JP2014067061A - Quantum entangled photon pair generator - Google Patents

Quantum entangled photon pair generator Download PDF

Info

Publication number
JP2014067061A
JP2014067061A JP2013256274A JP2013256274A JP2014067061A JP 2014067061 A JP2014067061 A JP 2014067061A JP 2013256274 A JP2013256274 A JP 2013256274A JP 2013256274 A JP2013256274 A JP 2013256274A JP 2014067061 A JP2014067061 A JP 2014067061A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
polarization
input
loop
optical path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013256274A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shin Arataira
慎 荒平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
Priority to JP2013256274A priority Critical patent/JP2014067061A/en
Publication of JP2014067061A publication Critical patent/JP2014067061A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable generation of highly pure quantum entangled photon pairs without inducing unnecessary excessive loss and the like using common and simple optical components.SOLUTION: A quantum entangled photon pair generator includes a polarization preserving loop optical path which has both ends connected to a polarization splitting/combining module and has first and second non-linear optical media and a 1/2 wavelength plate for rotating a polarization plane by 90° located between the non-linear optical media. The first non-linear optical medium generates first SHG light from split excitation light propagating anti-clockwise, and generates correlated photon pairs through SPDC conversion of second SHG light propagating clockwise generated by the second non-linear optical medium. The second second-order non-linear optical medium performs a process symmetrical to this. Two correlated photon pairs propagating in opposite directions are combined by the polarization splitting/combining module, after which signal light and idler light are separated and extracted. The loop optical path includes polarization plane manipulation means which manipulates polarization planes of some light components to combine the light as mentioned above.

Description

本発明は量子もつれ光子対発生装置に関し、例えば、量子暗号、量子コンピュータなど、光子の量子力学的相関を利用した量子情報通信システムに適用し得るものである。   The present invention relates to a quantum entangled photon pair generating apparatus, and can be applied to a quantum information communication system using a quantum mechanical correlation of photons, such as a quantum cryptography and a quantum computer.

近年、量子暗号、量子コンピュータなど、量子力学レベルでの物理現象を利用した量子情報通信技術が注目を浴びている。中でも量子暗号は、暗号化鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムとして注目を浴びており、特に活発な研究開発がなされている。   In recent years, quantum information communication technologies using physical phenomena at the quantum mechanical level, such as quantum cryptography and quantum computers, have attracted attention. Among them, the quantum cryptography is attracting attention as an ultimate secure cryptographic communication system in which the security of the encryption key is guaranteed by the principle of quantum mechanics, and is particularly actively researched and developed.

量子力学的相関を有する光子対、すなわち、量子もつれ光子対は、光子の非局所性を応用した高度な量子情報通信システムを実現するための重要な要素である。   A photon pair having a quantum mechanical correlation, that is, a entangled photon pair is an important element for realizing an advanced quantum information communication system that applies the nonlocality of photons.

従来より用いられてきた量子もつれ光子対を発生する手法の一つは、2次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換を用いる方法である。   One of the methods for generating a pair of entangled photons that has been conventionally used is a method using natural parametric down-conversion in a second-order nonlinear optical medium.

特許文献1には、BBO(β−BaB)結晶を用いた量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、2つのBBO結晶を直列に配置し、その中心に1/2波長板を配置する。これに直線偏波で波長351.1nmの励起光(ポンプ光)を入力する。自然パラメトリック下方変換過程により、それぞれのBBO結晶から、励起光波長の2倍の波長(702.2nm)の相関光子対(シグナル光(信号光)、アイドラー光と呼ばれる)が出力される。励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が2つのBBO結晶の両方から同時に発生する確率は低く、どちらか一方から発生するとした場合、この装置から発生する相関光子対の状態は、一方のBBO結晶から発生される相関光子対の状態と、もう一方のBBO結晶から発生される相関光子対の状態との重ねあわせで与えられる。これら2つのBBO結晶から出力される相関光子対は、2つのBBO結晶の間に1/2波長板を配置し、励起光入力端に近い前段のBBO結晶から発生した相関光子対の偏波が装置出力端で90°だけ回転する構成となっているために、偏波直交している。結果、このシステムから、偏波量子もつれ光子対が発生される。 Patent Document 1 describes a entangled photon pair generator using a BBO (β-BaB 2 O 4 ) crystal. Here, two BBO crystals are arranged in series, and a half-wave plate is arranged at the center. Pump light (pump light) having a linear polarization and a wavelength of 351.1 nm is input thereto. Through the natural parametric down-conversion process, a correlated photon pair (referred to as signal light (signal light) and idler light) having a wavelength twice the excitation light wavelength (702.2 nm) is output from each BBO crystal. When the excitation light intensity is sufficiently weak and the probability that these correlated photon pairs will be generated simultaneously from both of the two BBO crystals is low, the state of the correlated photon pair generated from this device is that of one BBO. It is given by superposition of the state of the correlated photon pair generated from the crystal and the state of the correlated photon pair generated from the other BBO crystal. The correlated photon pair output from these two BBO crystals has a half-wave plate disposed between the two BBO crystals, and the polarization of the correlated photon pair generated from the preceding BBO crystal close to the excitation light input end is Since it is configured to rotate by 90 ° at the device output end, it is orthogonal to the polarization. As a result, polarization entangled photon pairs are generated from this system.

上記と類似な構成で波長700nm−800nm帯の量子もつれ光子対を発生させた例が他にも多く報告されている。   Many other examples have been reported in which quantum entangled photon pairs in the wavelength range of 700 nm to 800 nm are generated with a configuration similar to the above.

一方、光ファイバの最小吸収損失波長帯である、波長1550nm帯の量子もつれ光子対を発生できれば、既存の商用光ファイバを用いて量子情報通信システムの長距離化が期待でき、産業応用上、特に有用である。   On the other hand, if a quantum entangled photon pair with a wavelength of 1550 nm, which is the minimum absorption loss wavelength band of an optical fiber, can be generated, it can be expected that the quantum information communication system will be extended using an existing commercial optical fiber. Useful.

特許文献2には、同じく2次非線形光学媒質の一種である、周期的分極反転LiNbO(Periodically Poled LiNbO、以下、PPLNと略する)導波路を用いた、波長1550nm帯での量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、2つのPPLN導波路と偏光ビームスプリッタ(PBS)を用いたファイバーループ構造を有している。2つのPPLN導波路は光学軸が直交するように配置されている。PBSを介して波長775nmで45°偏波した励起光(フェムト秒パルス)を入力する。特許文献1の場合と同様に、2つのPPLN導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長1550nmのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。さらにまた、特許文献1の場合と同様に、励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が、両方のPPLN導波路から同時に発生せず、どちらか一方から発生すると、この装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。 Patent Document 2 discloses a entangled photon in a wavelength band of 1550 nm using a periodically poled LiNbO 3 (Periodically Poled LiNbO 3 , hereinafter abbreviated as PPLN) waveguide, which is also a kind of second-order nonlinear optical medium. A pair generator is described. Here, it has a fiber loop structure using two PPLN waveguides and a polarizing beam splitter (PBS). The two PPLN waveguides are arranged so that their optical axes are orthogonal. Excitation light (femtosecond pulse) polarized by 45 ° at a wavelength of 775 nm is input via PBS. Similar to the case of Patent Document 1, a correlated photon pair of signal light and idler light having a wavelength of 1550 nm is generated from two PPLN waveguides by natural parametric down conversion. Furthermore, as in the case of Patent Document 1, the excitation light intensity is sufficiently weak, and these correlated photon pairs are not generated from both PPLN waveguides at the same time. A photon pair is generated.

また、非特許文献1には、PBSと単一のPPLN素子を用いた波長1550nm帯量子もつれ光子対発生装置について記載されている。ここでは、PBSとPPLN素子を結ぶ偏波保持光ファイバにおいて、その一箇所で90°光軸変換箇所が設けられている(これはファイバ融着などによって容易に実現できる)。PBSを介して波長776nmで45°偏波した励起光を入力する。PPLN導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長1542nm及び1562nmのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。励起光強度が十分弱い場合、これら相関光子対は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とすると、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。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。   Non-Patent Document 1 describes an apparatus for generating entangled photon pairs having a wavelength of 1550 nm using PBS and a single PPLN element. Here, in the polarization maintaining optical fiber connecting the PBS and the PPLN element, a 90 ° optical axis conversion portion is provided at one location (this can be easily realized by fiber fusion or the like). Excitation light polarized at 45 ° at a wavelength of 776 nm is input via PBS. A correlated photon pair of signal light and idler light with wavelengths of 1542 nm and 1562 nm is generated from the PPLN waveguide by natural parametric down conversion. If the excitation light intensity is weak enough, these correlated photon pairs are generated from either the excitation light propagating clockwise in the loop or the excitation light propagating counterclockwise in the loop. The state of the photon pair is a superposition state of the correlated photon pair propagating clockwise through the loop and the correlated photon pair propagating counterclockwise and orthogonal to the clockwise component. That is, a polarization entangled photon pair is generated from this device.

特開2003−228091JP 2003-228091 A 特開2005−258232JP 2005-258232 A

”Stable source for high quality telecom−band polarization−entangled photon pairs based on a single, pulse−pumped, short PPLN waveguide” H.C.Lim, A.Yoshizawa, H.Tsuchida, and K.Kikuchi, Optics Express, vol.16, No,17, pp.12460−12468, 2008."Stable source for high quality telecom-band polarization-entangled photo pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLN waveguide." C. Lim, A.D. Yoshizawa, H .; Tsuchida, and K.K. Kikuchi, Optics Express, vol. 16, No, 17, pp. 12460-12468, 2008.

従来の技術において、非線形媒質(例えば、2次非線形光学媒質)中での変換(例えば、自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下、SPDCと略することもある))に基づいてシグナル光、アイドラー光の相関光子対を発生させ、また、それに基づいて量子もつれ光子対発生装置を構成しようとした場合、その装置構成上で、変換過程を生じさせる非線形媒質と共に、発生させる量子もつれ光子対の波長のおよそ半分の波長の励起光源が必須の構成要素であった。つまり、例えば、光ファイバ通信で利用されるのに適した波長帯である、波長1550nm帯の量子もつれ光子対発生装置を実現しようとした場合、波長775nm帯の励起光源がその構成要素として必須であった。   In the prior art, signal light based on conversion in a nonlinear medium (for example, a second-order nonlinear optical medium) (for example, natural parametric down conversion (hereinafter, also abbreviated as SPDC)), When a correlated photon pair of idler light is generated and an attempt is made to construct a quantum entangled photon pair generation device based on the pair, the quantum entangled photon pair generated along with the nonlinear medium that causes the conversion process on the device configuration. An excitation light source having a wavelength approximately half the wavelength was an essential component. That is, for example, when trying to realize a quantum entangled photon pair generating device having a wavelength band of 1550 nm, which is a wavelength band suitable for use in optical fiber communication, an excitation light source having a wavelength of 775 nm band is essential as a component. there were.

この場合、下記のような課題がある。   In this case, there are the following problems.

特許文献2や非特許文献1に記載の方法において、量子もつれ光子対発生装置を実現する場合、偏光ビームスプリッタ(PBS)は、波長775nm帯とその2倍波長の波長1550nm帯という、大きく異なる波長帯でともに動作する“特別に設計された”光部品である必要がある。   In the methods described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, when realizing a quantum entangled photon pair generating device, a polarization beam splitter (PBS) has a wavelength of 775 nm and a wavelength of 1550 nm which is twice that wavelength. It needs to be “specially designed” optical components that work together in the band.

さらにまた、PBSやPPLN素子、装置外部への光出力のための光ファイバなどの各種光部品の光結合のために、光学レンズなどの光結合部品が必要となるが、これら光学レンズなどもまた、波長775nm帯及び1550nm帯の双方で光結合が得られるような焦点距離の設計など、特殊な部品設計が必要となる。また、反射防止のための無反射コートもその両波長で対応する必要が生じる。   Furthermore, optical coupling components such as optical lenses are required for optical coupling of various optical components such as PBS, PPLN element, and optical fiber for optical output to the outside of the apparatus. In addition, special component design is required, such as design of a focal length so that optical coupling can be obtained in both the 775 nm band and the 1550 nm band. Moreover, it is necessary to deal with the non-reflective coating for preventing reflection at both wavelengths.

すなわち、従来技術においては、波長がおおよそ2倍異なる励起光、相関光子対の両方で動作する特殊な光部品を用意する必要があった。このことは、装置の作製コストが増加する一因となる。   That is, in the prior art, it is necessary to prepare special optical components that operate with both excitation light and correlated photon pairs whose wavelengths are approximately twice different. This contributes to an increase in manufacturing cost of the device.

さらにまた、一般的に言えば、大きく波長の異なる光に対して同等な特性が得られる設計は、その一方にのみ最適化された設計ほどの良好な特性は期待できない。具体的に言えば、例えばPBSにおける偏波消光比や、レンズ系の結合効率などで、一方の波長(例えば1550nm帯)で最適な特性が得られるように用意された設計に比べれば、特性的には劣ることになる。つまりその分、PPLN素子への励起光入力や、相関光子対の出力などにおいて、過剰損失の増加などを犠牲にした装置設計となる。   Furthermore, generally speaking, a design capable of obtaining an equivalent characteristic with respect to light having a large wavelength cannot be expected to be as good as a design optimized for only one of them. Specifically, for example, the polarization extinction ratio in PBS, the coupling efficiency of the lens system, and the like are characteristic compared to a design prepared so that optimum characteristics can be obtained at one wavelength (for example, 1550 nm band). It will be inferior to. That is, the device design sacrifices an increase in excess loss for the excitation light input to the PPLN element and the output of the correlated photon pair.

一方、量子もつれ光子対を用いた量子情報通信システムは、タイムスロット当りの平均光子(対)数が1以下の、ごく微弱光(単一光子(対)、あるいはそれ以下に近い状態)を扱うシステムであり、ゆえにこのような過剰損失等が多く見込まれるシステム構成は、システム性能を阻害し、好ましいものではない。   On the other hand, quantum information communication systems using entangled photon pairs handle very weak light (single photon (pair) or near it) with an average number of photons (pairs) per time slot of 1 or less. Therefore, a system configuration in which such excess loss and the like are likely to occur is hindered by system performance and is not preferable.

さらに言えば、例えば1550nm帯の量子もつれ光子対を発生する装置を提供する上で、先に述べた1550nm帯で動作する受動光学部品だけではなく、そこで用いる励起光源などの能動光部品さえも1550nm帯レーザや光増幅器で対応できれば、既存の商用光通信システムで使用されている、信頼性が高く、低価格で、かつ制御性に優れた光部品を用いて装置提供できるため、実用上有用である。   Furthermore, for example, in providing an apparatus for generating a entangled photon pair in the 1550 nm band, not only the passive optical components operating in the 1550 nm band described above, but also active optical components such as an excitation light source used therein are 1550 nm. If it can be handled by a band laser or an optical amplifier, it can be used practically because it can provide equipment using optical components that are used in existing commercial optical communication systems with high reliability, low cost, and excellent controllability. is there.

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、その目的とする所は、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and the purpose of the present invention is to use a general and simple optical component without using a special optical component, without causing excessive excess loss, etc. An object of the present invention is to provide a quantum entangled photon pair generator capable of generating a highly pure quantum entangled photon pair.

第1の本発明の量子もつれ光子対発生装置は、(1)偏波保持のループ光路と、(2)第1のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第1の分波励起光と第2の分波励起光とに分岐し、前記第1の分波励起光を前記ループ光路へ時計回りに入力し、前記第2の分波励起光を前記ループ光路へ反時計回りに入力する励起光分波入力手段と、(3)第1の非線形光学媒質と第2の1/2波長板と第2の非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、前記ループ光路を時計回りに伝播する第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、(4)前記ループ光路を時計回りに伝播している前記第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播している前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第2のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、(5)前記第1の分波励起光、前記第2の分波励起光、前記第1の自然パラメトリック下方変換光及び前記第2の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光についての偏波方向を操作する偏波面操作手段とを有し、(6)前記第1の非線形光学媒質は、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の分波励起光に対する第1の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第2の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路の時計回りに伝播する第2の光第2高調波に対する変換によって時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、(7)前記第2の非線形光学媒質は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の分波励起光に対する前記第2の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第1の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第1の光第2高調波に対する変換によって反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、(8)前記第2の1/2波長板は、前記第1又は第2の非線形光学媒質の一方から出力され、前記第1又は第2の非線形光学媒質の他方へ入力される前記第1又は第2の分波励起光の偏波面を90°だけ回転させて出力し、(9)前記第1及び第2の光第2高調波と、前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光とが
、前記ループ光路中に配置された前記第1又は第2の非線形光学媒質中において生成することを特徴とする。
The entangled photon pair generating apparatus according to the first aspect of the present invention is a first polarization component in which (1) the polarization maintaining loop optical path and (2) the input excitation light from the first out-of-loop optical path are orthogonal to each other. Are branched into a first and second demultiplexed pump light, the first demultiplexed pump light is input clockwise to the loop optical path, and the second demultiplexed pump light is input to the loop optical path. An excitation light demultiplexing input means for inputting counterclockwise, and (3) a first nonlinear optical medium, a second half-wave plate, and a second nonlinear optical medium are connected in series in this order counterclockwise. A first natural parametric down-converted light propagating clockwise in the loop optical path, and a second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise in the loop optical path. And (4) a clockwise rotation of the loop optical path. The propagating first natural parametric down-converted light and the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise in the loop optical path are combined, and the combined light is out of the second loop. Converted light combining output means for outputting to the optical path; and (5) the first demultiplexed pump light, the second demultiplexed pump light, the first natural parametric down converted light, and the second natural parametric down converted. (6) the first nonlinear optical medium propagates the loop optical path in a counterclockwise direction; and a polarization plane manipulating means for manipulating a polarization direction of at least one of the lights. A first optical second harmonic wave for the second demultiplexed pumping light, and a second optical second harmonic wave propagating clockwise in the loop optical path generated by the second nonlinear optical medium. Clockwise by conversion Generating the first natural parametric down-converted light to be seeded; and (7) the second nonlinear optical medium is the second light with respect to the first demultiplexed pump light propagating clockwise in the loop optical path. Generating the second harmonic wave and propagating counterclockwise by the conversion to the first optical second harmonic wave propagating counterclockwise in the loop optical path generated by the first nonlinear optical medium. And (8) the second half-wave plate is output from one of the first or second nonlinear optical medium, and the first or second nonlinear optical is generated. The polarization plane of the first or second demultiplexed excitation light input to the other of the medium is rotated by 90 ° and output, (9) the first and second optical second harmonics, and the first The first and second natural parametric down-converted lights, Serial and generating the loop optical path arranged the first or second nonlinear optical medium while.

第2の本発明の量子もつれ光子対発生装置は、(1)ループ光路と、(2)第1のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第1の分波励起光と第2の分波励起光とに分岐し、前記第1の分波励起光を前記ループ光路へ時計回りに入力し、前記第2の分波励起光を前記ループ光路へ反時計回りに入力する励起光分波入力手段と、(3)第1の非線形光学媒質と第2の1/2波長板と第2の非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、前記ループ光路を時計回りに伝播する第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、(4)前記ループ光路を時計回りに伝播している前記第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播している前記第2の自然パラメトリック下方変換光と、を合波し、合波光を第2のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、(5)前記非線形光学媒質へ入力される際の前記第1の分波励起光の偏波面と前記第2の分波励起光の偏波面とを揃えること、あるいは、前記変換光合波出力手段における前記第2のループ外光路への、前記第1の自然パラメトリック下方変換光と前記第2の自然パラメトリック下方変換光との偏波面が直交する合波出力を実行させることを少なくとも実現させるように、前記第1の分波励起光、前記第2の分波励起光、前記第1の自然パラメトリック下方変換光及び前記第2の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光についての偏波方向を操作する偏波面操作手段とを有し、(6)前記第1の非線形光学媒質は、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の分波励起光に対する第1の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第2の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路の時計回りに伝播する第2の光第2高調波に対する変換によって時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、(7)前記第2の非線形光学媒質は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の分波励起光に対する前記第2の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第1の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第1の光第2高調波に対する変換によって反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメ
トリック下方変換光を発生させ、(8)前記第2の1/2波長板は、前記第1又は第2の非線形光学媒質の一方から出力され、前記第1又は第2の非線形光学媒質の他方へ入力される前記第1又は第2の分波励起光の偏波面を90°だけ回転させて出力し、(9)前記第1及び第2の光第2高調波と、前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光とが、前記ループ光路中に配置された前記第1又は第2の非線形光学媒質中において生成することを特徴とする。
The quantum entangled photon pair generation device according to the second aspect of the present invention includes: (1) a first optical demultiplexing that is a polarization component orthogonal to the input optical beams from the loop optical path and (2) the first optical path outside the loop. Branching into light and second demultiplexed pump light, inputting the first demultiplexed pump light clockwise into the loop optical path and counterclockwise feeding the second demultiplexed pump light into the loop optical path An excitation light demultiplexing input means for inputting, and (3) a first nonlinear optical medium, a second half-wave plate, and a second nonlinear optical medium are connected in series in this order counterclockwise. Light that generates first natural parametric down-converted light that propagates clockwise in the loop optical path, and second natural parametric down-converted light that propagates counterclockwise in the loop optical path, whose polarization planes are orthogonal (4) Propagating clockwise in the loop optical path, The first natural parametric down-converted light and the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise through the loop optical path are combined to pass the combined light to the second out-of-loop optical path. And (5) aligning the plane of polarization of the first demultiplexed pumping light and the plane of polarization of the second demultiplexed pumping light when input to the nonlinear optical medium, Alternatively, a combined output in which the planes of polarization of the first natural parametric down-converted light and the second natural parametric down-converted light are orthogonal to the second optical path outside the loop in the converted light combining output means is executed. At least one of the first demultiplexed pump light, the second demultiplexed pump light, the first natural parametric down-converted light, and the second natural parametric down-converted light. (6) the first nonlinear optical medium propagates the loop optical path in the counterclockwise direction. (6) The second nonlinear optical medium has a polarization plane manipulating means for manipulating the polarization direction of one or more lights. A first optical second harmonic for the wave excitation light, and a clockwise rotation by a conversion to the second optical second harmonic propagating clockwise in the loop optical path generated by the second nonlinear optical medium. (7) the second nonlinear optical medium is configured to generate the second natural parametric down-converted light propagating in the loop optical path in the clockwise direction; Producing an optical second harmonic and propagating counterclockwise by conversion to the first optical second harmonic propagating counterclockwise through the loop optical path generated by the first nonlinear optical medium Second natural paramet (8) the second half-wave plate is output from one of the first or second nonlinear optical medium and the other of the first or second nonlinear optical medium. The polarization plane of the first or second demultiplexed pumping light input to is rotated by 90 ° and output, (9) the first and second optical second harmonics, and the first and second The second natural parametric down-converted light is generated in the first or second nonlinear optical medium disposed in the loop optical path.

本発明の量子もつれ光子対発生装置によれば、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる。   According to the quantum entangled photon pair generating apparatus of the present invention, a high-purity quantum entangled photon pair can be generated without generating excessive excess loss by using general and simple optical components without using special optical components. can do.

第1の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。FIG. 3 is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generating device of the first embodiment. 図1の偏波分離合成モジュールの第3入出力端からの励起光の偏波方向と、第1の1/2波長板の光軸方向との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the polarization direction of the excitation light from the 3rd input / output end of the polarization separation / combination module of FIG. 1, and the optical axis direction of the 1st 1/2 wavelength plate. 図1の光変換生成部の各構成要素における光軸方向の説明図である。It is explanatory drawing of the optical axis direction in each component of the light conversion production | generation part of FIG. 図1の偏波分離合成モジュールの各入出力端と、各光の入出力関係を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which showed typically each input-output relationship of each input / output terminal of the polarization-separation combining module of FIG. 1, and each light input / output. 第1の実施形態に係る変形実施形態(1)の構成を示す構成要素の配置図である。It is an arrangement drawing of the component which shows the composition of modification (1) concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る変形実施形態(2)の構成を示す構成要素の配置図である。It is an arrangement drawing of the component which shows the composition of modification (2) concerning a 1st embodiment. 図1の光変換生成部に置き換わる他の光変換生成部の構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example of the other light conversion production | generation part replaced with the light conversion production | generation part of FIG. 第2の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。It is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the second embodiment. 図8の非相反偏波面変換部における構成要素の光学軸方向の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship of the optical axis direction of the component in the nonreciprocal polarization plane conversion part of FIG. 第2の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。Explanatory drawing which shows the input / output end of the polarization splitting / combining module for inputting / outputting excitation light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light, idler light) in the second embodiment It is. 第3の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。It is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the third embodiment. 図11の第4の1/2波長板、1/4波長板、第5の1/2波長板の光学軸方向の説明図である。It is explanatory drawing of the optical axis direction of the 4th 1/2 wavelength plate of FIG. 11, a 1/4 wavelength plate, and the 5th 1/2 wavelength plate. 第3の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。Explanatory drawing which shows the input / output end of the polarization splitting / combining module for inputting / outputting excitation light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light, idler light) in the third embodiment It is. 第4の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。It is an arrangement drawing of the components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the fourth embodiment. 第4の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。Explanatory drawing which shows the input / output end of the polarization splitting / synthesizing module which inputs / outputs excitation light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light, idler light) in the fourth embodiment It is.

(A)第1の実施形態
以下、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第1の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(A) First Embodiment Hereinafter, a first embodiment of a entangled photon pair generating apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(A−1)第1の実施形態の構成
図1は、第1の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
(A-1) Configuration of the First Embodiment FIG. 1 is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the first embodiment.

図1において、第1の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10は、偏波分離合成モジュール101と、その2つの入出力端とを含んで構成されるサニャツク干渉計型の光ループLPと、この光ループLPの光路上に設置された、第1の1/2波長板104と光変換生成部100とを少なくとも備えている。光変換生成部100は、第1の2次非線形光学媒質102、第2の1/2波長板105、第2の2次非線形光学媒質103とで構成されている。第1の1/2波長板104は、光変換生成部100と偏波分離合成モジュール101の一方の入出力端(図1の例では第3入出力端101−3)を結ぶ光路上に設置されている。また、第2の1/2波長板105は、第1及び第2の2次非線形光学媒質102、103の間に設置されている。   In FIG. 1, a polarization quantum entangled photon pair generation device 10 according to the first embodiment includes a polarization splitting / combining module 101 and two input / output terminals of a Sagnac interferometer type optical loop LP. And at least a first half-wave plate 104 and a light conversion generation unit 100 installed on the optical path of the optical loop LP. The light conversion generation unit 100 includes a first second-order nonlinear optical medium 102, a second half-wave plate 105, and a second second-order nonlinear optical medium 103. The first half-wave plate 104 is installed on an optical path that connects one input / output end (the third input / output end 101-3 in the example of FIG. 1) of the light conversion generation unit 100 and the polarization splitting / combining module 101. Has been. The second half-wave plate 105 is installed between the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103.

さらにまた、第1の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10は、励起光を上記光ループLPの光路中に入力し、また、上記光ループLPから出力される所望とする量子もつれ光子対波長成分のみを選択的に抽出して出力するための光入出力用光部品として、光サーキュレータ106、光ローパスフィルタ107及びWDM(波長分割多重化;wavelength division multiplexing)フィルタ108を備えている。   Furthermore, the polarization entangled photon pair generation device 10 of the first embodiment inputs the pumping light into the optical path of the optical loop LP, and outputs the desired entangled photon output from the optical loop LP. An optical circulator 106, an optical low-pass filter 107, and a WDM (wavelength division multiplexing) filter 108 are provided as optical components for optical input / output for selectively extracting and outputting only the wavelength component.

この光ループLPは、偏波保持光学系で構成されるのが望ましい。そのために、光ループLPを構成する偏波分離合成モジュール101、第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103、第1及び第2の1/2波長板104及び105の光学軸の関係は、後述するような特別の配慮を持って構成されている。   The optical loop LP is preferably composed of a polarization maintaining optical system. For this purpose, the relationship between the optical axes of the polarization separation / combination module 101, the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103, and the first and second half-wave plates 104 and 105 constituting the optical loop LP. Is constructed with special consideration as described below.

また、この光ループLPは、各光学部品を光結合レンズのみを用いて空間的に結合することで実現しても良く(すなわち、光ファイバを利用しないで実現しても良く)、また、偏波保持光ファイバが結合されて光モジュールとして提供されているものを用いて構成しても良い。また、偏波保持光ファイバではなく、通常の偏波保持性を有しない光ファイバが結合されている光モジュールを用いた場合でも、適宜偏波面コントローラなどの付加光部品を用いることで、擬似的に偏波保持光学系を構成することでも実現できる。   The optical loop LP may be realized by spatially coupling each optical component using only an optical coupling lens (that is, it may be realized without using an optical fiber). You may comprise using what was combined with the wave holding optical fiber and was provided as an optical module. In addition, even when using an optical module in which an ordinary optical fiber that does not have polarization maintaining properties is used instead of a polarization maintaining optical fiber, by using additional optical components such as a polarization plane controller as appropriate, It can also be realized by configuring a polarization maintaining optical system.

ここで、入力励起光波長をλpであるとする。この波長λpは、所望する量子もつれ光子対波長の近傍の波長とする。すなわち、所望する量子もつれ光子対波長帯が1550nmであるならば、λpは1550nm近傍の値である。   Here, it is assumed that the wavelength of the input excitation light is λp. This wavelength λp is a wavelength in the vicinity of the desired entangled photon pair wavelength. That is, if the desired entangled photon pair wavelength band is 1550 nm, λp is a value near 1550 nm.

λs、λiを、所望する量子もつれ光子対のシグナル光、アイドラー光の波長とすると、入力励起光、シグナル光、アイドラー光の波長λp、λs、λiは、(1)式のエネルギー保存則に相当する関係を満足する(但し、λp、λs、λiはいずれも真空中での波長である)。

Figure 2014067061
When λs and λi are the wavelengths of the desired entangled photon pair of signal light and idler light, the wavelengths λp, λs, and λi of the input excitation light, signal light, and idler light correspond to the energy conservation law of equation (1). (Where λp, λs, and λi are all wavelengths in a vacuum).
Figure 2014067061

偏波分離合成モジュール101は、光サーキュレータ106の第2出力端106−2と結合する第1入出力端101−1と、第1入出力端101−1に対向する側に備えられた、第2の2次非線形光学媒質103の一端を結合する第2入出力端101−2と、第1の1/2波長板104の一端を結合する第3入出力端101−3と、第3入出力端101−3に対向する側に備えられた第4入出力端104−4を備えている。なお、第4入出力端104−4は、この第1の実施形態及び後述する第3の実施形態において、そこからの光の入出力を行うことはないので、例えば、光ファイバピグテール、光コネクタなどの光信号の入出力インターフェイスのための光部品を接続する必要はない。その場合において、第4入出力端104−4は、後に詳細に述べる詳細な動作原理の説明のために専ら便宜上設けているだけのものであり、それ自体は第1及び第3の実施形態における必須構成要素ではない。但し、後述する第2及び第4の実施形態においては、後に詳細に述べるように必須構成要素である。   The polarization separation / combination module 101 includes a first input / output end 101-1 coupled to the second output end 106-2 of the optical circulator 106, and a first input / output end 101-1, which is provided on the side facing the first input / output end 101-1. A second input / output end 101-2 that couples one end of the second-order nonlinear optical medium 103, a third input / output end 101-3 that couples one end of the first half-wave plate 104, and a third input A fourth input / output terminal 104-4 is provided on the side facing the output terminal 101-3. The fourth input / output end 104-4 does not input / output light from / in the first embodiment and the third embodiment to be described later. For example, an optical fiber pigtail, an optical connector, etc. There is no need to connect optical components for an optical signal input / output interface. In that case, the fourth input / output terminal 104-4 is merely provided for convenience of explanation of the detailed operation principle described in detail later, and itself is the same as in the first and third embodiments. It is not a required component. However, in the second and fourth embodiments to be described later, it is an essential component as will be described in detail later.

光サーキュレータ106は、波長λpの入力励起光を入力するための第1入力端106−1と、第1入力端106−1からの入力光を出力し偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1と結合する第2入出力端106−2と、第2入出力端106−2からの入力光を出力する第3入出力端106−3とを備えている。   The optical circulator 106 outputs a first input terminal 106-1 for inputting the input pumping light having the wavelength λp, and an input light from the first input terminal 106-1 and a first input / output of the polarization beam splitting / combining module 101. A second input / output terminal 106-2 coupled to the terminal 101-1 and a third input / output terminal 106-3 for outputting input light from the second input / output terminal 106-2 are provided.

偏波分離合成モジュール101及び光サーキュレータ106としては、波長λp近傍(λs、λiを含む)でそれぞれ所望の動作を保証できるものを用いれば良い。すなわち、その半波長(λp/2)での動作は担保される必要はない。すなわち、波長λpが1550nm近傍であれば、1550nm帯用の偏波分離合成モジュール、光サーキュレータとして一般的に市販されている光部品で良く、特許文献2や非特許文献1で述べているような、λp、λp/2の両波長で動作するような“特殊な”偏波分離合成モジュール等である必要はない。   As the polarization beam splitting / combining module 101 and the optical circulator 106, modules that can guarantee a desired operation near the wavelength λp (including λs and λi) may be used. That is, the operation at the half wavelength (λp / 2) need not be guaranteed. In other words, if the wavelength λp is in the vicinity of 1550 nm, an optical component generally commercially available as a polarization demultiplexing / synthesizing module or optical circulator for the 1550 nm band may be used, as described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1. , Λp, and λp / 2, it is not necessary to be a “special” polarization splitting / combining module or the like.

また、以下の説明の便宜のために、偏波分離合成モジュール101へ波長λpの光が入射する場合、入射光の偏波分離合成モジュールの偏波面選択反射面に対する電場ベクトルの振動方向に対応する成分を次のように定義する。すなわち、偏波面選択反射面へ入射する入射光の入射面に平行な方向に電場ベクトルが振動する成分をp成分、入射光の入射面に垂直な方向に電場ベクトルが振動する成分をs成分と呼ぶこととする。   For convenience of the following description, when light having a wavelength λp is incident on the polarization separation / combination module 101, it corresponds to the vibration direction of the electric field vector with respect to the polarization plane selective reflection surface of the polarization separation / combination module of the incident light. Ingredients are defined as follows: That is, a component in which the electric field vector oscillates in a direction parallel to the incident surface of the incident light incident on the polarization plane selective reflection surface is a p component, and a component in which the electric field vector oscillates in a direction perpendicular to the incident surface of the incident light is an s component. I will call it.

そして、偏波分離合成モジュール101においては、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に出力され、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に出力される。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に出力され、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に出力される。   In the polarization separation / combination module 101, the p-polarization component input from the first input / output terminal 101-1 is output to the second input / output terminal 101-2, and the first input / output terminal 101-1. The input s-polarized component is output to the third input / output terminal 101-3. Further, the p-polarized wave component input from the second input / output terminal 101-2 is output to the first input / output terminal 101-1, and the s-polarized wave component input from the third input / output terminal 101-3 is The data is output to the first input / output terminal 101-1.

なお、偏波分離合成モジュール101としては、例えば、市販されている偏光ビームスプリッタの中から好適なものを選んで利用することができる。あるいはまた、上記の説明で想定している薄膜を用いたタイプの偏光ビームスプリッタに限定されず、偏波分離合成モジュール101は、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いたものであっても良い。   As the polarization separation / combination module 101, for example, a suitable one from commercially available polarization beam splitters can be selected and used. Alternatively, the polarization beam splitter is not limited to the type of polarization beam splitter assumed in the above description, and the polarization separation / combination module 101 may be a so-called polarization prism using a birefringent crystal. good.

波長λpの入力励起光は、光サーキュレータ106の第1入出力端106−1に入力され、第2入出力端106−2から出力され、その後、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へと入力され、p偏波成分、s偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2、第3入出力端101−3へと出力される。   The input pump light having the wavelength λp is input to the first input / output terminal 106-1 of the optical circulator 106, output from the second input / output terminal 106-2, and then the first input / output terminal of the polarization beam splitting / combining module 101. 10-1, separated into a p-polarization component and an s-polarization component, and output to the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101, respectively. The

第1の実施形態において、上記の偏波分離された入力励起光のp偏波成分とs偏波成分は、後に述べる理由によって同じ光強度でなければならない。そのために、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ入力されるときの励起光は、p偏波成分強度とs偏波成分強度の強度比が1:1であるように偏波調整されていなければならない。   In the first embodiment, the p-polarized component and the s-polarized component of the polarization-separated input pump light must have the same light intensity for the reason described later. Therefore, the excitation light when input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101 is such that the intensity ratio of the p polarization component intensity and the s polarization component intensity is 1: 1. The polarization must be adjusted.

このように用意された入力励起光を、この明細書においては「45°偏波の励起光」と呼ぶ。このような励起光を用意するには、例えば、光サーキュレータ106の第1入出力端106−1の事前に偏波面コントローラを用意し、偏波分離合成モジュール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、偏波分離合成モジュール101におけるs偏波方向から45°だけ傾いた直線偏波となるように調整すれば良い。 The input pumping light prepared in this way is referred to as “45 ° polarized pumping light” in this specification. In order to prepare such pumping light, for example, a polarization plane controller is prepared in advance for the first input / output terminal 106-1 of the optical circulator 106, and the first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101 is prepared. What is necessary is just to adjust the polarization state of the excitation light when it is input to the linearly polarized wave inclined by 45 ° from the s-polarization direction in the polarization beam splitting / combining module 101.

第1及び第2の1/2波長板104及び105はそれぞれ、波長λpの光に対して、その直交光軸間での光位相差がπとなる、いわゆる1/2波長板として動作するものである。この明細書においては、以後、特に断りのない限り、「1/n波長板」(n=2,3,4,…)と呼んだ場合の波長(λ)は励起光波長λpのことを指す。   The first and second half-wave plates 104 and 105 respectively operate as so-called half-wave plates in which the optical phase difference between the orthogonal optical axes is π with respect to the light of wavelength λp. It is. In this specification, unless otherwise specified, the wavelength (λ) when referred to as “1 / n wavelength plate” (n = 2, 3, 4,...) Refers to the excitation light wavelength λp. .

第1の1/2波長板104の光軸方向は、図2に示すように用意されている。すなわち、偏波分離合成モジュール101において、第3入出力端101−3から出力された入力励起光の偏波方向(s偏波)に対して、光軸方向が45°だけ回転している。すなわち、第3入出力端101−3から出力された入力励起光は、第1の1/2波長板104を通過した後、偏波方向が90°だけ回転してp偏波方向に一致するものとなる。そして、このp偏波方向は、後に詳細に述べるように、第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103の特定の光学軸方向(第1の実施形態で説明する例では、z光軸方向)と合致するように、各光学部品は配置されている。   The optical axis direction of the first half-wave plate 104 is prepared as shown in FIG. That is, in the polarization separation / combination module 101, the optical axis direction is rotated by 45 ° with respect to the polarization direction (s-polarization) of the input pump light output from the third input / output terminal 101-3. That is, the input excitation light output from the third input / output terminal 101-3 passes through the first half-wave plate 104, and then the polarization direction rotates by 90 ° to coincide with the p-polarization direction. It will be a thing. As will be described in detail later, this p polarization direction is a specific optical axis direction of the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103 (in the example described in the first embodiment, z light Each optical component is arranged so as to coincide with the axial direction.

第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103はそれぞれ、PPLNなどの2次非線形光学効果を有する非線形光学媒質である。それぞれの2次非線形光学媒質は、波長λpの入力励起光を入力すると、その半分の波長(λp/2)の光第2高調波(Second harmonic generation光、以下、SHG光と略する)を発生する。この明細書では、後の便宜のため、このSHG光を、中間SHG光と呼ぶこともある。   Each of the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103 is a nonlinear optical medium having a second-order nonlinear optical effect such as PPLN. Each of the second-order nonlinear optical media generates optical second harmonics (second harmonic generation light, hereinafter abbreviated as SHG light) of half the wavelength (λp / 2) when input excitation light of wavelength λp is input. To do. In this specification, this SHG light may be referred to as intermediate SHG light for convenience later.

さらにまた、これら2つの2次非線形光学媒質102、103は、それぞれ一方の2次非線形光学媒質から発生された上記中間SHG光を受け入れて、このSHG光を種光としたSPDC過程により、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を発生する。   Furthermore, these two second-order nonlinear optical media 102 and 103 each receive the intermediate SHG light generated from one of the second-order nonlinear optical media, and perform the wavelength λs by an SPDC process using the SHG light as seed light. Signal light and idler light of wavelength λi are generated.

以下に述べる第1の実施形態の動作の説明においては、簡便のために、2つの2次非線形光学媒質102、103に入出力する、入力励起光とそれによって発生する中間SHG光は、同一偏波方向の直線偏波であるとする。また同じく、中間SHG光とそれによって発生する本件で所望するシグナル光、アイドラー光のSPDC相関光子対もまた、同一偏波方向の直線偏波であるとする。このようなことは、例えば、2次非線形光学媒質としてPPLNを用いた場合、PPLNの2次非線形光学定数のd33成分を、SHG発生、SPDC発生に利用し、そのために、中間SHG光発生のためにPPLN結晶に入力する入力励起光、及びSPDC相関光子対発生のためにPPLN結晶に入力する中間SHG光をz軸方向に偏波する直線偏波とし、結果、PPLN結晶から出力される所望するシグナル光、アイドラー光もまたz軸方向に偏波する直線偏波とすることで実現できる。 In the following description of the operation of the first embodiment, for the sake of simplicity, the input pump light and the intermediate SHG light generated by the input and output to and from the two second-order nonlinear optical media 102 and 103 are the same. Let it be a linearly polarized wave in the wave direction. Similarly, it is assumed that the SPDC correlated photon pair of the intermediate SHG light and the signal light and idler light generated by the intermediate SHG light are thereby linearly polarized in the same polarization direction. For example, when PPLN is used as the second-order nonlinear optical medium, the d 33 component of the second-order nonlinear optical constant of PPLN is used for SHG generation and SPDC generation. Therefore, the input excitation light input to the PPLN crystal and the intermediate SHG light input to the PPLN crystal for SPDC correlation photon pair generation are linearly polarized in the z-axis direction, and the desired output from the PPLN crystal The signal light and idler light to be realized can also be realized by linearly polarized light polarized in the z-axis direction.

上述の例に従えば、光変換生成部100を構成する、第1の2次非線形光学媒質102、第2の2次非線形光学媒質103、並びに、その間に配置された第2の1/2波長板105の光軸方向は、図3に示すように用意される。すなわち、偏波分離合成モジュール101において、第2入出力端101−2から出力された入力励起光の偏波方向(p偏波)に対して、第1の2次非線形光学媒質102及び第2の2次非線形光学媒質103のz光軸方向が一致している。一方、第2の1/2波長板105の光軸方向は、これから45°だけ回転している。よって、今、一方の2次非線形光学媒質から、入力励起光、後述する本件で必要とはしない過渡的なシグナル光、アイドラー光がz軸方向の偏波で出力された場合、これらの光は、第2の1/2波長板105にて、それと偏波直交した(すなわち、s偏波)直線偏波へと変換されて、もう一方の2次非線形光学媒質へと入力されることになる。   According to the above-described example, the first second-order nonlinear optical medium 102, the second second-order nonlinear optical medium 103, and the second ½ wavelength arranged therebetween, which constitute the light conversion generation unit 100. The optical axis direction of the plate 105 is prepared as shown in FIG. That is, in the polarization separation / combination module 101, the first second-order nonlinear optical medium 102 and the second nonlinear optical medium 102 and the second polarization optical polarization direction (p-polarization) of the input pumping light output from the second input / output terminal 101-2. The z-axis direction of the second-order nonlinear optical medium 103 is the same. On the other hand, the optical axis direction of the second half-wave plate 105 is rotated by 45 ° from now. Therefore, when the input excitation light, the transient signal light that is not necessary in this case, which is described later, and idler light are output from one of the second-order nonlinear optical media with the polarization in the z-axis direction, these lights are The second half-wave plate 105 is converted to a linearly polarized wave that is orthogonal to the polarized wave (ie, s-polarized wave) and input to the other second-order nonlinear optical medium. .

光ローパスフィルタ107は、光サーキュレータ106の第3入出力端106−3からの出力光のうち、第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103で発生した中間SHG光の波長成分(λp/2)を除去する。光ローパスフィルタ107の通過光の波長成分は、後に詳細に説明する理由により、第1の実施形態においては、理想的にはシグナル光波長成分(λs)、アイドラー光波長成分(λi)のみであり、励起光波長成分(λp)は含まれない。   The optical low-pass filter 107 is a wavelength component (λp) of the intermediate SHG light generated in the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103 out of the output light from the third input / output terminal 106-3 of the optical circulator 106. / 2) is removed. For the reason described in detail later, the wavelength component of the light passing through the optical low-pass filter 107 is ideally only the signal light wavelength component (λs) and the idler light wavelength component (λi) in the first embodiment. The excitation light wavelength component (λp) is not included.

WDMフィルタ108は、光ローパスフィルタ107の通過光のうち、少なくともシグナル光波長成分(λs)、アイドラー光波長成分(λi)を別々の光経路に切り分けて出力する。このようなWDMフィルタ108としては、少なくともシグナル光波長(λs)、アイドラー光波長(λi)を透過波長成分として有する、いわゆるAWG型のWDMフィルタなどを用いることができる。   The WDM filter 108 divides at least the signal light wavelength component (λs) and the idler light wavelength component (λi) out of the light passing through the optical low-pass filter 107 and outputs the separated light paths. As such a WDM filter 108, a so-called AWG type WDM filter having at least a signal light wavelength (λs) and an idler light wavelength (λi) as transmission wavelength components can be used.

WDMフィルタ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、光ファイバ通信網など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は同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。   The signal light wavelength component and the idler light wavelength component that have passed through the WDM filter 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 desired quantum information communication technology by performing simultaneous measurement and the like.

(A−2)第1の実施形態の動作
以下では、第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103としてPPLN結晶を適用し、その2次非線形光学定数のうちd33成分をSHG発生、SPDC発生に利用するとして、第1の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10の動作を説明する。
(A-2) The following operation of the first embodiment, by applying the PPLN crystal as the first and second second-order nonlinear optical medium 102 and 103, SHG generating a d 33 component of its second-order nonlinear optical constant The operation of the polarization entangled photon pair generation device 10 of the first embodiment will be described as being used for SPDC generation.

偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2及び第3入出力端101−3から、それぞれp偏波、s偏波で、同じ強度の励起光(波長λp)が出力される。p偏波方向と、PPLN結晶のz軸方向が一致するように、第1の2次非線形光学媒質102であるPPLN結晶を配置する。また同じく、p偏波方向と、PPLN結晶のz軸方向が一致するように、第2の2次非線形光学媒質103であるPPLN結晶を配置する。   From the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101, pumping light (wavelength λp) having the same intensity is output for p-polarized light and s-polarized light, respectively. The PPLN crystal that is the first second-order nonlinear optical medium 102 is arranged so that the p-polarization direction and the z-axis direction of the PPLN crystal coincide. Similarly, the PPLN crystal that is the second-order nonlinear optical medium 103 is arranged so that the p-polarization direction and the z-axis direction of the PPLN crystal coincide.

まず、光ループLPを時計回りに伝播する励起光(偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2からp偏波光として出力される励起光成分)によって生じる過程を考える。   First, consider a process caused by pumping light propagating clockwise in the optical loop LP (pumping light component output as p-polarized light from the second input / output terminal 101-2 of the polarization separation / combination module 101).

この励起光が入力することで、第2の2次非線形光学媒質103において中間SHG光が発生する。また、この中間SHG光を種光としたSPDC過程により、同じPPLN結晶(第2の2次非線形光学媒質103)内で、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する場合もある。   When this excitation light is input, intermediate SHG light is generated in the second secondary nonlinear optical medium 103. In addition, when the SPDC process using the intermediate SHG light as a seed light, a correlated photon pair of unwanted transient signal light and idler light is generated in the same PPLN crystal (second second-order nonlinear optical medium 103). There is also.

第2の2次非線形光学媒質103から出力される光は、入力励起光、中間SHG光、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光である。これらの光は全て、PPLN結晶のz軸光軸方向と一致したp偏波光である。   The light output from the second second-order nonlinear optical medium 103 is input excitation light, intermediate SHG light, undesired transient signal light, and idler light. All of these lights are p-polarized light that matches the z-axis optical axis direction of the PPLN crystal.

第2の2次非線形光学媒質103からの出力光は、次に、第2の1/2波長板105を通過する。この際、波長がλp近傍である励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、偏波が90°だけ回転してs偏波となって、第1の2次非線形光学媒質102へ入力される。   The output light from the second second-order nonlinear optical medium 103 then passes through the second half-wave plate 105. At this time, the excitation light, the transient signal light, and the idler light having a wavelength in the vicinity of λp are rotated by 90 ° to become s-polarized light and input to the first second-order nonlinear optical medium 102. The

一方、波長がλp/2である中間SHG光に対しては、第2の1/2波長板105は単に一波長分の位相差を与えるだけなので、偏波回転は生じない。ゆえに、中間SHG光はp偏波のままで第1の2次非線形光学媒質102へ入力される。   On the other hand, for the intermediate SHG light having a wavelength of λp / 2, the second half-wave plate 105 simply gives a phase difference of one wavelength, and thus no polarization rotation occurs. Therefore, the intermediate SHG light is input to the first second-order nonlinear optical medium 102 as p-polarized light.

次に、第1の2次非線形光学媒質102においては、入力される励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光はs偏波であるため、それらによる新たなSHG光は発生しない。   Next, in the first second-order nonlinear optical medium 102, since the input excitation light, transient signal light, and idler light are s-polarized light, no new SHG light is generated by them.

その結果、それらによるSPDC過程による第2、第3の過渡的なシグナル光、アイドラー光の光子対もまた発生しない。 As a result, the second and third transient signal light and idler light photon pairs due to the SPDC process are not generated.

一方、中間SHG光はp偏波で第1の2次非線形光学媒質102へ入力されるため、SPDC過程による新規なシグナル光、アイドラー光が発生する。このシグナル光、アイドラー光の光子対が、所望する相関光子対となる。   On the other hand, since the intermediate SHG light is input to the first second-order nonlinear optical medium 102 with p polarization, new signal light and idler light are generated by the SPDC process. This photon pair of signal light and idler light becomes a desired correlated photon pair.

その結果、第1の2次非線形光学媒質102から出力される光は、その偏波状態において2組に分けて考えられる。すなわち、一組は、入力励起光、第2の2次非線形光学媒質103で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光であり、これらはs偏波である。また、もう一組は、中間SHG光、第1の2次非線形光学媒質102で生じた所望するシグナル光、アイドラー光であり、これらはp偏波である。   As a result, the light output from the first second-order nonlinear optical medium 102 can be considered in two sets in the polarization state. That is, one set is input excitation light, transient signal light generated by the second second-order nonlinear optical medium 103, and idler light, and these are s-polarized light. The other set is intermediate SHG light, desired signal light generated by the first second-order nonlinear optical medium 102, and idler light, which are p-polarized light.

次に、これらの光は、第1の1/2波長板104を通過する。その結果、中間SHG光以外は90°だけ偏波回転した後、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3に入力される。   Next, these lights pass through the first half-wave plate 104. As a result, the light other than the intermediate SHG light is rotated by 90 ° and then input to the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101.

そして、入力励起光、第2の2次非線形光学媒質103で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光はp偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール101のこの第1の実施形態では実用に供していない第4入出力端101−4に出力される。一方、第1の2次非線形光学媒質102で生じた所望するシグナル光、アイドラー光はs偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1に出力される。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール101の波長依存性が無視できるならば、中間SHG光はp偏波で入力されるために、偏波分離合成モジュール101の第1の実施形態では実用に供しない第4入出力端101−4に出力される。   Since the input excitation light, the transient signal light generated by the second second-order nonlinear optical medium 103, and the idler light are input as p-polarized light, in this first embodiment of the polarization separation / combination module 101, The data is output to the fourth input / output terminal 101-4 which is not practically used. On the other hand, since the desired signal light and idler light generated in the first second-order nonlinear optical medium 102 are input as s-polarized light, they are output to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101. . In other words, if the wavelength dependence of the polarization separation / combination module 101 is negligible, the intermediate SHG light is input as p-polarization, so that it is practical in the first embodiment of the polarization separation / combination module 101. Is output to the fourth input / output terminal 101-4 which is not used.

つまり、光ループLPを時計回りに伝播する励起光によって、この光ループLPからは、s偏波であるシグナル光、アイドラー光の所望する相関光子対が偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力され、一方、入力励起光、第2の2次非線形光学媒質103で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光は偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4へ出力される。   That is, by the pumping light propagating clockwise in the optical loop LP, a desired correlated photon pair of s-polarized signal light and idler light is transmitted from the optical loop LP to the first input / output of the polarization separation / combination module 101. On the other hand, the input pumping light, the transient signal light generated by the second second-order nonlinear optical medium 103, the idler light, and the intermediate SHG light are output from the fourth input / output of the polarization splitting / combining module 101. It is output to the end 101-4.

次に、光ループLPを反時計回りに伝播する励起光(偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3からs偏波光として出力される励起光成分)によって生じる過程を考える。   Next, consider a process caused by pump light propagating counterclockwise in the optical loop LP (pump light component output as s-polarized light from the third input / output terminal 101-3 of the polarization separation / combination module 101).

励起光はまず、第1の1/2波長板104を通過することで90°だけ偏波回転が生じ、p偏波となる。   First, when the excitation light passes through the first half-wave plate 104, polarization rotation occurs by 90 ° and becomes p-polarized light.

この励起光が入力することで、上述した時計回りの励起光の場合と同様に、第1の2次非線形光学媒質102において、中間SHG光、SPDC過程による所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。   When this excitation light is input, in the first second-order nonlinear optical medium 102, as in the case of the clockwise excitation light described above, intermediate SHG light, undesired transient signal light and idler light due to the SPDC process are used. Correlated photon pairs are generated.

第1の2次非線形光学媒質102から出力される、入力励起光、中間SHG光、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光は、やはりp偏波光である。   The input pump light, intermediate SHG light, unwanted transient signal light, and idler light output from the first second-order nonlinear optical medium 102 are also p-polarized light.

これら第1の2次非線形光学媒質102からの出力光は、次に、第2の1/2波長板105を通過し、時計回りの場合と同様に、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光はs偏波、中間SHG光はp偏波となって、第2の2次非線形光学媒質103へ入力される。   The output light from the first second-order nonlinear optical medium 102 then passes through the second half-wave plate 105 and, as in the clockwise direction, the excitation light, the transient signal light, the idler The light is s-polarized light and the intermediate SHG light is p-polarized light and is input to the second second-order nonlinear optical medium 103.

第2の2次非線形光学媒質103においては、上述したと同様に、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光による新たなSHG光、並びに、SPDC過程による新規の過渡的なシグナル光、アイドラー光は発生しない。   In the second second-order nonlinear optical medium 103, as described above, pump light, transient signal light, new SHG light by idler light, and new transient signal light by idler light, idler light. Does not occur.

一方、中間SHG光による、SPDC過程による新規シグナル光、アイドラー光の光子対は発生する。このシグナル光、アイドラー光の光子対が所望する相関光子対となる。   On the other hand, a photon pair of new signal light and idler light by the SPDC process is generated by the intermediate SHG light. This photon pair of signal light and idler light is a desired correlated photon pair.

その結果、第2の2次非線形光学媒質103からは、s偏波である、入力励起光、第1の2次非線形光学媒質102で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光、並びに、p偏波である、中間SHG光、第2の2次非線形光学媒質103で生じた所望するシグナル光、アイドラー光が出力される。   As a result, from the second second-order nonlinear optical medium 103, s-polarized input pump light, transient signal light generated in the first second-order nonlinear optical medium 102, idler light, and p-polarized light are generated. The intermediate SHG light, which is a wave, and the desired signal light and idler light generated in the second second-order nonlinear optical medium 103 are output.

これらの光は、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2に入力される。   These lights are input to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitting / combining module 101.

そして、入力励起光、第1の2次非線形光学媒質102で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光はs偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール101の第1の実施形態では実用に供しない第4入出力端101−4に出力される。一方、第2の2次非線形光学媒質103で生じた所望するシグナル光、アイドラー光はp偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1に出力される。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール101の波長依存性が無視できるならば、中間SHG光もp偏波で入力されるために、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1に出力される。   Since the input excitation light, the transient signal light generated by the first second-order nonlinear optical medium 102, and the idler light are input as s-polarized light, it is practically used in the first embodiment of the polarization separation / combination module 101. Is output to the fourth input / output terminal 101-4 which is not used. On the other hand, since the desired signal light and idler light generated in the second second-order nonlinear optical medium 103 are input as p-polarized light, they are output to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101. . Speaking here, if the wavelength dependence of the polarization separation / combination module 101 can be ignored, the intermediate SHG light is also input as p-polarization, and therefore the first input / output terminal 101-of the polarization separation / combination module 101. 1 is output.

つまり、光ループLPを反時計回りに伝播する励起光によって、この光ループLPからは、p偏波であるシグナル光、アイドラー光の所望する相関光子対、並びに、第1の2次非線形光学媒質102で生じた中間SHG光が偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力され、一方、入力励起光、第1の2次非線形光学媒質102で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光は偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4へ出力される。   That is, the excitation light propagating counterclockwise in the optical loop LP causes the signal light that is p-polarized light, the desired correlated photon pair of idler light, and the first second-order nonlinear optical medium. The intermediate SHG light generated at 102 is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101, while the input pump light and the transient signal light generated at the first second-order nonlinear optical medium 102. The idler light is output to the fourth input / output terminal 101-4 of the polarization beam splitting / combining module 101.

非特許文献1と同じように、励起光強度が十分弱い場合、偏波分離合成モジュール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、光ループLPを時計回りに伝播する励起光によって発生したs偏波の相関光子対と、光ループLPを反時計回りに伝播する励起光によって発生したp偏波の相関光子対となる。すなわち、装置から発生する相関光子対の状態は、光ループLP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。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。   As in Non-Patent Document 1, when the pumping light intensity is sufficiently weak, the correlation photon pair of signal light and idler light output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization separation / combination module 101 is an optical loop. An s-polarized correlated photon pair generated by pumping light propagating clockwise through LP, and a p-polarized correlated photon pair generated by pumping light propagating counterclockwise through the optical loop LP. That is, the state of the correlated photon pair generated from the device is a superposition state of the correlated photon pair propagating clockwise in the optical loop LP and the counter-clockwise correlated photon pair propagating counterclockwise. It becomes. That is, a polarization entangled photon pair is generated from this device.

図4は、上述した、偏波分離合成モジュール101の各入出力端と、各光の入出力関係を模式的に示した説明図である。図4(A)は、偏波分離合成モジュール101として、薄膜101Rを用いたタイプの偏光ビームスプリッタを用いた場合の模式図であり、図4(B)は、偏波分離合成モジュール101として、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いた場合の模式図である。第1の実施形態では、偏光ビームスプリッタ及び偏光プリズムのいずれを用いても良い。   FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the input / output relationship of each light and the input / output ends of the polarization splitting / combining module 101 described above. FIG. 4A is a schematic diagram when a polarization beam splitter of the type using the thin film 101R is used as the polarization separation / combination module 101, and FIG. It is a schematic diagram at the time of using what is called a polarizing prism using a birefringent crystal. In the first embodiment, either a polarizing beam splitter or a polarizing prism may be used.

図4に示すように、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1からは、所望の偏波もつれ光子対成分(シグナル光、アイドラー光)及び光ループを反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間SHG光成分が出力される。一方、強い入力励起光成分、時計回りの中間SHG光成分、並びに、過渡的に発生したシグナル光成分、アイドラー光成分は、原理的には偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4へ出力される。   As shown in FIG. 4, a desired polarization entangled photon pair component (signal light, idler light) and an optical loop propagated counterclockwise from the first input / output terminal 101-1 of the polarization separation / combination module 101. An intermediate SHG light component generated by the excitation light is output. On the other hand, a strong input excitation light component, a clockwise intermediate SHG light component, a transiently generated signal light component, and an idler light component are theoretically generated by the fourth input / output terminal 101-of the polarization beam splitting / combining module 101. 4 is output.

すなわち、所望の偏波もつれ光子対が出力される入出力端(偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1)からは、光強度が強く、またもつれ光子対と波長が近傍した、入力励起光成分、並びに、不要な過渡的なシグナル光・アイドラー光は、理想的には出力されない。   That is, from the input / output terminal (first input / output terminal 101-1 of the polarization separation / combination module 101) from which the desired polarization entangled photon pair is output, the light intensity is strong and the wavelength of the entangled photon pair is close. Ideally, the input excitation light component and unnecessary transient signal light / idler light are not output.

偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1からの出力光は、光サーキュレータ106の第2入出力端106−2に入力され、第3入出力端106−3に出力される。但し、ここでは、光サーキュレータ106の波長依存性を取りあえず無視する。   The output light from the first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101 is input to the second input / output terminal 106-2 of the optical circulator 106 and output to the third input / output terminal 106-3. However, here, the wavelength dependence of the optical circulator 106 is ignored for the time being.

光サーキュレータ106の第3入出力端106−3からの出力光は、まず、光ローパスフィルタ107を通過することにより、波長λp/2のSHG光成分(反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間SHG光成分)が除去される。   The output light from the third input / output terminal 106-3 of the optical circulator 106 first passes through the optical low-pass filter 107, and is generated by the SHG light component having the wavelength λp / 2 (excitation light propagating counterclockwise). Intermediate SHG light component) is removed.

次に、WDMフィルタ108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)を別々の光経路に切り分けて出力する。このようなWDMフィルタ108としては、少なくともシグナル光波長(λs)、アイドラー光波長(λi)を透過波長成分として有する、いわゆるAWG型のWDMフィルタなどを用いることができる。WDMフィルタ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、光ファイバ通信網など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は同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。   Next, the WDM filter 108 divides the signal light wavelength component (λs) and the idler light wavelength component (λi) into separate optical paths and outputs them. As such a WDM filter 108, a so-called AWG type WDM filter having at least a signal light wavelength (λs) and an idler light wavelength (λi) as transmission wavelength components can be used. The signal light wavelength component and the idler light wavelength component that have passed through the WDM filter 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 desired quantum information communication technology by performing simultaneous measurement and the like.

以上のように、第1の実施形態においては、SPDC過程の種光となる、波長λp/2の(中間)SHG光は、偏波分離合成モジュール101の構成する光ループLPの外部から供給することなく、光ループLP中に配置された2次非線形光学媒質102ないしは103内で自律的に生成される。そして、この中間SHG光は、2つの2次非線形光学媒質102、103及び第2の1/2波長板105で構成する光路部分以外では不要な光成分である。すなわち、上述した光路以外では、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、偏波分離合成モジュール101や光サーキュレータ106などは、波長λp近傍で所望の動作をするもので良く、波長λp/2で動作する必要がないため、従来技術のような特殊な光部品を用いる必要がない。この点は、2次非線形光学媒質へ励起光を入力するためのレンズ系などの結合光学系に関しても言え、すなわち、波長λp/2及びλpの双方で動作する結合系である必要はなく、λpでのみ動作する結合系で良い。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を実現することができる。   As described above, in the first embodiment, the (intermediate) SHG light having the wavelength λp / 2, which is the seed light in the SPDC process, is supplied from the outside of the optical loop LP formed by the polarization splitting / combining module 101. Without being generated, it is autonomously generated in the second-order nonlinear optical medium 102 or 103 arranged in the optical loop LP. The intermediate SHG light is an unnecessary light component other than the optical path portion formed by the two second-order nonlinear optical media 102 and 103 and the second half-wave plate 105. That is, it is not necessary to propagate it without loss or to optically connect it to an optical component other than the optical path described above. As a result, the polarization splitting / combining module 101, the optical circulator 106, and the like may perform desired operations in the vicinity of the wavelength λp, and do not need to operate at the wavelength λp / 2. Need not be used. This point can also be said for a coupling optical system such as a lens system for inputting excitation light to the second-order nonlinear optical medium, that is, it is not necessary to be a coupling system that operates at both wavelengths λp / 2 and λp. It can be a coupled system that only works with. As a result, the manufacturing cost of the device is reduced, and excessive light loss and the like can be reduced, and a higher-purity quantum entangled state can be realized.

さらに言えば、波長λp/2の中間SHG光は、2つの2次非線形光学媒質内以外では不要な光成分であるため、偏波分離合成モジュール101や結合レンズ系で多大な光損失を受けてもなんら問題はなく、むしろその場合、後段の光ローパスフィルタ107で必要とされるSHG光成分除去のためのフィルタ透過特性への負荷が小さくなり、望ましい。   Furthermore, since the intermediate SHG light of wavelength λp / 2 is an unnecessary light component other than in the two second-order nonlinear optical media, it receives a great amount of light loss in the polarization separation / combination module 101 and the coupling lens system. There is no problem at all, and in that case, it is desirable that the load on the filter transmission characteristic for removing the SHG light component required in the optical low-pass filter 107 in the subsequent stage is reduced.

さらにまた、第1の実施形態においては、所望する量子もつれ光子対が光ループLP外へ出力される光出力端(偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1)からは、所望する量子もつれ光子対と波長近傍し、かつ、所望する量子もつれ光子対と同等あるいはそれ以上の光強度を有する、入力励起光成分や過渡的なシグナル光、アイドラー光といった光成分が、原理的には出力されることがない。   Furthermore, in the first embodiment, a desired quantum entangled photon pair is output from the optical output terminal (the first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101) from which the desired quantum entangled photon pair is output outside the optical loop LP. In principle, light components such as the input excitation light component, transient signal light, and idler light that are close to the wavelength of the entangled photon pair and have the same or higher light intensity as the desired entangled photon pair Is never output.

ゆえに、所望する量子もつれ光子対の出力端に、光強度の強い入力励起光成分の漏れ光成分が混在することがないため、所望する量子もつれ光子対の波長が入力励起光波長に十分近い場合でも動作させることができる。原理的に言えば、同一とすることもできる(すなわち、λs=λi=λp)。   Therefore, when the desired entangled photon pair wavelength is sufficiently close to the input excitation light wavelength because the leaked light component of the strong excitation light input excitation component is not mixed at the output end of the desired entangled photon pair. But you can make it work. In principle, they can be the same (ie, λs = λi = λp).

このことは、発生する量子もつれ光子対の有する全波長帯域をより有効に活用するという点で、実用上有用である。特に、波長が同じ相関光子対(すなわち、λs=λi)であるとき、波長に関しても光子の識別不可能性が生じ、これも高度な量子情報通信技術にとって望ましい。また、量子もつれ光子対の有する全波長帯域を狭くするような構造上の工夫を施した2次非線形光学媒質を用いて、単位波長辺りのもつれ光子対発生効率が高い、高効率量子もつれ光子対発生などにも有用となる。   This is practically useful in that the entire wavelength band of the generated entangled photon pair is more effectively used. In particular, when the wavelength is the same correlated photon pair (ie, λs = λi), photon indistinguishability also occurs with respect to wavelength, which is also desirable for advanced quantum information communication technology. In addition, a high-efficiency quantum entangled photon pair with high generation efficiency of entangled photon pairs per unit wavelength is obtained by using a second-order nonlinear optical medium with a structural device that narrows the entire wavelength band of the entangled photon pair. It is also useful for occurrence.

第1及び第2の2次非線形光学媒質102及び103としては、所望の量子もつれ光子対の波長に応じて、LiNbO結晶やPPLN結晶などのバルク結晶や、それに光導波路構造を作りこんだPPLN導波路など様々な2次非線形光学媒質を利用できる。波長1.5ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を考えた場合、上記特許文献2や非特許文献1で用いられているLiNbO結晶は、その代表的な例である。 As the first and second second-order nonlinear optical media 102 and 103, depending on the wavelength of the desired entangled photon pair, bulk crystals such as LiNbO 3 crystal and PPLN crystal, and PPLN in which an optical waveguide structure is built in it. Various second-order nonlinear optical media such as waveguides can be used. When considering a entangled photon pair generator with a wavelength of 1.5 microns, the LiNbO 3 crystal used in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 is a typical example.

一方、第1の実施形態を実行するに当たっては、2次非線形光学媒質102、103内でのSHG発生とSPDC発生を高効率に実行することが、特に産業応用上重要である。そのためにはSHG発生過程とSPDC発生過程のそれぞれにおける、入力励起光とSHG光との位相整合条件、さらにはSHG光とシグナル光、アイドラー光との位相整合条件が重要である。   On the other hand, when executing the first embodiment, it is particularly important for industrial application to execute SHG generation and SPDC generation in the second-order nonlinear optical media 102 and 103 with high efficiency. For this purpose, the phase matching condition between the input excitation light and the SHG light and the phase matching condition between the SHG light, the signal light, and the idler light in each of the SHG generation process and the SPDC generation process are important.

バルク結晶を用いた場合、角度整合を用いた位相整合を用いるのが一般的であるが、この場合、特許文献1などにも示されるように、シグナル光とアイドラー光との空間的分離により、量子もつれ状態の純度が劣化するのが問題となる。   When a bulk crystal is used, it is common to use phase matching using angle matching. In this case, as shown in Patent Document 1 or the like, by spatial separation of signal light and idler light, The problem is that the purity of the entangled state deteriorates.

一方、強誘電体の周期的分極反転構造など、2次非線形光学係数が空間的に変調された構造を用いると、角度整合に依らず擬似的な位相整合条件を実現することができるメリットがある。   On the other hand, using a structure in which the second-order nonlinear optical coefficient is spatially modulated, such as a periodic polarization inversion structure of a ferroelectric material, has an advantage that a pseudo phase matching condition can be realized regardless of angle matching. .

さらにまた、光導波路構造を作り込んだ2次非線形光学媒質では、上述のような空間分離の問題を改善できると共に、強い光閉じ込めによる実効的な2次非線形光学係数の増加により、SHG発生、SPDC発生確率を増加できるメリットがある。   Furthermore, in the second-order nonlinear optical medium incorporating the optical waveguide structure, it is possible to improve the above-described spatial separation problem, and to increase the effective second-order nonlinear optical coefficient due to strong optical confinement, thereby generating SHG and SPDC. There is an advantage that the probability of occurrence can be increased.

上述の理由から、第1の実施形態が意図している、波長1.5ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を構成する2次非線形光学媒質102、103としては、PPLN導波路がその最適な一例である。   For the above-described reason, the PPLN waveguide is optimal as the second-order nonlinear optical mediums 102 and 103 constituting the entangled photon pair generating device with a wavelength of 1.5 micron band intended by the first embodiment. It is an example.

PPLN導波路におけるSHG発生過程、SPDC発生過程におけるエネルギー保存則、運動量保存則(すなわち、位相整合条件)は(2)式〜(5)式のようになる。波数及び波長は、PPLN導波路内での実効屈折率nを介して(6)式の関係がある。

Figure 2014067061
The energy conservation law and the momentum conservation law (that is, the phase matching condition) in the SHG generation process, the SPDC generation process in the PPLN waveguide are as shown in Expressions (2) to (5). The wave number and the wavelength have a relationship of the expression (6) via the effective refractive index n in the PPLN waveguide.
Figure 2014067061

(2)式及び(4)式はエネルギー保存則に基づく各光成分の波長の関係を表している。すなわち、SHG光は入力励起光の半分の波長であり、また、このSHG光を種光として生成するシグナル光、アイドラー光の光周波数(=c/λ、cは真空中での光速)の和は、SHG光の光周波数に等しく、同時にまた入力励起光の光周波数の半分に等しいことを意味する。   Equations (2) and (4) represent the wavelength relationship of each light component based on the energy conservation law. That is, the SHG light has a half wavelength of the input excitation light, and the sum of the optical frequencies of the signal light and idler light (= c / λ, where c is the speed of light in vacuum) generated using the SHG light as seed light. Means equal to the optical frequency of the SHG light and simultaneously equal to half the optical frequency of the input pumping light.

(3)式及び(5)式が位相整合に関わる式である。励起光波長λpと、PPLN導波路形状から実効屈折率n、nSHGが決定されれば、(3)式及び(6)式に基づいて分極反転周期Λが決定される。 Equations (3) and (5) relate to phase matching. If the effective refractive index n p and n SHG are determined from the excitation light wavelength λp and the shape of the PPLN waveguide, the polarization inversion period Λ is determined based on the equations (3) and (6).

シグナル光、アイドラー光の波長が異なるとした場合(λs≠λp、λi≠λp)、一般に(3)式及び(5)式は両立しない。つまり、SHG過程とSPDC過程の位相整合条件は一般には両立しない。   When the wavelengths of the signal light and idler light are different (λs ≠ λp, λi ≠ λp), generally, the equations (3) and (5) are not compatible. That is, the phase matching conditions of the SHG process and the SPDC process are generally incompatible.

よく知られた非線形光学効果を記述する結合モード方程式の解から、位相不整合の場合、発生確率は{sin(δL/2)}/(δL/2)に比例して低下していくと考えられる。ここで、δは(7)式で表されるSPDC過程における位相不整合量、LはPPLN導波路長である。

Figure 2014067061
In the case of phase mismatch, the probability of occurrence decreases in proportion to {sin 2 (δL / 2)} / (δL / 2) 2 from the solution of the coupled mode equation describing the well-known nonlinear optical effect. it is conceivable that. Here, δ is a phase mismatch amount in the SPDC process expressed by the equation (7), and L is a PPLN waveguide length.
Figure 2014067061

発生確率の低下が最大値(位相整合下の値)の50%までを、仮に許容不整合量と仮定すると、{sin(δL/2)}/(δL/2)=0.5から≒2.78となる。これがSPDC過程において生じる相関光子対の波長帯域を制限する。すなわち、相関光子対として発生するシグナル光及びアイドラー光の波長範囲を決定する。 Assuming that the decrease in occurrence probability is 50% of the maximum value (value under phase matching) as an allowable mismatch amount, {sin 2 (δL / 2)} / (δL / 2) 2 = 0.5 ≒ 2.78. This limits the wavelength band of correlated photon pairs that occur in the SPDC process. That is, the wavelength range of signal light and idler light generated as a correlated photon pair is determined.

また、実効屈折率の波長変化が励起光波長近傍でほぼ線形である場合、すなわち励起光波長近傍での実効屈折率が(8)式で表される範囲では、(4)式、(6)式及び(8)式を用いて、(9)式が得られ、すなわち、この範囲で位相整合条件の(3)式及び(5)式は両立する。

Figure 2014067061
Further, when the wavelength change of the effective refractive index is substantially linear in the vicinity of the excitation light wavelength, that is, in the range where the effective refractive index in the vicinity of the excitation light wavelength is expressed by the expression (8), the expressions (4) and (6) Expression (9) is obtained using Expression (8) and Expression (8), that is, Expression (3) and Expression (5) of the phase matching condition are compatible within this range.
Figure 2014067061

以上の検討から、第1の実施形態の量子もつれ光子対発生装置10を実現するためには、まず、SHG発生の位相整合条件である(3)式を満足するようにPPLN導波路の分極反転周期Λを決定すれば良いことが分かる。その結果、(5)式で示すSPDC発生過程における位相整合を満足するか、少なくとも許容範囲のうちの位相不整合量内にある波長組み合わせ(λs、λi)の相関光子対がSPDC過程に基づいて発生し、その結果、所望する量子もつれ光子対が発生できるものと期待できる。   From the above examination, in order to realize the quantum entangled photon pair generation device 10 of the first embodiment, first, the polarization inversion of the PPLN waveguide is satisfied so as to satisfy the expression (3) which is the phase matching condition for SHG generation. It can be seen that the period Λ may be determined. As a result, the correlated photon pair of the wavelength combination (λs, λi) that satisfies the phase matching in the SPDC generation process expressed by the equation (5) or at least within the phase mismatch amount within the allowable range is based on the SPDC process. As a result, it can be expected that a desired entangled photon pair can be generated.

(A−3)第1の実施形態の効果
第1の実施形態の量子もつれ光子対発生装置10によれば、以下の効果を奏することが期待できる。
(A-3) Effects of First Embodiment According to the quantum entangled photon pair generation device 10 of the first embodiment, the following effects can be expected.

すなわち、従来技術と異なり、SPDC過程の種光となる波長λp/2のSHG光を、偏波分離合成モジュール101の形成する光ループLPの光路外部から供給することなく、光ループLPの光路中に配置された2つの2次非線形光学媒質102、103自身で発生させる。ここで発生させたSHG光は、2次非線形光学媒質102、103以外の光部品で不要な成分であり、すなわち、その他の装置構成部品において、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、装置を構成する、偏波分離合成モジュール、結合レンズなどの光学部品において、波長λp、λp/2での両方で動作する特殊な光部品を用いる必要がない。また、所望する量子もつれ光子対の出力端において、当該量子もつれ光子対と波長が近傍し、かつ、当該量子もつれ光子対と光強度が同程度あるいはより強い、入力励起光などの不要な光成分が、原理的には混在して出力されることがない。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減できる。また、使用するもつれ光子対の波長帯域を広くとったり、狭くとったりといった、より柔軟な装置設計にも対応でき、かつ高純度な量子もつれ状態を生成できる、量子もつれ光子対発生装置を提供することができる。   That is, unlike the prior art, the SHG light having the wavelength λp / 2, which is the seed light in the SPDC process, is not supplied from the outside of the optical path LP formed by the polarization beam splitting / combining module 101, but in the optical path of the optical loop LP Are generated by the two second-order nonlinear optical media 102 and 103 themselves. The SHG light generated here is an unnecessary component in the optical components other than the second-order nonlinear optical media 102 and 103. That is, in other device components, it is propagated without loss, or is transmitted to the optical components. There is no need for optical connection. As a result, it is not necessary to use special optical components that operate at both wavelengths λp and λp / 2 in the optical components that constitute the apparatus, such as the polarization separation / synthesis module and the coupling lens. In addition, at the output end of the desired entangled photon pair, an unnecessary optical component such as input excitation light whose wavelength is close to that of the entangled photon pair and whose light intensity is the same or higher than that of the entangled photon pair. However, in principle, they are not mixedly output. As a result, the device manufacturing cost can be reduced and excessive light loss can be reduced. Also, it is possible to provide a entangled photon pair generation device that can cope with more flexible device design such as widening or narrowing the wavelength band of entangled photon pairs to be used and can generate a high-purity quantum entangled state. it can.

(A−4)第1の実施形態の変形実施形態
第1の実施形態に対し、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態を変形した実施形態を種々上げることができる。
(A-4) Modified Embodiments of the First Embodiment Various modifications can be made to the first embodiment in which the input / output configuration of the excitation light and the entangled photon pair is modified.

図5は、光サーキュレータを用いない構成の変形実施形態を示しており、図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。   FIG. 5 shows a modified embodiment in which the optical circulator is not used, and the same and corresponding parts as those in FIG. 1 are indicated by the same reference numerals.

図5に示す量子もつれ光子対発生装置10Aにおいては、WDMフィルタ108としてAWGを用いている。AWG108として、少なくともシグナル光波長(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を用いる。   In the entangled photon pair generation device 10A shown in FIG. 5, an AWG is used as the WDM filter. As the AWG 108, an AWG having at least three wavelengths of a signal light wavelength (λs), an idler light wavelength (λi), and an excitation light wavelength (λp) as transmission wavelength components is used.

AWG108においては、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、それぞれの透過波長に相当する透過光入出力ポートへ分波出力される。   The AWG 108 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 and output to the transmitted light input / output ports corresponding to the respective transmission wavelengths.

AWG108の上述した特性を利用して下記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モジュール101の第1入出力端101−1へ入力し、図1に示した第1の実施形態と同様にして2次非線形光学媒質102、103へ入力する。   Using the above-described characteristics of the AWG 108, the following configuration is adopted. That is, the pumping light is input to the transmitted light input / output port corresponding to the pumping 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 splitting / combining module 101. In the same manner as in the first embodiment shown in FIG.

偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力される、光ループLPからの出力光は、AWG108の共通入出力ポートへ入力され、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出力される。さらに、中間SHG波長成分を除去するために、必要であればシグナル光、アイドラー光の透過光入出力ポートに光ローパスフィルタ107−s、107−iを接続して、SHG光波長成分を除去する。   The output light from the optical loop LP output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization separation / combination module 101 is input to the common input / output port of the AWG 108, and the transmitted light corresponding to the signal light and idler light, respectively. Output to I / O port. Furthermore, in order to remove the intermediate SHG wavelength component, if necessary, the optical low pass filters 107-s and 107-i are connected to the transmitted light input / output ports of the signal light and idler light to remove the SHG light wavelength component. .

図6は、光サーキュレータを用いない構成の他の変形実施形態を示しており、図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。   FIG. 6 shows another modified embodiment in which the optical circulator is not used, and the same and corresponding parts as those in FIG. 1 are indicated by the same reference numerals.

図6に示す量子もつれ光子対発生装置10Bにおいては、波長λpの波長成分のみを選択的に透過(あるいは反射)する狭帯域な光バンドパスフィルタ110を用いる。ここで、シグナル光及びアイドラー光の波長は、光バンドパスフィルタ110の透過(又は反射)帯域に掛からないように、励起光波長λpから十分離れているものとする。   In the entangled photon pair generation device 10B shown in FIG. 6, a narrow band optical bandpass filter 110 that selectively transmits (or reflects) only the wavelength component of the wavelength λp is used. Here, it is assumed that the wavelengths of the signal light and the idler light are sufficiently separated from the excitation light wavelength λp so as not to enter the transmission (or reflection) band of the optical bandpass filter 110.

図6では、反射型光バンドパスフィルタ110を示している。光バンドパスフィルタ110の反射特性を利用して、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ波長λpの励起光を入力する。偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力される、光ループLPからの出力光のうち、励起光波長成分は、仮に残存成分があっても反射型光バンドパスフィルタ110で反射され、その透過ポートへは出力されない。この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、中間SHG波長成分を除去するために、光ローパスフィルタ107を接続して、中間SHG光波長分を除去する。その後、WDMフィルタ108に接続して、シグナル光、アイドラー光をそれぞれ分離出力する。   In FIG. 6, a reflective optical bandpass filter 110 is shown. Utilizing the reflection characteristics of the optical bandpass filter 110, the excitation light having the wavelength λp is input to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101. Of the output light from the optical loop LP that is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101, even if the pumping light wavelength component has a residual component, the reflective optical bandpass filter 110. And is not output to the transmission port. At this stage, the excitation light wavelength component is removed. Further, in order to remove the intermediate SHG wavelength component, an optical low-pass filter 107 is connected to remove the intermediate SHG light wavelength. Thereafter, the signal light and idler light are separated and output by being connected to the WDM filter 108.

図7は、光変換生成部の第1の実施形態以外の構成例を示す説明図である。図1に示した第1の実施形態では、光変換生成部100は、個別部品の第1の2次非線形光学媒質102、第2の1/2波長板105、第2の2次非線形光学媒質103が直列的に配置されて構成されるものであった。図7に示す光変換生成部100Cは、各構成要素を、同一結晶基板上に一括形成したものである。この一括形成構造は、下記の参照文献の300ページの図7に示される、集積化偏波無依存QPM−DFG波長変換デバイスの素子構造とほぼ類似の構造である。   FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a configuration example other than the first embodiment of the light conversion generation unit. In the first embodiment shown in FIG. 1, the light conversion generation unit 100 includes a first second-order nonlinear optical medium 102, a second half-wave plate 105, and a second second-order nonlinear optical medium that are individual components. 103 was arranged in series. The light conversion generation unit 100C shown in FIG. 7 is obtained by forming each component at once on the same crystal substrate. This collective formation structure is substantially similar to the element structure of the integrated polarization-independent QPM-DFG wavelength conversion device shown in FIG. 7 on page 300 of the following reference.

参照文献:宮澤信太郎・粟村直 監修、「分極反転デバイスの基礎と応用」、平成17年6月8日第1版第1刷発行、発行元(株)オプトロニクス社
図7に示す光変換生成部100Cの構造の実現においては、まず、単一のLiNbO基板上に、分極反転構造(図7(B)参照)と導波路構造(図7(A)参照)を形成し、PPLN導波路を形成する。その後、導波路の中心部に第2の1/2波長板105を埋め込む。第2の1/2波長板105を挟んだ一方のPPLN導波路部分が、第1の2次非線形光学媒質102と同様な機能を発揮する第1の2次非線形光学媒質部102Cとなっており、他方のPPLN導波路部分が、第2の2次非線形光学媒質103と同様な機能を発揮する第2の2次非線形光学媒質部103Cとなっている。
Reference: Supervised by Shintaro Miyazawa and Nao Sasamura, "Basics and Applications of Polarization Inversion Devices", June 8, 2005, First Edition, First Edition, Publisher Optronics Inc. Photo-conversion generator shown in Figure 7 In realizing the structure of 100C, first, a polarization inversion structure (see FIG. 7B) and a waveguide structure (see FIG. 7A) are formed on a single LiNbO 3 substrate, and a PPLN waveguide is formed. Form. Thereafter, the second half-wave plate 105 is embedded in the central portion of the waveguide. One PPLN waveguide portion sandwiching the second half-wave plate 105 is a first second-order nonlinear optical medium portion 102C that exhibits the same function as the first second-order nonlinear optical medium 102. The other PPLN waveguide portion serves as a second second-order nonlinear optical medium portion 103 </ b> C that exhibits a function similar to that of the second second-order nonlinear optical medium 103.

導波路構造としては、参照文献に記載されているように、TE、TM両偏波とも導波するZn拡散導波路を用いても良いが、この変形実施形態の場合、プロトン交換導波路のような、一方の偏波(この場合、TM偏波)に対してのみ導波路として機能し、それと直交する偏波(TE偏波)に対しては導波路として機能せず、むしろ大きな挿入損失を生じさせるような導波路とした方が、むしろ効果が大きい。   As described in the reference literature, a Zn diffusion waveguide that guides both TE and TM polarized waves may be used as the waveguide structure. However, in this modified embodiment, a proton exchange waveguide is used. However, it functions as a waveguide only for one polarized wave (in this case, TM polarized wave) and does not function as a waveguide for a polarized wave orthogonal to it (TE polarized wave). It is rather effective to use a waveguide that is generated.

すなわち、この場合、この変形実施形態のp偏波方向とTM偏波方向が合致するが、このとき、一段目の2次非線形光学媒質から出力される入力励起光、並びに、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、二段目の2次非線形光学媒質をTE偏波として伝播することにより、大きな伝播損失を受けることになるためである。すなわち、これらの光は、二段目の2次非線形光学媒質で大きな伝播損失を受けた上に、偏波分離合成モジュール101にて所望する量子もつれ光子対と偏波分離されるため、所望する量子もつれ光子対を出力する出力端(偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1)において、より大きな入力励起光、並びに、過渡的なシグナル光、アイドラー光の削減効果を得ることができる。   That is, in this case, the p-polarization direction and the TM polarization direction of this modified embodiment match, but at this time, the input excitation light output from the first-order second-order nonlinear optical medium and the transient signal light This is because idler light is subjected to a large propagation loss by propagating through the second-stage second-order nonlinear optical medium as TE polarized light. That is, these lights are subjected to a large propagation loss in the second-order nonlinear optical medium in the second stage, and are polarized and separated from the desired entangled photon pair in the polarization separation / combination module 101. At the output terminal (first input / output terminal 101-1 of the polarization splitting / combining module 101) that outputs the entangled photon pair, it is possible to obtain a larger input pumping light, and an effect of reducing transient signal light and idler light. Can do.

なお、以上までの説明では、入力励起光、入力励起光によって発生する中間SHG光、中間SHGによって発生するSPDC相関光子対の偏波方向が同一であるとして説明を行った。   In the above description, the polarization directions of the input excitation light, the intermediate SHG light generated by the input excitation light, and the SPDC correlation photon pair generated by the intermediate SHG are the same.

しかし、一方、入力励起光、中間SHG光、SPDC相関光子対の偏波方向が同一でない場合においても、第1の実施形態と同様な効果を得ることはできる。例えば、PPLNの2次非線形光学定数のd31成分を利用した場合、第1の1/2波長板104の配置箇所を、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2に近い側とすることで、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる。 On the other hand, even when the polarization directions of the input pump light, the intermediate SHG light, and the SPDC correlation photon pair are not the same, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. For example, when the d 31 component of the second-order nonlinear optical constant of PPLN is used, the arrangement location of the first half-wave plate 104 is closer to the second input / output end 101-2 of the polarization beam splitting / combining module 101. By doing so, the same effect as the first embodiment can be obtained.

(B)第2の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第2の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(B) Second Embodiment Next, a second embodiment of the entangled photon pair generating apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(B−1)第2の実施形態の構成
図8は、第2の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
(B-1) Configuration of Second Embodiment FIG. 8 is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the second embodiment, and is a diagram according to the first embodiment. The same and corresponding parts as those in FIG.

第2の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Dは、第1の実施形態で述べた動作を基本とし、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを、偏波分離合成モジュールの異なる入出力端を介してそれぞれ入出力するものである。   The polarization quantum entangled photon pair generation device 10D of the second embodiment is based on the operation described in the first embodiment, and the input excitation light and the desired quantum entangled photon pair are different from each other in the polarization separation / synthesis module. Input / output is performed via the input / output terminals.

図8において、第2の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Dは、第1の実施形態で用いた第1の1/2波長板104に代えて、ファラデー回転子と1/2波長板とからなる2組の非相反偏波面変換部(光学部品のペア)211、212を用いている。各非相反偏波面変換部211、212は、光ループLPの光路上で、第1の2次非線形光学媒質102、第2の1/2波長板105、第2の2次非線形光学媒質103とで構成される光変換生成部100を前後に挟んで配置される。なお、第1の実施形態で用いた光サーキュレータ106は、この第2の実施形態では使用されていない。   In FIG. 8, the polarization quantum entangled photon pair generation device 10D of the second embodiment replaces the first ½ wavelength plate 104 used in the first embodiment with a Faraday rotator and a ½ wavelength. Two sets of non-reciprocal polarization plane conversion units (pairs of optical components) 211 and 212 composed of plates are used. Each of the nonreciprocal polarization plane conversion units 211 and 212 includes a first second-order nonlinear optical medium 102, a second half-wave plate 105, and a second second-order nonlinear optical medium 103 on the optical path of the optical loop LP. The light conversion generation unit 100 configured by Note that the optical circulator 106 used in the first embodiment is not used in the second embodiment.

符号207、209を付した構成要素はそれぞれ、波長λpの励起光に対して45°だけ偏波回転させる第1、第2のファラデー回転子であり、符号208、210を付した構成要素はそれぞれ、第1の実施形態で用いた第1の1/2波長板104と同様に、波長λpの光に対していわゆる1/2波長板として動作する、第3、第4の1/2波長板である。   The constituent elements denoted by reference numerals 207 and 209 are first and second Faraday rotators that rotate the polarization by 45 ° with respect to the excitation light having the wavelength λp, respectively, and the constituent elements denoted by reference numerals 208 and 210 respectively Similarly to the first half-wave plate 104 used in the first embodiment, third and fourth half-wave plates that operate as a so-called half-wave plate for light of wavelength λp. It is.

第1のファラデー回転子207と第3の1/2波長板208のペアで第1の非相反偏波面変換部211が構成され、同様に、第2のファラデー回転子209と第4の1/2波長板2のペアで第2の非相反偏波面変換部212が構成されている。第1及び第2の非相反偏波面変換部211及び212は同様なものである。   A pair of the first Faraday rotator 207 and the third half-wave plate 208 constitutes the first nonreciprocal polarization plane converter 211, and similarly, the second Faraday rotator 209 and the fourth 1 / A second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212 is configured by a pair of two-wavelength plates 2. The first and second non-reciprocal polarization plane conversion units 211 and 212 are similar.

各非相反偏波面変換部211、212における構成要素の光学軸方向の関係は、図9に示すように調整されている。なお、図9は、第1の非相反偏波面変換部211における構成要素の光学軸方向の関係を示しているが、第2の非相反偏波面変換部212においても同様である。   The relationship in the optical axis direction of the constituent elements in each of the nonreciprocal polarization plane conversion units 211 and 212 is adjusted as shown in FIG. FIG. 9 shows the relationship in the optical axis direction of the components in the first non-reciprocal polarization plane conversion unit 211, but the same applies to the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212.

第1の非相反偏波面変換部211において、第1のファラデー回転子207側あるいは第3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する。動作の項で詳述するが、この特定偏波方向は、偏波分離合成モジュール101におけるp偏波方向若しくはs偏波方向の一方に一致する。第3の1/2波長板208の光学軸は、この特定偏波方向(図9ではp偏波方向として図示されている)と22.5°の角をなすように調整されている。   In the first nonreciprocal polarization plane converter 211, linearly polarized excitation light in a specific polarization direction is input from the first Faraday rotator 207 side or the third half-wave plate 208 side. As will be described in detail in the operation section, this specific polarization direction coincides with either the p-polarization direction or the s-polarization direction in the polarization separation / combination module 101. The optical axis of the third half-wave plate 208 is adjusted to make an angle of 22.5 ° with this specific polarization direction (shown as the p-polarization direction in FIG. 9).

偏波分離合成モジュール101、第1の2次非線形光学媒質102、第2の1/2波長板105、第2の2次非線形光学媒質103、光ローパスフィルタ107及びWDMフィルタ108は、第1の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。   The polarization separation / combination module 101, the first second-order nonlinear optical medium 102, the second half-wave plate 105, the second second-order nonlinear optical medium 103, the optical low-pass filter 107, and the WDM filter 108 are The function is the same as that of the embodiment, and the explanation of the function is omitted.

(B−2)第2の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第2の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Dの動作を説明する。
(B-2) Operation of the Second Embodiment Next, the operation of the polarization entangled photon pair generation device 10D of the second embodiment having the above configuration will be described.

第1の実施形態の場合と同様に、p偏波方向に対して偏波方向が45°だけ傾いている直線偏波の波長λpの励起光が偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ入力されると、同じ強度のp偏波成分、s偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2、第3入出力端101−3へ出力される。   As in the case of the first embodiment, the first input / output terminal of the polarization splitting / combining module 101 is excited by light having a wavelength λp of linear polarization whose polarization direction is inclined by 45 ° with respect to the p polarization direction. When the signal is input to 101-1, it is separated into a p-polarization component and an s-polarization component having the same intensity, and the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101, respectively. Is output.

以下では、まず、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3へ出力され、光ループLPを反時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。   In the following, an operation on pumping light that is output to the third input / output terminal 101-3 of the polarization splitting / combining module 101 and circulates the optical loop LP counterclockwise will be described.

偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3へ出力されたs偏波の励起光は、第1の非相反偏波面変換部211を通過する。このときの第1の非相反偏波面変換部211内における偏波状態の変化を、図9(A)を参考にして説明する。   The s-polarized pump light output to the third input / output terminal 101-3 of the polarization splitting / combining module 101 passes through the first non-reciprocal polarization plane conversion unit 211. A change in the polarization state in the first nonreciprocal polarization plane converter 211 at this time will be described with reference to FIG.

図9(A)において、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3へ出力されたs偏波の励起光を、右向きの矢印で表している。このs偏波励起光が第1のファラデー回転子207を通過する。第1のファラデー回転子207を通過することによって、図中反時計回りに45°の偏波回転が生じる。その結果、第1のファラデー回転子207からの出力光の偏波方向は、右斜め上45°向きの矢印で表される。このような偏波方向を有する第1のファラデー回転子207からの出力光が第3の1/2波長板208を通過する。第3の1/2波長板208の偏波方向(光学軸)は、特定偏波方向(p偏波方向)と22.5°の角をなしている。第3の1/2波長板208に入力する光の偏波方向は、p偏波方向に対して45°の傾きを有するため、第3の1/2波長板208の光学軸に対しては22.5°の角を有し、その結果、第3の1/2波長板208からの出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。   In FIG. 9A, the s-polarized pump light output to the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101 is represented by a right-pointing arrow. This s-polarized pump light passes through the first Faraday rotator 207. Passing the first Faraday rotator 207 causes a 45 ° polarization rotation counterclockwise in the figure. As a result, the polarization direction of the output light from the first Faraday rotator 207 is represented by an arrow directed obliquely upward 45 ° to the right. The output light from the first Faraday rotator 207 having such a polarization direction passes through the third half-wave plate 208. The polarization direction (optical axis) of the third half-wave plate 208 forms an angle of 22.5 ° with the specific polarization direction (p polarization direction). Since the polarization direction of the light input to the third half-wave plate 208 has an inclination of 45 ° with respect to the p-polarization direction, the optical axis of the third half-wave plate 208 is As a result, the polarization direction of the output light from the third half-wave plate 208 can be represented by the direction of the upward arrow.

このことは、第3の1/2波長板208を通過して出力された励起光の偏波方向がp偏波方向となっていることを意味する。すなわち、第1の非相反偏波面変換部211内を、第1のファラデー回転子207、第3の1/2波長板208の順番で通過した励起光は、偏波方向が反時計回りに90°だけ回転される。なお、このような偏波方向の回転は、第2の非相反偏波面変換部212でも同様である。このような回転は、1/2波長板の光学軸が、p偏波方向あるいはs偏波方向と22.5°の角をなすように調整されているときに生じる。   This means that the polarization direction of the pump light output through the third half-wave plate 208 is the p-polarization direction. That is, 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 third half-wave plate 208 has a polarization direction counterclockwise of 90. Rotated only by °. Note that the rotation in the polarization direction is the same in the second nonreciprocal polarization plane conversion unit 212. Such rotation occurs when the optical axis of the half-wave plate is adjusted to make an angle of 22.5 ° with the p-polarization direction or the s-polarization direction.

第1の非相反偏波面変換部211から出力された励起光は、第1の2次非線形光学媒質102に入力され、その結果、第1の実施形態と同様に、第2の2次非線形光学媒質103から、s偏波の励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。   The excitation light output from the first non-reciprocal polarization plane conversion unit 211 is input to the first second-order nonlinear optical medium 102, and as a result, the second second-order nonlinear optical as in the first embodiment. From the medium 103, s-polarized excitation light, transient signal light, idler light, p-polarized intermediate SHG light, and a desired SPDC correlation photon pair are generated.

これらの光は、次に、第2の非相反偏波面変換部212に入力される。このとき、励起光、並びに、それと波長が近い過渡的なシグナル光、アイドラー光、並びに、SPDC相関光子対は、第1の非相反偏波面変換部211を通過した場合と同様に、第2の非相反偏波面変換部212を通過することにより、偏波状態が90°だけ回転される。つまり、励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光はp偏波に変換され、所望するSPDC相関光子対はs偏波に変換される。   These lights are then input to the second nonreciprocal polarization plane converter 212. At this time, the excitation light and the transient signal light, idler light, and SPDC correlation photon pair having a wavelength close to that of the pump light are the same as when the second nonreciprocal polarization conversion unit 211 passes through the second By passing through the nonreciprocal polarization plane converter 212, the polarization state is rotated by 90 °. That is, excitation light, transient signal light, and idler light are converted to p-polarized light, and a desired SPDC correlation photon pair is converted to s-polarized light.

その後、以上のように光ループLPを反時計回りに伝播してきた、波長が近い、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、及び、SPDC相関光子対は、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2に入力される。このとき、偏波状態がs偏波であるSPDC相関光子対は、第4入出力端101−4へ出力される。すなわち、最初に励起光が入力された第1入出力端とは異なる第4入出力端から、SPDC相関光子対が出力される。   Thereafter, the excitation light, the transient signal light, the idler light, and the SPDC correlation photon pair that have propagated counterclockwise in the optical loop LP as described above, 2 Input to the input / output terminal 101-2. At this time, the SPDC correlation photon pair whose polarization state is s-polarization is output to the fourth input / output terminal 101-4. That is, an SPDC correlation photon pair is output from a fourth input / output terminal different from the first input / output terminal to which excitation light is first input.

それに対し、偏波状態がp偏波である励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、最初に励起光が入力された入出力端と同じ第1入出力端101−1へ出力される。   On the other hand, pumping light whose polarization state is p-polarized light, transient signal light, and idler light are output to the first input / output terminal 101-1 that is the same as the input / output terminal to which pumping light is first input. Is done.

次に、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2へ出力され、光ループLPを時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。   Next, an operation for the pumping light that is output to the second input / output terminal 101-2 of the polarization splitting / combining module 101 and circulates in the optical loop LP clockwise will be described.

偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2へ出力されたp偏波の励起光は、第2の非相反偏波面変換部212を、第3の1/2波長板210、第2のファラデー素子209の順番に通過する。このときの偏波状態の変化を、図9(B)を参照しながら説明する。図9は、第1の非相反偏波面変換部211について示しているが、上述したように、第2の非相反偏波面変換部212についても同様であり、図9における符号「207」を符号「209」と、符号「208」を符号「210」と置き換えて見れば、図9は、第2の非相反偏波面変換部212を表している図面と見ることができる。   The p-polarized excitation light output to the second input / output terminal 101-2 of the polarization splitting / combining module 101 passes through the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212, the third half-wave plate 210, the first The second Faraday element 209 passes in the order. The change in the polarization state at this time will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows the first non-reciprocal polarization plane conversion unit 211, but as described above, the same applies to the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212, and reference numeral “207” in FIG. If “209” and “208” are replaced with “210”, FIG. 9 can be regarded as a drawing showing the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212.

図9(B)において、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2へ出力された励起光はp偏波であるから、図中上向きの矢印で表す。このp偏波励起光が第4の1/2波長板210を通過する。第4の1/2波長板210への励起光の偏波方向は、第4の1/2波長板210の光学軸と22.5°の角をなしているため、その結果、第4の1/2波長板210の出力光の偏波方向は右斜め上45°向き矢印の方向で表すことができる。次に、第2のファラデー回転子209を通過するとき、反時計回りに45°だけ回転するため、その結果、第2のファラデー回転子209の出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。すなわち、第2の非相反偏波面変換部212を通過してもp偏波のままである。   In FIG. 9B, since the excitation light output to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitting / combining module 101 is p-polarized light, it is represented by an upward arrow in the figure. This p-polarized excitation light passes through the fourth half-wave plate 210. Since the polarization direction of the excitation light to the fourth half-wave plate 210 forms an angle of 22.5 ° with the optical axis of the fourth half-wave plate 210, as a result, The polarization direction of the output light of the half-wave plate 210 can be represented by the direction of the arrow pointing 45 ° diagonally right upward. Next, when passing through the second Faraday rotator 209, it rotates by 45 ° counterclockwise, and as a result, the polarization direction of the output light of the second Faraday rotator 209 is represented by the direction of the upward arrow. be able to. That is, even if it passes through the second nonreciprocal polarization plane converter 212, it remains p-polarized.

以上のように、第2の非相反偏波面変換部212内を、第4の1/2波長板210、第2のファラデー回転子209の順番で通過した励起光は、偏波方向が回転されない。このような無回転は、第1の非相反偏波面変換部211でも同様である。この無回転は、1/2波長板の光学軸が、p偏波方向あるいはs偏波方向と22.5°の角をなすように調整されているときに生じる。   As described above, the polarization direction of the excitation light that has passed through the second non-reciprocal polarization plane converter 212 in the order of the fourth half-wave plate 210 and the second Faraday rotator 209 is not rotated. . Such non-rotation is the same in the first non-reciprocal polarization plane converter 211. This non-rotation occurs when the optical axis of the half-wave plate is adjusted to make an angle of 22.5 ° with the p-polarization direction or the s-polarization direction.

以上から明らかなように、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2から出力され、第2の非相反偏波面変換部212を通過した励起光は、p偏波の励起光として、第2の2次非線形光学媒質103に入力される。その結果、第1の実施形態と同様に、第1の2次非線形光学媒質102から、s偏波の励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。   As is clear from the above, the pumping light output from the second input / output terminal 101-2 of the polarization splitting / combining module 101 and having passed through the second nonreciprocal polarization plane converter 212 is used as p-polarized pumping light. , And input to the second second-order nonlinear optical medium 103. As a result, as in the first embodiment, s-polarized pump light, transient signal light, idler light, and p-polarized intermediate SHG light are desired from the first second-order nonlinear optical medium 102. An SPDC correlated photon pair is generated.

これらの光は、次に、第1の非相反偏波面変換部211を通過する。ここでも、励起光、並びに、それと波長が近い過渡的なシグナル光、アイドラー光、SPDC相関光子対は、偏波状態をそのままに通過する。   These lights then pass through the first nonreciprocal polarization plane converter 211. Here, too, the excitation light and the transient signal light, idler light, and SPDC correlation photon pair having a wavelength close to that of the excitation light pass through the polarization state as they are.

その後、以上のように光ループLPを時計回りに伝播してきた、波長が近い、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、及び、SPDC相関光子対は、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3に入力される。このとき、偏波状態がp偏波であるSPDC相関光子対は、第4入出力端101−4へ出力される。すなわち、最初に励起光が入力された第1入出力端とは異なる第4入出力端から、SPDC相関光子対が出力される。   Thereafter, the excitation light, the transient signal light, the idler light, and the SPDC correlation photon pair that have propagated clockwise through the optical loop LP as described above are the third of the polarization separation / combination module 101. Input to the input / output terminal 101-3. At this time, the SPDC correlation photon pair whose polarization state is p-polarization is output to the fourth input / output terminal 101-4. That is, an SPDC correlation photon pair is output from a fourth input / output terminal different from the first input / output terminal to which excitation light is first input.

そして、その時計回りに伝播してきたSPDC相関光子対が入力された第4入出力端は、上述した光ループLPを反時計回りに伝播してきたSPDC相関光子対が出力される入出力端と同一であるが、時計回りに伝播してきたSPDC相関光子対の偏波方向は、反時計回りに伝播してきたSPDC相関光子対の偏波方向とは直交している。   The fourth input / output terminal to which the SPDC correlated photon pair propagating clockwise is input is the same as the input / output terminal to which the SPDC correlated photon pair propagating counterclockwise is output. However, the polarization direction of the SPDC correlation photon pair propagating clockwise is orthogonal to the polarization direction of the SPDC correlation photon pair propagating counterclockwise.

これに対し、偏波状態がs偏波である励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、最初に励起光が入力された入出力端と同じ、第1入出力端101−1へ出力される。   On the other hand, the pumping light whose polarization state is s-polarized light, the transient signal light, and idler light are the same as the first input / output terminal 101-1, which is the same as the input / output terminal to which the pumping light is first input. Is output.

すなわち、この第2の実施形態の場合、偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4から、偏波量子もつれ光子対が発生される。   That is, in the case of the second embodiment, a polarization quantum entangled photon pair is generated from the fourth input / output terminal 101-4 of the polarization beam splitting / combining module 101.

次に、それぞれの2次非線形光学媒質102、103から発生した、波長が半分(λp/2)の中間SHG光が、第1の非相反偏波面変換部211、及び、第2の非相反偏波面変換部212を通過するときの偏波状態を考える。まず、1/2波長板は、SHG光に対しては1波長板であるので、ここではなんらの偏波回転も生じない。一方、ファラデー回転子においては、波長が励起光の半分であるため、偏波回転角が90°となる。   Next, the intermediate SHG light having a half wavelength (λp / 2) generated from the respective second-order nonlinear optical media 102 and 103 is converted into the first nonreciprocal polarization plane converter 211 and the second nonreciprocal polarization. Consider the polarization state when passing through the wavefront converter 212. First, since the half-wave plate is a one-wave plate for SHG light, no polarization rotation occurs here. On the other hand, since the wavelength of the Faraday rotator is half that of the excitation light, the polarization rotation angle is 90 °.

すなわち、非相反偏波面変換部(211、212)は、中間SHG光に対しては、ファラデー回転子と1/2波長板をどの順番で通過しても90°だけ偏波回転を与える(図9(C)、(D))。   In other words, the nonreciprocal polarization plane conversion units (211 and 212) rotate the SHG light by 90 ° regardless of the order of passing through the Faraday rotator and the half-wave plate (see FIG. 9 (C), (D)).

図10は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュール101の入出力端を示す説明図である。図10に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端(ここでは第1入出力端101−1)とは異なるポート(ここでは第4入出力端101−4)から、光ループLPを反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間SHG光成分と共に出力される。   FIG. 10 is an explanatory diagram showing the input / output terminals of the polarization beam splitting / combining module 101 that inputs / outputs pumping light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light, idler light). . As shown in FIG. 10, the desired entangled photon pair has a port (here, the fourth input / output terminal 101-4) different from the input / output terminal (here, the first input / output terminal 101-1) for inputting the excitation light. ) To be output together with the intermediate SHG light component generated by the excitation light propagating counterclockwise through the optical loop LP.

一方、第1の実施形態の場合と同様、このポート(ここでは第4入出力端101−4)からは、入力励起光成分、過渡的なシグナル光、アイドラー光成分、並びに、光ループLPを時計回りに伝播した励起光によって発生した中間SHG光成分は出力されない。これらの光成分は全て、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ出力される。   On the other hand, as in the case of the first embodiment, the input excitation light component, the transient signal light, the idler light component, and the optical loop LP are transmitted from this port (here, the fourth input / output terminal 101-4). The intermediate SHG light component generated by the excitation light propagating clockwise is not output. All of these light components are output to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101.

その後、第1の実施形態と同様に、光ローパスフィルタ107、WDMフィルタ108によって、余分な中間SHG光成分、また、場合によっては、残存励起光波長成分を除去した上で、シグナル光、アイドラー光成分を分岐出力させる。   Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, the optical low-pass filter 107 and the WDM filter 108 remove the excess intermediate SHG light component and, in some cases, the residual excitation light wavelength component, and then the signal light and idler light. Branch out the component.

第2の実施形態の構成を、図1に示す第1の実施形態や、図5、図6に示す第1の実施形態に対する変形実施形態の構成と比べれば、次のような違いがある。すなわち、第2の実施形態においては、偏波分離合成モジュール101において、励起光の入力ポート(第1入出力端101−1)と、所望する量子もつれ光子対が出力されるポート(第4入出力端101−4)とが異なり、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはない。その結果、それぞれの入出力端に光アイソレータを設置することで、反射戻り光による装置の動作不安定性の影響を排除でき、より高安定に動作する装置提供が可能となる。   When the configuration of the second embodiment is compared with the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 and the modified embodiment with respect to the first embodiment shown in FIGS. 5 and 6, there are the following differences. That is, in the second embodiment, in the polarization beam splitting / combining module 101, the pumping light input port (first input / output terminal 101-1) and the port from which the desired quantum entangled photon pair is output (fourth input). Unlike the output end 101-4), the excitation light does not return to the original excitation light input end and return. As a result, by installing an optical isolator at each input / output terminal, it is possible to eliminate the influence of the operational instability of the device due to the reflected return light, and to provide a device that operates more stably.

(B−3)第2の実施形態の効果
第2の実施形態の量子もつれ光子対発生装置10Dによれば、第1の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、励起光の入力ポートと所望する量子もつれ光子対が出力されるポートが異なる装置構成を実現できる。その結果、それぞれの入出力端に光アイソレータを設置することで、反射戻り光による装置の動作不安定性の影響を排除でき、より高安定に動作する装置提供が可能となる。
(B-3) Effects of Second Embodiment According to the entangled photon pair generation device 10D of the second embodiment, the following effects can be expected in addition to the effects of the first embodiment. That is, it is possible to realize an apparatus configuration in which the pumping light input port is different from the port from which a desired quantum entangled photon pair is output. As a result, by installing an optical isolator at each input / output terminal, it is possible to eliminate the influence of the operational instability of the device due to the reflected return light, and to provide a device that operates more stably.

(C)第3の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第3の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(C) Third Embodiment Next, a third embodiment of the entangled photon pair generating apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(C−1)第3の実施形態の構成
図11は、第3の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第1の実施形態に係る図1との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
(C-1) Configuration of Third Embodiment FIG. 11 is an arrangement diagram of components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the third embodiment, and is a diagram according to the first embodiment. The same and corresponding parts as those in FIG.

図11において、第3の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Eは、第1の実施形態と同様な構成に加え、光変換生成部100と偏波分離合成モジュール101を光学的に接続する2箇所の光路のうち、第1の1/2波長板104が挿入されていない側の光路に、偏波面変換部314を設けたものである。偏波面変換部314は、第5の1/2波長板311、1/4波長板312、第6の1/2波長板313を縦続接続したものである。   In FIG. 11, the polarization entangled photon pair generation device 10E of the third embodiment optically connects the optical conversion generation unit 100 and the polarization separation / synthesis module 101 in addition to the same configuration as that of the first embodiment. Of these two optical paths, the polarization plane conversion unit 314 is provided in the optical path on the side where the first half-wave plate 104 is not inserted. The polarization plane conversion unit 314 is formed by cascading a fifth half-wave plate 311, a quarter-wave plate 312, and a sixth half-wave plate 313.

第5の1/2波長板311、1/4波長板312、第6の1/2波長板313の光学軸方向は、図12に示すように選定されている。   The optical axis directions of the fifth half-wave plate 311, the quarter-wave plate 312, and the sixth half-wave plate 313 are selected as shown in FIG.

偏波面変換部314には、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力される。後述するように、この特定偏波方向とは、偏波分離合成モジュール101におけるs偏波方向か、p偏波方向の一方に一致する。第5の1/2波長板311及び第6の1/2波長板313の光学軸は、この特定偏波方向(図中ではp偏波方向として図示されている)と22.5°の角をなすように選定されている。一方、1/4波長板312の光学軸は、この特定偏波方向と45°の角をなすように調整されている。   The polarization plane converter 314 receives linearly polarized excitation light in a specific polarization direction. As will be described later, this specific polarization direction coincides with either the s-polarization direction or the p-polarization direction in the polarization separation / combination module 101. The optical axis of the fifth half-wave plate 311 and the sixth half-wave plate 313 is an angle of 22.5 ° with this specific polarization direction (shown as the p-polarization direction in the drawing). It is selected to make. On the other hand, the optical axis of the quarter wave plate 312 is adjusted to form an angle of 45 ° with the specific polarization direction.

光変換生成部100、偏波分離合成モジュール101、第1の1/2波長板104、光サーキュレータ106及びWDMフィルタ108は、第1の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。   The optical conversion generator 100, the polarization separation / combination module 101, the first half-wave plate 104, the optical circulator 106, and the WDM filter 108 function in the same manner as in the first embodiment, and their functions I will omit the explanation.

(C−2)第3の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第3の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Eの動作を説明する。
(C-2) Operation of the Third Embodiment Next, the operation of the polarization entangled photon pair generating device 10E of the third embodiment having the above configuration will be described.

第1の実施形態の場合と同様に、p偏波方向に対して偏波方向が45°だけ傾いている直線偏波の波長λpの励起光が偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ入力されると、同じ強度のp偏波成分、s偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2、第3入出力端101−3へ出力される。   As in the case of the first embodiment, the first input / output terminal of the polarization splitting / combining module 101 is excited by light having a wavelength λp of linear polarization whose polarization direction is inclined by 45 ° with respect to the p polarization direction. When the signal is input to 101-1, it is separated into a p-polarization component and an s-polarization component having the same intensity, and the second input / output terminal 101-2 and the third input / output terminal 101-3 of the polarization beam splitting / combining module 101, respectively. Is output.

第3の実施形態の後述する特徴的な効果は、偏波面変換部314における偏波回転の波長依存性によってもたらされる。以下、図12を参照しながら、このことを説明する。   A characteristic effect described later of the third embodiment is brought about by the wavelength dependency of the polarization rotation in the polarization plane conversion unit 314. Hereinafter, this will be described with reference to FIG.

図12(A)は、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2へ出力された励起光(波長λp)が、偏波面変換部314を通過する際の偏波状態の変化を示している。   FIG. 12A shows the change in the polarization state when the excitation light (wavelength λp) output to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitting / combining module 101 passes through the polarization plane converter 314. Show.

偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2へ出力されたp偏波の励起光(波長λp)を、図中上向きの矢印で表している。この励起光が第5の1/2波長板311を通過する。第5の1/2波長板311の光軸方向は、p偏波方向と22.5°の角をなすように選定されている。そのため、第5の1/2波長板311から出力される励起光の偏波方向は、右斜め上45°向きの矢印で表される。   The p-polarized excitation light (wavelength λp) output to the second input / output terminal 101-2 of the polarization beam splitting / combining module 101 is indicated by an upward arrow in the figure. This excitation light passes through the fifth half-wave plate 311. The optical axis direction of the fifth half-wave plate 311 is selected so as to form an angle of 22.5 ° with the p-polarization direction. Therefore, the polarization direction of the excitation light output from the fifth half-wave plate 311 is represented by an arrow directed obliquely upward 45 ° to the right.

次に、励起光は、1/4波長板312を通過する。1/4波長板312の光軸方向は、p偏波方向と45°の角をなすように配置されている。そのため、1/4波長板312へ入力される励起光の偏波方向は、1/4波長板312の一方の光学軸方向と合致しており、その結果、1/4波長板312を通過してもなんらの偏波回転も生じない。   Next, the excitation light passes through the quarter wavelength plate 312. The optical axis direction of the quarter-wave plate 312 is arranged to form an angle of 45 ° with the p-polarization direction. Therefore, the polarization direction of the excitation light input to the quarter wavelength plate 312 matches one optical axis direction of the quarter wavelength plate 312, and as a result, passes through the quarter wavelength plate 312. However, no polarization rotation occurs.

次に、励起光は、第6の1/2波長板313を通過する。第6の1/2波長板313の光軸方向は、p偏波方向と22.5°の角をなすように配置されている。そのため、第6の1/2波長板313から出力される励起光の偏波方向は、反時計回りに45°だけ回転し、すなわち、図中上向きの矢印方向で表される偏波方向の光となって出力される。   Next, the excitation light passes through the sixth half-wave plate 313. The optical axis direction of the sixth half-wave plate 313 is arranged to form an angle of 22.5 ° with the p-polarization direction. Therefore, the polarization direction of the excitation light output from the sixth half-wave plate 313 is rotated by 45 ° counterclockwise, that is, the light in the polarization direction represented by the upward arrow direction in the figure. Is output.

すなわち、波長λpの励起光が、偏波面変換部314を通過するとき、元の偏波方向(ここではp偏波方向)を保ったまま出力される。このことは、図12(B)に示されるように、励起光が偏波面変換部314に逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このような偏波状態の維持は、内部を構成する1/2波長板311、313や1/4波長板312の光学軸方向が、上述したように、p偏波方向あるいはs偏波方向と22.5°並びに45°の角をなすように選定されているときに生じる。   That is, when the excitation light having the wavelength λp passes through the polarization plane converter 314, it is output while maintaining the original polarization direction (here, the p polarization direction). This is the same even when excitation light is input to the polarization plane converter 314 from the opposite side and output, as shown in FIG. Such a polarization state is maintained when the optical axis directions of the half-wave plates 311 and 313 and the quarter-wave plate 312 constituting the inside are the p-polarization direction or the s-polarization direction as described above. Occurs when selected to form 22.5 ° and 45 ° angles.

次に、励起光の半分の波長(λp/2)の中間SHG光が、偏波面変換部314を通過するときの偏波方向の変換の様子を、図12(C)、(D)を参照しながら説明する。   Next, referring to FIGS. 12C and 12D, the state of the polarization direction conversion when the intermediate SHG light having the half wavelength (λp / 2) of the excitation light passes through the polarization plane conversion unit 314 is referred to. While explaining.

1/2波長板311、313、1/4波長板312は、波長λp/2の中間SHG光に対してはそれぞれ、1波長板、1/2波長板として動作する。   The half-wave plates 311, 313 and the quarter-wave plate 312 operate as a one-wave plate and a half-wave plate for intermediate SHG light having a wavelength λp / 2, respectively.

従って、第5の1/2波長板311に入力されたp偏波(上向き矢印)の中間SHG光はp偏波のまま出力される。   Accordingly, the p-polarized (upward arrow) intermediate SHG light input to the fifth half-wave plate 311 is output as p-polarized light.

次に1/4波長板312を通過するとき、1/4波長板312は中間SHG光に対しては1/2波長板として動作し、かつ、その光学軸方向が入力偏波方向と45°の角をなすため、その結果、出力光の偏波方向は90°だけ回転している(右向き矢印)。   Next, when passing through the quarter-wave plate 312, the quarter-wave plate 312 operates as a half-wave plate for intermediate SHG light, and its optical axis direction is 45 ° with respect to the input polarization direction. As a result, the polarization direction of the output light is rotated by 90 ° (right arrow).

次に、第6の1/2波長板313を通過するときには、なんらの偏波方向の回転も生じない。   Next, when passing through the sixth half-wave plate 313, no rotation in the polarization direction occurs.

すなわち、波長λp/2の中間SHG光が、偏波面変換部314を通過するとき、元の偏波方向(ここではp偏波方向)から90°だけ偏波回転する(s偏波に変換される)。このことは、図12(D)に示されるように、中間SHG光が逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このことは、内部を構成する1/4波長板312の光学軸方向が、上述したように、s偏波方向あるいはp偏波方向と45°の角をなすように設定されているときに生じる。   That is, when the intermediate SHG light having the wavelength λp / 2 passes through the polarization plane converter 314, it is rotated by 90 ° from the original polarization direction (here, the p polarization direction) (converted to s polarization). ) This is the same even when the intermediate SHG light is input and output from the reverse side as shown in FIG. This occurs when the optical axis direction of the quarter wavelength plate 312 constituting the inside is set to form an angle of 45 ° with the s-polarization direction or the p-polarization direction as described above. .

以上の結果をまとめると、次のようになる。すなわち、偏波面変換部314を通過するとき、波長λpの励起光とそれに近い波長のシグナル光及びアイドラー光は偏波回転されないのに対し、波長λp/2の中間SHG光は90°だけ偏波回転する。このような偏波方向(偏波面)の変換のために、内部を構成する二つの1/2波長板311、313とひとつの1/4波長板312の光学軸方向が、それぞれ、p偏波方向あるいはs偏波方向に対して22.5°並びに45°の角をなすように選定されている。   The above results are summarized as follows. That is, when passing through the polarization plane conversion unit 314, the excitation light having the wavelength λp and the signal light and idler light having a wavelength close thereto are not polarized and rotated, whereas the intermediate SHG light having the wavelength λp / 2 is polarized by 90 °. Rotate. For such conversion of the polarization direction (polarization plane), the optical axis directions of the two half-wave plates 311 and 313 and one quarter-wave plate 312 constituting the inside are respectively p-polarized waves. The angle is selected to make an angle of 22.5 ° and 45 ° with respect to the direction or the s polarization direction.

以上の偏波面変換部314の変換動作を踏まえて、第3の実施形態の全体動作を説明する。   Based on the conversion operation of the polarization plane conversion unit 314 described above, the overall operation of the third embodiment will be described.

偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2から出力され、光ループLPを時計回りに伝播する励起光(p偏波)は、偏波面変換部314を通過し、偏波変換されずに(p偏波のまま)、第2の2次非線形光学媒質103に入力される。その結果、第1の実施形態と同様に、第1の2次非線形光学媒質102から、s偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。   The pumping light (p-polarized light) output from the second input / output terminal 101-2 of the polarization splitting / combining module 101 and propagating clockwise through the optical loop LP passes through the polarization plane converter 314 and is subjected to polarization conversion. Without being changed (p-polarized light), it is input to the second secondary nonlinear optical medium 103. As a result, as in the first embodiment, the s-polarized input excitation light, the transient signal light, the idler light, and the p-polarized intermediate SHG light, as desired, from the first second-order nonlinear optical medium 102. SPDC correlated photon pairs are generated.

これらの光は、次に、第1の1/2波長板104に入力され、SDPC相関光子対は90°だけ偏波回転してs偏波になるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光はp偏波となる。その後、これらは偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3に入力され、偏波状態がs偏波であるSPDC相関光子対は第1入出力端101−1に出力されるのに対し、偏波状態がp偏波である入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光は第4入出力端101−4へ出力される。   These lights are then input to the first half-wave plate 104, and the SDPC correlated photon pair is rotated s-polarized by 90 °, whereas the input pump light, transient Signal light, idler light, and intermediate SHG light are p-polarized light. Thereafter, these are input to the third input / output terminal 101-3 of the polarization separation / combination module 101, and the SPDC correlation photon pair whose polarization state is s-polarization is output to the first input / output terminal 101-1. On the other hand, the input excitation light, the transient signal light, the idler light, and the intermediate SHG light whose polarization state is p polarization are output to the fourth input / output terminal 101-4.

一方、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3から出力され、光ループLPを反時計回りに伝播する励起光(s偏波)は、第1の1/2波長板104において90°だけ偏波回転してp偏波へと変換され、第1の2次非線形光学媒質102に入力される。その結果、第1の実施形態と同様に、第2の2次非線形光学媒質103から、s偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。   On the other hand, the pumping light (s-polarized light) output from the third input / output terminal 101-3 of the polarization splitting / combining module 101 and propagating counterclockwise through the optical loop LP is transmitted through the first half-wave plate 104. The polarization is rotated by 90 °, converted to p-polarized light, and input to the first second-order nonlinear optical medium 102. As a result, as in the first embodiment, s-polarized input pump light, transient signal light, idler light, and p-polarized intermediate SHG light, desired from the second second-order nonlinear optical medium 103 SPDC correlated photon pairs are generated.

これらの光は、次に、偏波面変換部314へ入力され、SDPC相関光子対は偏波回転せずp偏波のまま出力されるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光はs偏波として出力される。その後、これらは偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2に入力され、偏波状態がp偏波であるSPDC相関光子対は第1入出力端101−1に出力されるのに対し、偏波状態がs偏波である入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光は第4入出力端101−4へ出力される。   These lights are then input to the polarization plane conversion unit 314, and the SDPC correlation photon pair is output as p-polarized light without rotating, whereas input pump light, transient signal light, idler Light and intermediate SHG light are output as s-polarized light. Thereafter, these are input to the second input / output terminal 101-2 of the polarization separation / combination module 101, and the SPDC correlation photon pair whose polarization state is p-polarization is output to the first input / output terminal 101-1. On the other hand, the input excitation light, the transient signal light, the idler light, and the intermediate SHG light whose polarization state is s-polarization are output to the fourth input / output terminal 101-4.

ここで、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力されるSPDC相関光子対は、光ループLPを時計回りに伝播する励起光によって発生したものはs偏波であるのに対し、光ループLPを反時計回りに伝播する励起光によって発生したものはp偏波であるので、第1の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から、偏波量子もつれ光子対が発生される。   Here, the SPDC correlation photon pair output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization demultiplexing / combining module 101 is generated by the pumping light propagating clockwise in the optical loop LP is the s-polarization. On the other hand, since the p-polarized light is generated by the pumping light propagating counterclockwise in the optical loop LP, as in the first embodiment, the first input / output terminal 101-of the polarization splitting / combining module 101 is used. From 1 a polarization entangled photon pair is generated.

図13は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュール101の入出力端を示す説明図である。図13に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端と同じ入出力端(ここでは第1入出力端101−1)から出力されるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光成分は、光ループLPの伝播方向に関わらず、第4入出力端101−4へ出力される。   FIG. 13 is an explanatory diagram showing the input / output ends of the polarization splitting / combining module 101 that inputs / outputs pumping light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light and idler light). . As shown in FIG. 13, the desired entangled photon pair is output from the same input / output terminal (here, the first input / output terminal 101-1) as the input / output terminal to which the excitation light is input, whereas the input excitation Light, transient signal light, idler light, and intermediate SHG light components are output to the fourth input / output terminal 101-4 regardless of the propagation direction of the optical loop LP.

すなわち、所望する量子もつれ光子対と、それ以外の光成分とは、偏波分離合成モジュール101の異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることはない。その結果、第1や第2の実施形態と異なり、中間SHG光を除去するための光ローパスフィルタ107は原理的に必要ない構成となっている。   That is, the desired quantum entangled photon pair and the other light components are output to different input / output terminals of the polarization splitting / combining module 101 and are not output to the same input / output terminal. As a result, unlike the first and second embodiments, the optical low-pass filter 107 for removing the intermediate SHG light is not necessary in principle.

また、図示は省略するが、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態に関しては、第1の実施形態に対する変形実施形態(図5、図6)と同様に、WDMフィルタ108として用いるAWGフィルタの双方向入出力特性を利用した構成(図5)や、光バンドパスフィルタ110を利用した構成(図6)のような変形実施形態を挙げることができ、このような変形実施形態においても、第3の実施形態と同様な効果を得ることができる。   Although not shown, the input / output configuration of the excitation light and the entangled photon pair is the same as that of the modified embodiment (FIGS. 5 and 6) with respect to the first embodiment of the AWG filter used as the WDM filter 108. Modified embodiments such as a configuration using bidirectional input / output characteristics (FIG. 5) and a configuration using optical bandpass filter 110 (FIG. 6) can be cited. The same effect as that of the third embodiment can be obtained.

(C−3)第3の実施形態の効果
第3の実施形態の量子もつれ光子対発生装置10Eによれば、第1、第2の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、原理的にはSHG光除去用の光ローパスフィルタ107が不要となる。また現実には、偏波分離合成モジュール101での中間SHG光に対する偏波消光比が不十分であっても(本件では、偏波分離合成モジュール101は長波長の励起光及びSPDC相関光子対に最適化した回路を想定しているため、短波長の中間SHG光に対しての偏波消光比は必ずしも保証しない)、少なくとも残留中間SHG光成分は第1、第2の実施形態に比べて低下することが期待できるため、少なくとも光ローパスフィルタ107の中間SHG光成分除去の負荷が低減する効果が期待できる。その結果、装置コストの低下が期待できる。
(C-3) Effects of Third Embodiment According to the entangled photon pair generation device 10E of the third embodiment, the following effects can be expected in addition to the effects of the first and second embodiments. That is, in principle, the optical low-pass filter 107 for removing SHG light is not necessary. In reality, even if the polarization extinction ratio with respect to the intermediate SHG light in the polarization demultiplexing / combining module 101 is insufficient (in this case, the polarization demultiplexing / combining module 101 uses the long-wavelength excitation light and the SPDC correlation photon pair. Since an optimized circuit is assumed, the polarization extinction ratio for the short-wavelength intermediate SHG light is not necessarily guaranteed), and at least the residual intermediate SHG light component is lower than that in the first and second embodiments. Therefore, at least the effect of reducing the load of removing the intermediate SHG light component of the optical low-pass filter 107 can be expected. As a result, a reduction in device cost can be expected.

(D)第4の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第4の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(D) Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the entangled photon pair generating apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(D−1)第4の実施形態の構成
図14、第4の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、既述した図1、図8、図11との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
(D-1) Configuration of the Fourth Embodiment FIG. 14 is an arrangement diagram of the components showing the configuration of the polarization entangled photon pair generation device of the fourth embodiment, and FIG. The same and corresponding parts as those in FIG. 11 are indicated by the same and corresponding reference numerals.

第4の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Fは、第2の実施形態の特徴構成と、第3の実施形態の特徴構成とを共に導入し、第2の実施形態における作用効果と、第3の実施形態における作用効果を共に得ることができるようにしたものである。すなわち、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを偏波分離合成モジュールのそれぞれ異なる入出力端を介して入出力する構成を有し、かつ、中間SHG光を除去するための光ローパスフィルタが原理的には不要となるものである。   The polarization entangled photon pair generation device 10F of the fourth embodiment introduces both the characteristic configuration of the second embodiment and the characteristic configuration of the third embodiment, and the operational effects of the second embodiment In addition, the operational effects of the third embodiment can be obtained together. That is, an optical low-pass filter for removing the intermediate SHG light has a configuration for inputting / outputting the input pumping light and the desired quantum entangled photon pair via different input / output terminals of the polarization splitting / combining module. In principle, it becomes unnecessary.

図14に示す第4の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Fは、図8に示した第2の実施形態の構成に加えて、第3の実施形態で説明した偏波面変換部314を、第2の2次非線形光学媒質103と第2のファラデー回転子209との間に挿入している。   The polarization entangled photon pair generation device 10F of the fourth embodiment shown in FIG. 14 has the polarization plane conversion unit 314 described in the third embodiment in addition to the configuration of the second embodiment shown in FIG. Is inserted between the second second-order nonlinear optical medium 103 and the second Faraday rotator 209.

(D−2)第4の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第4の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置10Fの動作を説明する。
(D-2) Operation of the Fourth Embodiment Next, the operation of the polarization entangled photon pair generation device 10F of the fourth embodiment having the above configuration will be described.

第3の実施形態の動作の項で説明したように、偏波面変換部314の挿入によっても、波長が近傍する励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じない。   As described in the operation section of the third embodiment, even when the polarization plane conversion unit 314 is inserted, polarization rotation of excitation light, signal light, and idler light having wavelengths close to each other does not occur.

そのため、光ループLPを時計回りに伝播する光成分に関して考えれば、偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2から出力されたp偏波の励起光は、第2の非相反偏波面変換部212及び偏波面変換部314で偏波面回転しないため、p偏波のまま第2の2次非線形光学媒質103に入力され、その結果、第1の2次非線形光学媒質102から、s偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。   Therefore, considering the light component propagating clockwise in the optical loop LP, the p-polarized pumping light output from the second input / output terminal 101-2 of the polarization splitting / combining module 101 is the second non-reciprocal polarization. Since the wavefront conversion unit 212 and the polarization plane conversion unit 314 do not rotate the plane of polarization, they are input to the second second-order nonlinear optical medium 103 as p-polarized waves. As a result, the first second-order nonlinear optical medium 102 receives s Polarized input excitation light, transient signal light, idler light, p-polarized intermediate SHG light, and a desired SPDC correlation photon pair are generated.

そして、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、SPDC相関光子対は、第1の非相反偏波面変換部211でも偏波回転しないため、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、s偏波のまま偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1から出力される。一方、SPDC相関光子対は、p偏波のまま偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4から出力される。さらに、中間SHG光はs偏波に変換されて偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ出力される。   Since the excitation light, the transient signal light, the idler light, and the SPDC correlation photon pair do not undergo polarization rotation even in the first nonreciprocal polarization plane conversion unit 211, the input excitation light, the transient signal light, and the idler light are , S-polarized light is output from the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101. On the other hand, the SPDC correlation photon pair is output from the fourth input / output terminal 101-4 of the polarization beam splitting / combining module 101 with p polarization. Further, the intermediate SHG light is converted into s-polarized light and output to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101.

次に、光ループLPを反時計回りに伝播する光成分に関して考えれば、偏波分離合成モジュール101の第3入出力端101−3から出力されたs偏波の励起光は、第1の非相反偏波面変換部211を第1のファラデー回転子207、第3の1/2波長板208の順に通過してp偏波に変換される。そして、第1の2次非線形光学媒質102に入力され、その結果、第2の2次非線形光学媒質103から、s偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、p偏波の中間SHG光、所望するSPDC相関光子対が発生される。そして、次に偏波面変換部314を通過するが、第3の実施形態で説明した動作により、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光はs偏波、SPDC相関光子対はp偏波として、偏波面変換部314から出力される。   Next, considering the light component propagating counterclockwise in the optical loop LP, the s-polarized pumping light output from the third input / output terminal 101-3 of the polarization splitting / combining module 101 is the first non-polarized light. It passes through the reciprocal polarization plane converter 211 in the order of the first Faraday rotator 207 and the third half-wave plate 208 and is converted into p-polarized light. Then, it is input to the first second-order nonlinear optical medium 102, and as a result, from the second second-order nonlinear optical medium 103, s-polarized input excitation light, transient signal light, idler light, and p-polarized light Intermediate SHG light, the desired SPDC correlated photon pair is generated. Then, it passes through the polarization plane conversion unit 314. By the operation described in the third embodiment, the excitation light, the transient signal light, the idler light, the intermediate SHG light are s-polarized, and the SPDC correlation photon pair is Output from the polarization plane converter 314 as p-polarized light.

次に第2の非相反偏波面変換部212を通過する際、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、SPDC相関光子対は、全て90°だけ偏波方向が回転されるため、p偏波、p偏波、p偏波、s偏波として出力される。その結果、SPDC相関光子対は、s偏波で偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4から出力され、一方、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光はp偏波として偏波分離合成モジュール101の第1入出力端101−1へ出力される。   Next, when passing through the second non-reciprocal polarization plane conversion unit 212, the excitation light, the transient signal light, the idler light, the intermediate SHG light, and the SPDC correlation photon pair are all rotated by 90 ° in the polarization direction. Therefore, it is output as p polarized wave, p polarized wave, p polarized wave, and s polarized wave. As a result, the SPDC correlation photon pair is output from the fourth input / output terminal 101-4 of the polarization beam splitting / combining module 101 with s polarization, while the excitation light, the transient signal light, the idler light, and the intermediate SHG light are The signal is output to the first input / output terminal 101-1 of the polarization beam splitting / combining module 101 as p-polarized light.

図15は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光、相関光子対(シグナル光、アイドラー光)が入出力する偏波分離合成モジュール101の入出力端を示す説明図である。図15に示すように、所望する量子もつれ光子対は、偏波分離合成モジュール101の第4入出力端101−4へ出力される一方、その他の光成分(励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間SHG光)は全て第1入出力端101−1へ出力される。   FIG. 15 is an explanatory diagram showing the input / output terminals of the polarization splitting / combining module 101 that inputs / outputs pumping light, transient signal light, idler light, intermediate SHG light, and correlated photon pairs (signal light and idler light). . As shown in FIG. 15, the desired entangled photon pair is output to the fourth input / output terminal 101-4 of the polarization splitting / combining module 101, while other light components (excitation light, transient signal light, All of the idler light and intermediate SHG light) are output to the first input / output terminal 101-1.

すなわち、第4の実施形態においては、第2の実施形態の作用効果である、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とが、偏波分離合成モジュールの異なる入出力端を介してそれぞれ入出力されるという作用効果と、第3の実施形態の作用効果である、所望する量子もつれ光子対と、それ以外の光成分とが偏波分離合成モジュールの異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることがないという作用効果を同時に実現することができる。   That is, in the fourth embodiment, the input pumping light and the desired quantum entangled photon pair, which are the operational effects of the second embodiment, are respectively input / output via different input / output terminals of the polarization splitting / combining module. The desired quantum entangled photon pair and the other optical components, which are the operational effects of the third embodiment, are output to different input / output terminals of the polarization splitting / combining module, and the same input / output ends. The effect of not being output to the output end can be realized at the same time.

(D−3)第4の実施形態の効果
第4の実施形態によれば、第2及び第3の実施形態の効果を共に得ることができる。
(D-3) Effects of the fourth embodiment According to the fourth embodiment, both of the effects of the second and third embodiments can be obtained.

(E)他の実施形態
上記各実施形態では、2次非線形光学媒質としてPPLN結晶を用いた場合を説明したが、本文中にも記載したように、上記各実施形態の効果はPPLN結晶以外の2次非線形光学媒質を用いた場合でも生じることができる。また、2次非線形光学媒質としては、バルク結晶、又は光導波路構造を作りこんだPPLN導波路のような導波路型デバイスだけでなく、その他様々な形態の2次非線形光学媒質を用いることができる。
(E) Other Embodiments In each of the above embodiments, the case where a PPLN crystal is used as the second-order nonlinear optical medium has been described. However, as described in the text, the effect of each of the above embodiments is other than the PPLN crystal. This can occur even when a second-order nonlinear optical medium is used. As the second-order nonlinear optical medium, not only a waveguide type device such as a bulk crystal or a PPLN waveguide in which an optical waveguide structure is formed, but also various other forms of second-order nonlinear optical media can be used. .

また、第1の実施形態や第3の実施形態で用いる第1の1/2波長板104が、光ループLPの光路中でどのような位置に配置されるかは設計的事項である。すなわち、例えば、2次非線形光学媒質のd11成分を利用して、各実施形態の効果を得る場合には、第1の1/2波長板104を偏波分離合成モジュール101の第2入出力端101−2と第1の2次非線形光学媒質102を接続する光路に配置しても良い。すなわち、配置箇所は、2次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光及び中間SHG光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。同様に、第2〜第4の実施形態で記述された偏波面変換部314や、第1及び第2の非相反偏波面変換部211及び212に関しても、2次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光及び中間SHG光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。 Further, it is a design matter that the first half-wave plate 104 used in the first embodiment or the third embodiment is disposed in the optical path of the optical loop LP. That is, for example, when the effect of each embodiment is obtained using the d 11 component of the second-order nonlinear optical medium, the first input / output of the polarization splitting / combining module 101 is connected to the first half-wave plate 104. You may arrange | position to the optical path which connects the end 101-2 and the 1st second order nonlinear optical medium 102. That is, the arrangement location can be set flexibly as appropriate based on the optical axis direction of the second-order nonlinear optical medium and the polarization directions of the excitation light and intermediate SHG light input thereto. Similarly, with respect to the polarization plane conversion unit 314 described in the second to fourth embodiments and the first and second non-reciprocal polarization plane conversion units 211 and 212, the optical axis direction of the second-order nonlinear optical medium Based on the polarization directions of the excitation light and intermediate SHG light input thereto, it can be set appropriately and flexibly.

上記各実施形態では、光ループLPが、偏波面保持光ファイバを用いた有線ループになっているものを示しているが、例えば、一部区間が空間的な区間であっても良い。   In each of the above embodiments, the optical loop LP is shown as a wired loop using a polarization-maintaining optical fiber. However, for example, a partial section may be a spatial section.

10、10A〜10F…量子もつれ光子対発生装置、100…光変換生成部、101…偏波分離合成モジュール、102…第1の2次非線形光学媒質、103…第2の2次非線形光学媒質、104、105、208、210、311、313…1/2波長板、106…光サーキュレータ、107、107−s、107−i…光ローパスフィルタ、108…WDMフィルタ、207、209…ファラデー回転子、211、212…非相反偏波面変換部、312…1/4波長板、314…偏波面変換部、LP…光ループ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A-10F ... Quantum entangled photon pair generation apparatus, 100 ... Light conversion production | generation part, 101 ... Polarization demultiplexing synthesis module, 102 ... 1st second order nonlinear optical medium, 103 ... 2nd second order nonlinear optical medium, 104, 105, 208, 210, 311, 313 ... 1/2 wavelength plate, 106 ... optical circulator, 107, 107-s, 107-i ... optical low pass filter, 108 ... WDM filter, 207,209 ... Faraday rotator, 211, 212 ... non-reciprocal polarization plane conversion unit, 312 ... quarter wave plate, 314 ... polarization plane conversion unit, LP ... optical loop.

Claims (14)

偏波保持のループ光路と、
第1のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第1の分波励起光と第2の分波励起光とに分岐し、前記第1の分波励起光を前記ループ光路へ時計回りに入力し、前記第2の分波励起光を前記ループ光路へ反時計回りに入力する励起光分波入力手段と、
第1の非線形光学媒質と第2の1/2波長板と第2の非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、前記ループ光路を時計回りに伝播する第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、
前記ループ光路を時計回りに伝播している前記第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播している前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第2のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、
前記第1の分波励起光、前記第2の分波励起光、前記第1の自然パラメトリック下方変換光及び前記第2の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光についての偏波方向を操作する偏波面操作手段とを有し、
前記第1の非線形光学媒質は、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の分波励起光に対する第1の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第2の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路の時計回りに伝播する第2の光第2高調波に対する変換によって時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
前記第2の非線形光学媒質は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の分波励起光に対する前記第2の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第1の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第1の光第2高調波に対する変換によって反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
前記第2の1/2波長板は、前記第1又は第2の非線形光学媒質の一方から出力され、前記第1又は第2の非線形光学媒質の他方へ入力される前記第1又は第2の分波励起光の偏波面を90°だけ回転させて出力し、
前記第1及び第2の光第2高調波と、前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光とが、前記ループ光路中に配置された前記第1又は第2の非線形光学媒質中において生成する
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
A polarization-maintaining loop optical path;
The input excitation light from the first optical path outside the loop is branched into first and second demultiplexed excitation lights, which are polarization components orthogonal to each other, and the first demultiplexed excitation light is Excitation light demultiplexing input means for inputting the second demultiplexed excitation light counterclockwise to the loop optical path, and
The first nonlinear optical medium, the second half-wave plate and the second nonlinear optical medium are connected in series in this order counterclockwise, and the plane of polarization is orthogonal. Light conversion generation means for generating first natural parametric down-converted light propagating in the direction and the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise in the loop optical path;
The first natural parametric down-converted light propagating clockwise in the loop optical path and the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise in the loop optical path are combined and combined. Converted light combining output means for outputting the wave light to the second optical path outside the loop;
Polarization of at least one of the first demultiplexed pump light, the second demultiplexed pump light, the first natural parametric down-converted light, and the second natural parametric down-converted light Polarization plane operating means for operating the direction,
The first nonlinear optical medium generates a first optical second harmonic with respect to the second demultiplexed excitation light propagating counterclockwise in the loop optical path, and the second nonlinear optical medium is Generating the first natural parametric down-converted light propagating clockwise by the conversion to the second optical second harmonic propagating clockwise in the generated loop optical path;
The second nonlinear optical medium generates the second optical second harmonic with respect to the first demultiplexed excitation light propagating clockwise in the loop optical path, and the first nonlinear optical medium is Generating the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise by conversion to the first optical second harmonic propagating counterclockwise through the generated loop optical path;
The second half-wave plate is output from one of the first or second nonlinear optical medium and input to the other of the first or second nonlinear optical medium. Rotate the polarization plane of the demultiplexed excitation light by 90 ° and output it.
The first and second optical second harmonics and the first and second natural parametric down-converted lights are generated in the first or second nonlinear optical medium disposed in the loop optical path. A entangled photon pair generator characterized by:
ループ光路と、
第1のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第1の分波励起光と第2の分波励起光とに分岐し、前記第1の分波励起光を前記ループ光路へ時計回りに入力し、前記第2の分波励起光を前記ループ光路へ反時計回りに入力する励起光分波入力手段と、
第1の非線形光学媒質と第2の1/2波長板と第2の非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、前記ループ光路を時計回りに伝播する第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、
前記ループ光路を時計回りに伝播している前記第1の自然パラメトリック下方変換光と、前記ループ光路を反時計回りに伝播している前記第2の自然パラメトリック下方変換光と、を合波し、合波光を第2のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、
前記非線形光学媒質へ入力される際の前記第1の分波励起光の偏波面と前記第2の分波励起光の偏波面とを揃えること、あるいは、前記変換光合波出力手段における前記第2のループ外光路への、前記第1の自然パラメトリック下方変換光と前記第2の自然パラメトリック下方変換光との偏波面が直交する合波出力を実行させることを少なくとも実現させるように、前記第1の分波励起光、前記第2の分波励起光、前記第1の自然パラメトリック下方変換光及び前記第2の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光についての偏波方向を操作する偏波面操作手段とを有し、
前記第1の非線形光学媒質は、前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第2の分波励起光に対する第1の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第2の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路の時計回りに伝播する第2の光第2高調波に対する変換によって時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
前記第2の非線形光学媒質は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の分波励起光に対する前記第2の光第2高調波を発生させ、かつ、前記第1の非線形光学媒質が発生する前記ループ光路を反時計回りに伝播する前記第1の光第2高調波に対する変換によって反時計回りに伝播する前記第2の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
前記第2の1/2波長板は、前記第1又は第2の非線形光学媒質の一方から出力され、前記第1又は第2の非線形光学媒質の他方へ入力される前記第1又は第2の分波励起光の偏波面を90°だけ回転させて出力し、
前記第1及び第2の光第2高調波と、前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光とが、前記ループ光路中に配置された前記第1又は第2の非線形光学媒質中において生成する
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
Loop optical path,
The input excitation light from the first optical path outside the loop is branched into first and second demultiplexed excitation lights, which are polarization components orthogonal to each other, and the first demultiplexed excitation light is Excitation light demultiplexing input means for inputting the second demultiplexed excitation light counterclockwise to the loop optical path, and
The first nonlinear optical medium, the second half-wave plate and the second nonlinear optical medium are connected in series in this order counterclockwise, and the plane of polarization is orthogonal. Light conversion generation means for generating first natural parametric down-converted light propagating in the direction and the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise in the loop optical path;
Combining the first natural parametric downconverted light propagating clockwise in the loop optical path and the second natural parametric downconverted light propagating counterclockwise in the loop optical path; Converted light combining output means for outputting the combined light to the second optical path outside the loop;
Aligning the plane of polarization of the first demultiplexed pump light with the plane of polarization of the second demultiplexed pump light when input to the nonlinear optical medium, or the second in the converted light multiplexing output means The first natural parametric down-converted light and the second natural parametric down-converted light to the out-of-loop optical path at least execute a combined output in which polarization planes are orthogonal to each other. The polarization direction of at least one of the first demultiplexed pump light, the second demultiplexed pump light, the first natural parametric down-converted light, and the second natural parametric down-converted light. Polarization plane operating means
The first nonlinear optical medium generates a first optical second harmonic with respect to the second demultiplexed excitation light propagating counterclockwise in the loop optical path, and the second nonlinear optical medium is Generating the first natural parametric down-converted light propagating clockwise by the conversion to the second optical second harmonic propagating clockwise in the generated loop optical path;
The second nonlinear optical medium generates the second optical second harmonic with respect to the first demultiplexed excitation light propagating clockwise in the loop optical path, and the first nonlinear optical medium is Generating the second natural parametric down-converted light propagating counterclockwise by conversion to the first optical second harmonic propagating counterclockwise through the generated loop optical path;
The second half-wave plate is output from one of the first or second nonlinear optical medium and input to the other of the first or second nonlinear optical medium. Rotate the polarization plane of the demultiplexed excitation light by 90 ° and output it.
The first and second optical second harmonics and the first and second natural parametric down-converted lights are generated in the first or second nonlinear optical medium disposed in the loop optical path. A entangled photon pair generator characterized by:
前記第1の非線形光学媒質と、前記第2の非線形光学媒質とが、2次非線形光学媒質であることを特徴とする請求項1又は2に記載の量子もつれ光子対発生装置。   3. The entangled photon pair generation device according to claim 1, wherein the first nonlinear optical medium and the second nonlinear optical medium are second-order nonlinear optical media. 前記第1の光第2高調波に対する変換と、前記第2の光第2高調波に対する変換とが、自然パラメトリック下方変換であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   The quantum according to any one of claims 1 to 3, wherein the conversion with respect to the first optical second harmonic and the conversion with respect to the second optical second harmonic are natural parametric down conversions. Tangle photon pair generator. 前記励起光分波入力手段と前記変換光合波出力手段が、複数の入出力端を有する同一の偏波分離合成モジュールによって成ることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   The quantum entanglement according to any one of claims 1 to 4, wherein the pumping light demultiplexing input means and the converted light multiplexing output means are composed of the same polarization splitting / combining module having a plurality of input / output terminals. Photon pair generator. 前記偏波面操作手段は第1の1/2波長板でなり、前記第1の1/2波長板は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を90°だけ回転させて出力することを特徴とする請求項5に記載の量子もつれ光子対発生装置。   The polarization plane manipulating means is a first half-wave plate, and the first half-wave plate is a polarization plane of the first natural parametric down-converted light that propagates clockwise in the loop optical path. 6. The quantum entangled photon pair generating apparatus according to claim 5, wherein the quantum entangled photon pair generating apparatus outputs the light after rotating by 90 °. 前記偏波面操作手段は、第1及び第2の非相反偏波面変換部でなり、
前記ループ光路中に、前記第1の非相反偏波面変換部と、前記光変換生成手段と、前記第2の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
前記第1の非相反偏波面変換部は、第1の45°ファラデー回転子と第3の1/2波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
前記第2の非相反偏波面変換部は、第2の45°ファラデー回転子と第4の1/2波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The polarization plane operating means includes first and second non-reciprocal polarization plane conversion units,
In the loop optical path, the first non-reciprocal polarization plane conversion unit, the light conversion generation unit, and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit are arranged in this order counterclockwise,
The first non-reciprocal polarization plane converter is configured by arranging a first 45 ° Faraday rotator and a third half-wave plate in this order counterclockwise,
The second non-reciprocal polarization conversion unit is configured by arranging a second 45 ° Faraday rotator and a fourth half-wave plate in this order counterclockwise. The entangled photon pair generating device according to claim 5.
前記偏波面操作手段は、第1の1/2波長板と偏波面変換部とでなり、
前記ループ光路中に、前記偏波面変換部と、前記光変換生成手段と、前記第1の1/2波長板とが、時計回りにこの順番で配置され、
前記偏波面変換部は、第5の1/2波長板、1/4波長板、第6の1/2波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成され、
前記第1の1/2波長板は、前記ループ光路を時計回りに伝播する前記第1の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を90°だけ回転させて出力する
ことを特徴とする請求項5に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The polarization plane operating means is composed of a first half-wave plate and a polarization plane converter.
In the loop optical path, the polarization plane conversion unit, the light conversion generation means, and the first half-wave plate are arranged in this order in the clockwise direction,
The polarization plane conversion unit is configured by arranging a fifth half-wave plate, a quarter-wave plate, and a sixth half-wave plate in this order in a clockwise direction,
The first half-wave plate rotates the polarization plane of the first natural parametric down-converted light propagating clockwise in the loop optical path by 90 ° and outputs the rotated light. The entangled photon pair generator described.
前記偏波面操作手段は、第1及び第2の非相反偏波面変換部と、偏波面変換部とでなり、
前記ループ光路中に、前記第1の非相反偏波面変換部と、前記光変換生成手段と、前記偏波面変換部と、前記第2の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
前記第1の非相反偏波面変換部は、第1の45°ファラデー回転子と第3の1/2波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
前記第2の非相反偏波面変換部は、第2の45°ファラデー回転子と第4の1/2波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
前記偏波面変換部は、第5の1/2波長板、1/4波長板、第6の1/2波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The polarization plane operating means includes first and second non-reciprocal polarization plane conversion units, and a polarization plane conversion unit,
In the loop optical path, the first non-reciprocal polarization plane conversion unit, the light conversion generation unit, the polarization plane conversion unit, and the second non-reciprocal polarization plane conversion unit are counterclockwise. Arranged in order,
The first non-reciprocal polarization plane converter is configured by arranging a first 45 ° Faraday rotator and a third half-wave plate in this order counterclockwise,
The second non-reciprocal polarization conversion unit is configured by arranging a second 45 ° Faraday rotator and a fourth half-wave plate in this order counterclockwise,
The polarization plane conversion unit is configured by arranging a fifth half-wave plate, a quarter-wave plate, and a sixth half-wave plate in this order in a clockwise direction. Item 6. The entangled photon pair generator according to Item 5.
合波出力された前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光が通過する前記第2のループ外光路に、前記入力励起光の波長成分を除去し、かつ、前記第1及び前記第2の自然パラメトリック下方変換光が有するシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分をそれぞれ異なる光出力端に出力する第1の波長選択型フィルタを有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   A wavelength component of the input excitation light is removed in the second optical path outside the second loop through which the first and second natural parametric down-converted lights that have been combined and output pass, and the first and second The first wavelength selective filter that outputs the signal light wavelength component and the idler light wavelength component of the natural parametric down-converted light to different light output ends, respectively, according to claim 1, Quantum entangled photon pair generator. 前記第1の波長選択型フィルタがAWGフィルタであることを特徴とする請求項10に記載の量子もつれ光子対発生装置。   The entangled photon pair generation device according to claim 10, wherein the first wavelength selective filter is an AWG filter. 合波出力された前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光が通過する前記第2のループ外光路に、前記第1及び第2の光第2高調波成分の少なくとも一方を除去する光ローパスフィルタを有することを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   An optical low pass that removes at least one of the first and second optical second harmonic components in the second optical path outside the second loop through which the first and second natural parametric down-converted lights that have been combined and output pass. The quantum entangled photon pair generation device according to claim 1, further comprising a filter. 前記第1のループ外光路及び前記第2のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に光サーキュレータが設けられていることを特徴とする請求項6、8、10〜12のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   13. The optical path outside the first loop and the optical path outside the second loop have a common part, and an optical circulator is provided at an end of the common part. The entangled photon pair generator according to any one of the above. 前記第1のループ外光路及び前記第2のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に、前記第2のループ外光路を伝播してきた前記入力励起光波長成分を透過又は反射し、前記第1及び第2の自然パラメトリック下方変換光のシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分を反射又は透過する第2の波長選択型フィルタが設けられていることを特徴とする請求項6、8、10〜12のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。   The first optical path outside the loop and the second optical path outside the loop have a common part, and the wavelength component of the input excitation light transmitted through the optical path outside the second loop is transmitted to the end of the common part or 7. A second wavelength selective filter that reflects and reflects or transmits a signal light wavelength component and an idler wavelength component of the first and second natural parametric down-converted lights is provided. , 8, 10-12. The entangled photon pair generating device according to any one of the above.
JP2013256274A 2013-12-11 2013-12-11 Quantum entangled photon pair generator Pending JP2014067061A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013256274A JP2014067061A (en) 2013-12-11 2013-12-11 Quantum entangled photon pair generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013256274A JP2014067061A (en) 2013-12-11 2013-12-11 Quantum entangled photon pair generator

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009227981A Division JP5434440B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Quantum entangled photon pair generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014067061A true JP2014067061A (en) 2014-04-17

Family

ID=50743439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013256274A Pending JP2014067061A (en) 2013-12-11 2013-12-11 Quantum entangled photon pair generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014067061A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140353475A1 (en) * 2007-12-06 2014-12-04 U.S. Army Research Laboratory System and processor implemented method for improved image quality and enhancement based on quantum properties
JP2020148911A (en) * 2019-03-13 2020-09-17 学校法人東京理科大学 Quantum entangled photon pair amplifier and quantum entangled photon pair amplification method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011075889A (en) * 2009-09-30 2011-04-14 Oki Electric Industry Co Ltd Quantum entangled photon pair generating device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011075889A (en) * 2009-09-30 2011-04-14 Oki Electric Industry Co Ltd Quantum entangled photon pair generating device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6014050591; OPTICS EXPRESS Vol.21,No.6, 20130325, 7841-7850 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140353475A1 (en) * 2007-12-06 2014-12-04 U.S. Army Research Laboratory System and processor implemented method for improved image quality and enhancement based on quantum properties
US9123114B2 (en) * 2007-12-06 2015-09-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army System and processor implemented method for improved image quality and enhancement based on quantum properties
JP2020148911A (en) * 2019-03-13 2020-09-17 学校法人東京理科大学 Quantum entangled photon pair amplifier and quantum entangled photon pair amplification method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5434440B2 (en) Quantum entangled photon pair generator
JP5434373B2 (en) Quantum entangled photon pair generator
JP5867232B2 (en) Quantum entangled photon pair generator
JP5488342B2 (en) Quantum correlation photon pair generation method and quantum correlation photon pair generation apparatus
JP5541004B2 (en) Quantum key distribution method and quantum key distribution system
JP6287152B2 (en) Light source device, correlated photon pair generator, polarization quantum entangled photon pair generator, and time position quantum entangled photon pair generator
JP4264735B2 (en) Polarized entangled photon pair generator
JP2009186606A (en) Optical modulator and optical signal generator
JP2014228639A (en) Optical amplifier
JP6115189B2 (en) Quantum entangled photon pair generator
JP2017219749A (en) Optical amplifier device
JP2014067061A (en) Quantum entangled photon pair generator
JP2014095780A (en) Optical amplifier
JP2004537746A (en) Electro-optical device with parallel regions for orthogonal polarization modes
JP5091196B2 (en) Quantum correlated photon pair generator and entangled photon pair generator
JP2013025253A (en) Polarized quantum entangled photon pair generator
JP2014067060A (en) Quantum entangled photon pair generator
WO2020019068A1 (en) Method and device for polarization entangled photon pair creation
JP6220314B2 (en) Optical amplifier
JP2017003670A (en) Hybrid Integrated Optical Transmitter
CN219936257U (en) Broadband entanglement source
WO2022254640A1 (en) Wavelength conversion device
JP2010231059A (en) Optical modulator and complementary intensity modulation light generator
CA3201430A1 (en) Bright sources for pure photons entanglement
Delgado Integrated Silicon Photonics for Physical Layer Security Applications

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141202

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20150331