したように、偏波面及び光位相調整部104による光位相補償は上述の式(8)で与えられる。ループ光路を互いに逆行する励起光と相関光子対(シグナル光とアイドラー光)において、これらの偏波同士が直交する箇所に複屈折媒体を配置すれば、この複屈折媒体の複屈折に相当する量[(2πΔn/λp)L]だけの光位相補償ができる。 As described as the operation of the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 of the first polarization quantum entangled photon pair generator, the optical phase compensation by the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 is given by the above equation (8). . In the excitation light and correlated photon pair (signal light and idler light) that are mutually reverse in the loop optical path, if a birefringent medium is placed at a location where these polarizations are orthogonal to each other, an amount corresponding to the birefringence of the birefringent medium Optical phase compensation of [(2πΔn / λ p ) L] can be performed.

第2の偏波量子もつれ光子対発生装置において、ループ光路40を互いに逆行する励起光と相関光子対の偏波が直交する箇所は、偏波分離合成器201の第3入出力端201-3と第1非相反偏波面変換部211を結合する箇所(図7にaと示す箇所)、偏波分離合成器201の第2入出力端201-2と第2非相反偏波面変換部212を結合する箇所(図7にbと示す箇所)、第2非相反偏波面変換部212内の第2ファラデー回転子209と第3の1/2波長板210の間の箇所(図7にcと示す箇所)である。   In the second polarization quantum entangled photon pair generation device, the location where the excitation light traveling in the loop optical path 40 and the polarization of the correlated photon pair are orthogonal to each other is the third input / output terminal 201-3 of the polarization separation combiner 201 And the first non-reciprocal polarization plane conversion unit 211 (the location indicated by a in FIG. 7), the second input / output terminal 201-2 of the polarization beam splitter / combiner 201 and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 A location (b shown in FIG. 7) to be coupled, a location between the second Faraday rotator 209 and the third half-wave plate 210 in the second nonreciprocal polarization plane converter 212 (c and FIG. 7) (Location shown).

ゆえに、図7にa〜cと示すいずれかの箇所に、複屈折媒体213を配置すれば、φを0あるいはπに設定することが可能となり、最大もつれ状態を実現することが可能となる。   Therefore, if the birefringent medium 213 is disposed at any location indicated by a to c in FIG. 7, φ can be set to 0 or π, and the maximum entangled state can be realized.

なお、励起光と相関光子対との偏波方向を考慮すれば、図7でaあるいはbと示す位置に複屈折媒体213を配置する場合には、複屈折媒体213の光学軸の方向をp偏波方向、s偏波方向と一致するように配置すればよい。一方、図7でcと示す位置に複屈折媒体213を配置する場合には、複屈折媒体213の光学軸の方向をp偏波方向、s偏波方向と45度の角度をなす方向と一致するように配置すればよい。   In consideration of the polarization directions of the excitation light and the correlated photon pair, when the birefringent medium 213 is disposed at the position indicated by a or b in FIG. What is necessary is just to arrange | position so that it may correspond with a polarization direction and s polarization direction. On the other hand, when the birefringent medium 213 is disposed at the position indicated by c in FIG. 7, the direction of the optical axis of the birefringent medium 213 coincides with the direction of the p-polarization direction and the angle of 45 degrees with the s-polarization direction. What is necessary is just to arrange | position.

また、WDMフィルター107を通過するアイドラー光(またはシグナル光)の光路中に第1の1/2波長板214を配置することで、アイドラー光(またはシグナル光)の偏波を90度回転することができるので、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と同様に、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置によっても、式(5-a)〜式(5-d)で与えられるいずれのベル状態も実現することが可能となる。   Also, the polarization of idler light (or signal light) can be rotated 90 degrees by placing the first half-wave plate 214 in the optical path of idler light (or signal light) that passes through the WDM filter 107. Therefore, as with the first polarization entangled photon pair generator, the second polarization entangled photon pair generator can be any of the equations given by the equations (5-a) to (5-d). It is also possible to realize the bell state.

ただし、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と第2の偏波量子もつれ光子対発生装置とは、次のような相違がある。   However, the first polarization quantum entangled photon pair generation device and the second polarization quantum entangled photon pair generation device have the following differences.

第2の偏波量子もつれ光子対発生装置によれば、励起光が元の励起光入力端に逆行して戻っていくことがない。それゆえに反射戻り光等による装置の不安定動作の懸念が小さい。反射戻り光の懸念を解消するためには、光アイソレーター等の光部品が必要となるが、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置はこのようなことを考慮しなくともよい。光アイソレーター等を利用すれば、装置製造コストが増大する上、光アイソレーター等の光素子を挿入することで、この光素子における光損失が発生し装置の性能を低下させるが、第2の偏波量子もつれ光子対発生装置にはこのような問題が生じない。   According to the second polarization entangled photon pair generation device, the excitation light does not return to the original excitation light input end and return. Therefore, there is little concern about unstable operation of the apparatus due to reflected return light or the like. An optical component such as an optical isolator is required to eliminate the concern of the reflected return light. However, the second polarization entangled photon pair generation device does not have to consider this. If an optical isolator or the like is used, the device manufacturing cost increases, and inserting an optical element such as an optical isolator causes optical loss in the optical element and reduces the performance of the device. Such a problem does not occur in the entangled photon pair generator.

≪第3の偏波量子もつれ光子対発生装置≫
<構成の説明>
図10を参照してこの発明の実施形態の第3の偏波量子もつれ光子対発生装置の基本構成について説明する。
≪Third polarization entangled photon pair generator≫
<Description of configuration>
The basic configuration of the third polarization entangled photon pair generation device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

第3の偏波量子もつれ光子対発生装置は、上述の第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成と下記の点で異なる。すなわち、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成と異なり、ループ光路50内に90度偏波面回転部103と非線形光学媒質102とを含み、偏波面及び光位相調整部104を含まない。   The third polarization entangled photon pair generator differs from the configuration of the first polarization entangled photon pair generator in the following points. That is, unlike the configuration of the first polarization entangled photon pair generation device, the loop optical path 50 includes the 90-degree polarization plane rotation unit 103 and the nonlinear optical medium 102, and does not include the polarization plane and the optical phase adjustment unit 104. .

一方、45度偏光の励起光がループ光路50に入力されるまでのいずれかの光路に複屈折媒体216が挿入される。図10では、複屈折媒体216は、バンドパス光フィルター105の第1入出力端105-1(光分岐入出力部10の入力端)に接続されて配置されている。複屈折媒体216の挿入箇所は図10に示す例に留まらず、例えば、偏波分離合成器101の第1入出力端101-1とバンドパス光フィルター105の第2入出力端105-2とを結ぶ経路(光分岐入出力部10の出力端)に配置されていても良い。いずれにしろ、励起光が45度偏光の励起光となった後にループ光路50に入力されるまでに経過するいずれかの光路に配置する。   On the other hand, the birefringent medium 216 is inserted into any one of the optical paths until the 45-degree polarized excitation light is input to the loop optical path 50. In FIG. 10, the birefringent medium 216 is connected to the first input / output terminal 105-1 of the bandpass optical filter 105 (the input terminal of the optical branching input / output unit 10). The insertion location of the birefringent medium 216 is not limited to the example shown in FIG. 10, for example, the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitter / combiner 101 and the second input / output terminal 105-2 of the bandpass optical filter 105 May be disposed on the path connecting the two (output end of the optical branching input / output unit 10). In any case, it is arranged in any optical path that passes after the excitation light becomes 45-degree polarized excitation light and is input to the loop optical path 50.

また、複屈折媒体216の光学軸は図11のように配置されている。すなわち、45度偏波の励起光の偏波方向と45度の角度をなす方向に、その光学軸X、Yが配置されている。   Further, the optical axis of the birefringent medium 216 is arranged as shown in FIG. That is, the optical axes X and Y are arranged in a direction that forms an angle of 45 degrees with the polarization direction of the 45-degree polarized excitation light.

その他の構成は第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と同様なので、ここではその説明を割愛する。   Since other configurations are the same as those of the first polarization entangled photon pair generating device, the description thereof is omitted here.

<動作の説明>
ここでは、式(5-a)〜式(5-d)で表されるベル状態の偏波量子もつれ光子対を選択して発生させるために、第3の偏波量子もつれ光子対発生装置がどのように動作するかについて説明する。
<Description of operation>
Here, a third polarization entangled photon pair generator is used to select and generate the bell-state polarization entangled photon pairs represented by the equations (5-a) to (5-d). How it works will be described.

第3の偏波量子もつれ光子対発生装置においては、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と異なり、光子対は複屈折媒体216を経過しない。一方、H偏波の相関光子対を生成する励起光の光位相と、V偏波の相関光子対を生成する励起光の光位相は、複屈折媒体216で生じるリタデーションに応じて異なる。   In the third polarization quantum entangled photon pair generation device, unlike the first polarization quantum entangled photon pair generation device, the photon pair does not pass through the birefringent medium 216. On the other hand, the optical phase of the pumping light that generates the correlated photon pair of H polarization and the optical phase of the pumping light that generates the correlated photon pair of V polarization differ according to the retardation generated in the birefringent medium 216.

したがって、第3の偏波量子もつれ光子対発生装置においては、縦偏波(V)の光子対と横偏波(H)の光子対との光位相差φは次式(9)のように表される。
φ=φ0+2[(2πΔn/λp)L] (9)
ここで、Δn≡nX−nYであり、nX、nYはそれぞれ複屈折媒体216のX軸方向Y軸方向の直線偏波に対する屈折率、Lは複屈折媒体216の厚さである。φ0は複屈折媒体216以外の光路で生じる縦偏波の光子対と横偏波の光子対との光位相差の総量である。
Therefore, in the third polarization entangled photon pair generator, the optical phase difference φ between the longitudinally polarized (V) photon pair and the transversely polarized (H) photon pair is expressed by the following equation (9): expressed.
φ = φ 0 +2 [(2πΔn / λ p ) L] (9)
Here, Δn≡n X −n Y , where n X and n Y are the refractive indices of the birefringent medium 216 with respect to linear polarization in the X-axis direction and the Y-axis direction, and L is the thickness of the birefringent medium 216. . φ 0 is the total amount of optical phase difference between the longitudinally polarized photon pair and the transversely polarized photon pair generated in the optical path other than the birefringent medium 216.

ゆえに、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置の場合と同様に、複屈折媒体216として可変式バビネソレイユ補償板を用いて、式(9)で与えられるφを0となるようにLを設定すれば、式(5-a)で与えられるベル状態が実現でき、φ=πとなるようにLを設定すれば式(5-b)で与えられるベル状態が実現できる。また、1/2波長板108を回転することで、式(5-c)、(5-d)で与えられるベル状態も実現できる。   Therefore, as in the case of the first polarization entangled photon pair generator, using a variable Babinet Soleil compensator as the birefringent medium 216, L is set so that φ given by Equation (9) becomes 0. If set, the bell state given by equation (5-a) can be realized, and if L is set so that φ = π, the bell state given by equation (5-b) can be realized. Further, by rotating the half-wave plate 108, the bell state given by the equations (5-c) and (5-d) can also be realized.

ただし、第1の偏波量子もつれ光子対発生装置と第3の偏波量子もつれ光子対発生装置とは、次のような相違がある。   However, the first polarization quantum entangled photon pair generating device and the third polarization quantum entangled photon pair generating device have the following differences.

すなわち、第3の偏波量子もつれ光子対発生装置によれば、偏波量子もつれ光子対が経過する光路に複屈折媒体216は存在しない。また、偏波面及び光位相調整部104も使用しない。ゆえにこれらの光部品の挿入損失が存在しない。すなわち、より低損失に偏波量子もつれ光子対を発生することができる。   That is, according to the third polarization entangled photon pair generation device, the birefringent medium 216 does not exist in the optical path through which the polarization quantum entangled photon pair passes. Also, the plane of polarization and optical phase adjustment unit 104 are not used. Therefore, there is no insertion loss of these optical components. That is, the polarization quantum entangled photon pair can be generated with lower loss.

≪実施形態に関する変形例≫
上述した実施形態の第1、第2及び第3の偏波量子もつれ光子対発生装置では、非線形光学媒質としてPPLN結晶を用いたが、PPLN結晶以外の2次非線形光学媒質も利用することができる。また、非線形光学媒質として、光ファイバー等の3次非線形光学媒質を利用することもできる。さらに、非線形光学媒質としてバルク結晶、PPLN結晶に光導波路を作り込んだPPLN導波路素子等の導波路型素子、その他様々な形態の非線形光学媒質を用いることができる。
<< Variation of embodiment >>
In the first, second, and third polarization entangled photon pair generation devices of the above-described embodiments, the PPLN crystal is used as the nonlinear optical medium, but a second-order nonlinear optical medium other than the PPLN crystal can also be used. . In addition, a third-order nonlinear optical medium such as an optical fiber can be used as the nonlinear optical medium. Furthermore, a bulk crystal, a waveguide type element such as a PPLN waveguide element in which an optical waveguide is formed in a PPLN crystal, and various other forms of nonlinear optical media can be used as the nonlinear optical medium.

90度偏波面回転部103や偏波面及び光位相調整部104、109等を、ループ光路中で非線形光学媒質102に対してどのような位置に配置するかは設計事項に属する。すなわち、例えば、2次非線形光学媒質の非線形光学係数のテンソル成分であるd11成分を利用する場合には90度偏波面回転部103を偏波分離合成器101の第2入出力端101-2と非線形光学媒質102を接続する光路に配置することもあり得る。また、90度偏波面回転部103と偏波面及び光位相調整部104との配置の位置を入れ替えた構成とすることも可能である。すなわち、90度偏波面回転部103と偏波面及び光位相調整部104との配置の位置箇所は、非線形光学媒質の利用する光学軸の方向と、非線形光学媒質に入力される励起光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することが可能である。 It is a design matter that the 90-degree polarization plane rotating unit 103 and the polarization plane and optical phase adjusting units 104 and 109 are arranged with respect to the nonlinear optical medium 102 in the loop optical path. That is, for example, when using the d 11 component that is a tensor component of the nonlinear optical coefficient of the second-order nonlinear optical medium, the 90-degree polarization plane rotating unit 103 is connected to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitter / combiner 101. And the nonlinear optical medium 102 may be arranged in an optical path. Further, it is possible to adopt a configuration in which the positions of the arrangement of the 90-degree polarization plane rotation unit 103 and the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 are interchanged. That is, the position of the arrangement of the 90-degree polarization plane rotation unit 103 and the polarization plane and optical phase adjustment unit 104 is the direction of the optical axis used by the nonlinear optical medium and the polarization of the excitation light input to the nonlinear optical medium. It can be set flexibly as appropriate based on the direction.

10、12、14、30:光分岐入出力部
20、40、50:ループ光路
101、201:偏波分離合成器
102:非線形光学媒質
103:90度偏波面回転部
104、109:偏波面及び光位相調整部
105:バンドパス光フィルター
106:ローパス光フィルター
107:WDMフィルター
108:1/2波長板
110:光サーキュレーター
207、278:第1ファラデー回転子
208:第2の1/2波長板
209、280:第2ファラデー回転子
210:第3の1/2波長板
211:第1非相反偏波面変換部
212:第2非相反偏波面変換部
213、216、282:複屈折媒体
214:第1の1/2波長板
284:第3ファラデー回転子
10, 12, 14, 30: Optical branching input / output unit
20, 40, 50: Loop optical path
101, 201: Polarization demultiplexer
102: Nonlinear optical medium
103: 90 degree polarization plane rotation part
104, 109: Polarization plane and optical phase adjustment unit
105: Bandpass optical filter
106: Low-pass optical filter
107: WDM filter
108: 1/2 wave plate
110: Optical circulator
207, 278: First Faraday rotator
208: Second half-wave plate
209, 280: 2nd Faraday rotator
210: Third half-wave plate
211: First nonreciprocal polarization plane converter
212: Second nonreciprocal polarization plane converter
213, 216, 282: Birefringent medium
214: First half-wave plate
284: Third Faraday rotator

Claims (18)

ループ光路と光分岐入出力部とを備え、
前記ループ光路中に、非線形光学媒質と、該ループ光路に入力される励起光子に基づいて該非線形光学媒質中で発生し該ループ光路を伝播するシグナル光子及びアイドラー光子の、該ループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分との間の光位相差を調整する偏波面及び光位相調整部とが配置されており、
前記光分岐入出力部は、前記ループ光路に該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように前記励起光子を入力し、かつ該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播する前記シグナル光子及び前記アイドラー光子からなる相関光子対を、該シグナル光子波長成分と該アイドラー光子波長成分に空間分離された状態で出力し、
前記光分岐入出力部から空間分離されて出力される前記シグナル光子波長成分及び前記アイドラー光子波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に1/2波長板が配置されてい

ことを特徴とする偏波量子もつれ光子対発生装置。
It has a loop optical path and an optical branching input / output unit.
A non-linear optical medium in the loop optical path and a signal photon and an idler photon generated in the non-linear optical medium based on the excitation photon input to the loop optical path and propagating in the loop optical path are rotated clockwise in the loop optical path. A polarization plane and an optical phase adjustment unit for adjusting the optical phase difference between the light component and the counterclockwise light component are arranged,
The optical branching input / output unit inputs the excitation photons to the loop optical path so as to propagate the loop optical path clockwise and counterclockwise, and the signal propagates clockwise and counterclockwise on the loop optical path. A correlated photon pair consisting of a photon and the idler photon is output in a state of being spatially separated into the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component,
A half-wave plate is disposed in one of the optical paths from which the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component output from the optical branching input / output unit are separated and output. Polarization entangled photon pair generator.
前記ループ光路は、第1〜第3入出力端を備える偏波分離合成器の第2及び第3入出力端を、前記非線形光学媒質と前記偏波面及び光位相調整部とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成され、
前記光分岐入出力部の出力端は、前記偏波分離合成器の第1入出力端に接続され、前記励起光子が該光分岐入出力部の入力端から入力されて該光分岐入出力部を介して前記偏波分離合成器の第1入出力端から前記ループ光路に入力され、前記シグナル光子波長成分と前記アイドラー光子波長成分が、前記光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とされている
ことを特徴とする請求項1に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。
In the loop optical path, the second and third input / output ends of a polarization beam splitter / combiner having first to third input / output ends are arranged in series with the nonlinear optical medium, the polarization plane, and the optical phase adjustment unit. Connected to both ends of the optical fiber to be connected,
An output terminal of the optical branching input / output unit is connected to a first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner, and the excitation photon is input from an input terminal of the optical branching input / output unit. Is input to the loop optical path from the first input / output end of the polarization beam splitter / combiner, and the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component are spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit. 2. The polarization entangled photon pair generating device according to claim 1, wherein the device is configured to output in a state.
前記ループ光路の前記偏波面及び光位相調整部が配置されている位置と前記偏波分離合成器が配置されている位置との間の位置に、偏波面を90度回転させる90度偏波面回転部がさらに配置されており、
前記偏波面及び光位相調整部は、偏波面を+45度回転する第1ファラデー回転子と、偏波面を前記第1ファラデー回転子と同じ向きに+45度回転する第2ファラデー回転子と、前記第1ファラデー回転子と前記第2ファラデー回転子との間に直交した光学軸間での光位相差量が可変な複屈折媒体とを備えて構成されていることを特徴とする請求項2に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。
90 degree polarization plane rotation for rotating the polarization plane by 90 degrees between the position where the polarization plane and the optical phase adjustment unit of the loop optical path are located and the position where the polarization separation / combination combiner is located Part is further arranged,
The polarization plane and the optical phase adjustment unit, a first Faraday rotator that rotates the polarization plane +45 degrees, a second Faraday rotator that rotates the polarization plane +45 degrees in the same direction as the first Faraday rotator, 3. The birefringent medium having a variable optical phase difference between optical axes orthogonal to each other between the first Faraday rotator and the second Faraday rotator. Polarized quantum entangled photon pair generator described in 1.
前記偏波面及び光位相調整部は、偏波面を-45度回転する第3ファラデー回転子と、偏波面を前記第3ファラデー回転子と同じ向きに+45度回転する第4のファラデー回転子と、前記第3ファラデー回転子と前記第4のファラデー回転子との間に直交した光学軸間での光位相差量が可変な複屈折媒体とを備えて構成されていることを特徴とする請求項2に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The polarization plane and the optical phase adjustment unit include a third Faraday rotator that rotates the polarization plane by −45 degrees, and a fourth Faraday rotator that rotates the polarization plane by +45 degrees in the same direction as the third Faraday rotator. And a birefringent medium having a variable optical phase difference between optical axes orthogonal to each other between the third Faraday rotator and the fourth Faraday rotator. Item 3. The polarization entangled photon pair generation device according to item 2. 前記光分岐入出力部は、前記励起光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子の波長を反射波長帯域にもつバンドパス光フィルターと、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項3又は4に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit includes a bandpass optical filter having a wavelength of the excitation photon in a transmission wavelength band and a wavelength of the signal photon and the idler photon in a reflection wavelength band, a wavelength of the signal photon, and the idler photon. 4. A WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter that has a wavelength of a transmission wavelength band and spatially separates and outputs the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon. Or the polarization entangled photon pair generating device described in 4; 前記光分岐入出力部は、前記励起光子の波長、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記励起光子を入力し、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項3又は4に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit has the wavelength of the excitation photon, the wavelength of the signal photon, and the wavelength of the idler photon in a transmission wavelength band, inputs the excitation photon, and the wavelength component of the signal photon and the idler photon 5. The polarization entangled photon pair generating device according to claim 3, further comprising a WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter that spatially separates and outputs wavelength components. 前記光分岐入出力部は、前記励起光子を前記ループ光路に導き、該ループ光路から出力される前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を外部に取り出すための入出力端を有する光サーキュレーターと、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項3又は4に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit guides the excitation photon to the loop optical path, and an optical circulator having an input / output terminal for taking out the signal photon and the idler photon output from the loop optical path, and the signal photon And a wavelength division multiplexer / demultiplexer (WDM) filter that spatially separates and outputs the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon. 5. The polarization quantum entangled photon pair generating device according to claim 3 or 4, 前記光分岐入出力部は、前記励起光子に基づいて発生する光第2高調波成分を除去するローパス光フィルターをさらに備えていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   8. The optical branching input / output unit further includes a low-pass optical filter that removes an optical second harmonic component generated based on the excitation photons. Polarized quantum entangled photon pair generator. 第1非相反偏波面変換部と非線形光学媒質と第2非相反偏波面変換部と複屈折媒体とが直列に配置されたループ光路と、
励起光子を入力させる入力部と、
前記ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される前記励起光子に基づいて前記非線形光学媒質中で発生する該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するシグナル光子及びアイドラー光子からなる相関光子対を、シグナル光子波長成分とアイドラー光子波長成分に空間分離された状態で出力する光分岐入出力部と
を備え、
前記光分岐入出力部から空間分離されて出力される前記シグナル光子波長成分及びアイドラー光子波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に第1の1/2波長板が配置されている
ことを特徴とする偏波量子もつれ光子対発生装置。
A loop optical path in which a first nonreciprocal polarization plane conversion unit, a nonlinear optical medium, a second nonreciprocal polarization plane conversion unit, and a birefringence medium are arranged in series;
An input unit for inputting excitation photons;
Signal photons and idler photons that propagate clockwise and counterclockwise along the loop optical path generated in the nonlinear optical medium based on the excitation photons input so as to propagate clockwise and counterclockwise through the loop optical path An optical branching input / output unit that outputs a correlated photon pair consisting of a signal photon wavelength component and an idler photon wavelength component in a spatially separated state,
A first half-wave plate is disposed in one of the optical paths from which the signal photon wavelength component and idler photon wavelength component that are output after being spatially separated from the optical branching input / output unit are output. Characteristic polarization entangled photon pair generator.
前記ループ光路は、第1〜第4入出力端を備える偏波分離合成器の第2入出力端と第3入出力端とを、前記第1非相反偏波面変換部と前記非線形光学媒質と前記第2非相反偏波面変換部と前記複屈折媒体とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成され、
前記入力部は、第1〜第4入出力端を備える前記偏波分離合成器の第1入出力端であって、
前記偏波分離合成器の第4入出力端と前記光分岐入出力部の入力端とが接続されており、
前記第1非相反偏波面変換部は、偏波面を45度回転する第1ファラデー回転子と第2の1/2波長板を備えており、
前記第2非相反偏波面変換部は、偏波面を45度回転する第2ファラデー回転子と第3の1/2波長板を備えており、
励起光子が前記偏波分離合成器の第1入出力端から入力されて該偏波分離合成器を介して前記偏波分離合成器の第1入出力端から前記ループ光路に入力され、前記シグナル光子波長成分と前記アイドラー光子波長成分が、前記光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とされている
ことを特徴とする請求項9に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。
The loop optical path includes a second input / output end and a third input / output end of a polarization beam splitter / combiner including first to fourth input / output ends, the first nonreciprocal polarization plane converting unit, and the nonlinear optical medium. The second nonreciprocal polarization plane converter and the birefringent medium are arranged in series and connected with both ends of an optical fiber,
The input unit is a first input / output end of the polarization beam splitter / combiner including first to fourth input / output ends,
The fourth input / output end of the polarization beam splitter / combiner and the input end of the optical branching input / output unit are connected,
The first nonreciprocal polarization plane conversion unit includes a first Faraday rotator that rotates the polarization plane by 45 degrees and a second half-wave plate,
The second non-reciprocal polarization plane conversion unit includes a second Faraday rotator that rotates the polarization plane by 45 degrees and a third half-wave plate,
Excitation photons are input from the first input / output end of the polarization beam splitter / combiner and are input to the loop optical path from the first input / output port of the polarization beam splitter / combiner via the polarization beam splitter / combiner. 10. The polarization entanglement according to claim 9, wherein the photon wavelength component and the idler photon wavelength component are output in a state of being spatially separated from an output end of the optical branching input / output unit. Photon pair generator.
前記光分岐入出力部は、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項10に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit has a wavelength of the signal photon and the wavelength of the idler photon in a transmission wavelength band, and WDM (Wavelength Division) that spatially separates the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon. 11. The polarization entangled photon pair generation device according to claim 10, further comprising a Multiplexer / Demultiplexer) filter. 前記光分岐入出力部は、前記励起光子に基づいて発生する光第2高調波成分を除去するローパス光フィルターをさらに備えていることを特徴とする請求項11に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   12. The polarization entangled photon pair according to claim 11, wherein the optical branching input / output unit further includes a low-pass optical filter that removes an optical second harmonic component generated based on the excitation photons. Generator. ループ光路と光分岐入出力部とを備え、
前記ループ光路中に、非線形光学媒質と、該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように入力される励起光子のいずれか一方と、該励起光子に基づいて、前記非線形光学媒質中で発生し前記ループ光路を伝播するシグナル光子及びアイドラー光子のループ光路を時計回りする光成分と反時計回りする光成分のいずれか一方の偏波面を90度回転する90度偏波面回転部が配置されており、
前記光分岐入出力部を経過し前記ループ光路に励起光が入力される光路に複屈折媒体が配置されており、
前記光分岐入出力部は、前記ループ光路に該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播するように前記励起光子を入力し、かつ該ループ光路を時計回り及び反時計回りに伝播する前記シグナル光子及び前記アイドラー光子からなる相関光子対を、該シグナル光子波長成分と該アイドラー光子波長成分に空間分離された状態で出力し、
前記光分岐入出力部から空間分離されて出力される前記シグナル光子波長成分及び前記アイドラー光子波長成分が出力されるいずれか一方の光路中に1/2波長板が配置されている
ことを特徴とする偏波量子もつれ光子対発生装置。
A loop optical path and an optical branching input / output unit
In the nonlinear optical medium, based on the nonlinear optical medium, any one of the excitation photons input so as to propagate clockwise and counterclockwise in the loop optical path, and the excitation photon. A 90-degree polarization plane rotating unit that rotates the polarization plane of either one of the light component rotating clockwise and the counterclockwise light component of the signal photon and idler photon generated and propagating through the loop optical path by 90 degrees is disposed. And
A birefringent medium is disposed in an optical path through which the excitation light is input to the loop optical path through the optical branching input / output unit;
The optical branching input / output unit inputs the excitation photons to the loop optical path so as to propagate the loop optical path clockwise and counterclockwise, and the signal propagates clockwise and counterclockwise on the loop optical path. A correlated photon pair consisting of a photon and the idler photon is output in a state of being spatially separated into the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component,
A half-wave plate is disposed in one of the optical paths from which the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component output from the optical branching input / output unit are separated and output. Polarization entangled photon pair generator.
前記ループ光路は、第1〜第3入出力端を備える偏波分離合成器の第2及び第3入出力端を、前記非線形光学媒質と前記90度偏波面回転部とを直列に配置して接続する光ファイバーの両端と結んで構成され、
前記光分岐入出力部の入力端もしくは出力端に前記複屈折媒体が配置され、
前記光分岐入出力部の出力端は、前記偏波分離合成器の第1入出力端に接続され、前記励起光子が該光分岐入出力部の入力端から入力されて該光分岐入出力部を介して前記偏波分離合成器の第1入出力端から前記ループ光路に入力され、前記シグナル光子波長成分と前記アイドラー光子波長成分が、前記光分岐入出力部の出力端から空間分離された状態で出力される構成とされている
ことを特徴とする請求項13に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。
In the loop optical path, the second and third input / output ends of a polarization beam splitter / combiner including first to third input / output ends are arranged in series with the nonlinear optical medium and the 90-degree polarization plane rotation unit. Consists of connecting both ends of the optical fiber to be connected,
The birefringent medium is disposed at an input end or an output end of the optical branching input / output unit;
An output terminal of the optical branching input / output unit is connected to a first input / output terminal of the polarization beam splitter / combiner, and the excitation photon is input from an input terminal of the optical branching input / output unit. Is input to the loop optical path from the first input / output end of the polarization beam splitter / combiner, and the signal photon wavelength component and the idler photon wavelength component are spatially separated from the output end of the optical branching input / output unit. 14. The polarization quantum entangled photon pair generating device according to claim 13, wherein the device is configured to output in a state.
前記光分岐入出力部は、前記励起光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子の波長を反射波長帯域にもつバンドパス光フィルターと、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項14に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit includes a bandpass optical filter having a wavelength of the excitation photon in a transmission wavelength band and a wavelength of the signal photon and the idler photon in a reflection wavelength band, a wavelength of the signal photon, and the idler photon. 15. A WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter that spatially separates and outputs the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon in a transmission wavelength band. Polarized quantum entangled photon pair generator described in 1. 前記光分岐入出力部は、前記励起光子の波長、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記励起光子を入力し、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項14に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit has the wavelength of the excitation photon, the wavelength of the signal photon, and the wavelength of the idler photon in a transmission wavelength band, inputs the excitation photon, and the wavelength component of the signal photon and the idler photon 15. The polarization entangled photon pair generation device according to claim 14, further comprising a WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter that spatially separates and outputs wavelength components. 前記光分岐入出力部は、前記励起光子を前記ループ光路に導き、該ループ光路から出力される前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を外部に取り出すための入出力端を有する光サーキュレーターと、前記シグナル光子の波長及び前記アイドラー光子の波長を透過波長帯域にもち、前記シグナル光子の波長成分及び前記アイドラー光子の波長成分を空間分離して出力するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルターを備えていることを特徴とする請求項14に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   The optical branching input / output unit guides the excitation photon to the loop optical path, and an optical circulator having an input / output terminal for taking out the signal photon and the idler photon output from the loop optical path, and the signal photon And a wavelength division multiplexer / demultiplexer (WDM) filter that spatially separates and outputs the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon. 15. The polarization quantum entangled photon pair generation device according to claim 14, 前記光分岐入出力部は、前記励起光子に基づいて発生する光第2高調波成分を除去するローパス光フィルターをさらに備えていることを特徴とする請求項15〜17のいずれか一項に記載の偏波量子もつれ光子対発生装置。   18. The optical branching input / output unit further includes a low-pass optical filter that removes an optical second harmonic component generated based on the excitation photons. Polarized quantum entangled photon pair generator.
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