JP2015114539A - Light source device, correlation photon pair generator, polarization quantum-entangled photon pair generator and time position quantum-entangled photon-pair generator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a wavelength conversion equivalent to a SHG (Second Harmonic Generation) by a conventional laser excitation and the like to be efficiently attained using an incoherent light source such as spontaneous emission light and the like, and in this case, to enable expansion of an allowable range as to an input wavelength and the like.SOLUTION: Output light outputted from an incoherent light source 2 is configured to be input to a first non-linear optical device 1 via an optical coupling system 3. In the first non-linear optical device, a SFG (Sum Frequency Generation) is generated among optical spectrum components owned by the incoherent light source 2, and short wavelength light of an optical frequency as twice as a central optical frequency of the incoherent light source 2. The generated short wavelength light is configured to be externally output via the optical coupling system 4.

Description

この発明は、インコヒーレント光源と非線形光学デバイスを備えた光源装置、並びにインコヒーレント光を励起光とする自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置に関する。   The present invention is characterized by a light source device including an incoherent light source and a nonlinear optical device, a correlated photon pair generating device that generates a correlated photon pair by natural parametric fluorescence using incoherent light as excitation light, and generation of a polarization entangled photon pair. The present invention relates to a polarization entangled photon pair generation device and a time-position entangled photon pair generation device specialized for time-position entangled photon pair generation.

ニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶等の非線形光学結晶を利用して構成される非線形光学デバイスを利用して、入力光波長のn分の一(nは2以上の整数)の波長の光を出力する光源装置は、短波長光源、あるいは既存の半導体レーザ等のレーザ光源では実現が難しい波長の光を発生させる光源として産業上の利用価値が高い。例えば、n=2に相当する光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)は、光の3原色の一つである緑色光の発生に多く利用され、レーザテレビ、プロジェクター等のディスプレイ技術に利用されている。また、SHGを利用して光源を短波長化することで、光学記録メディアを高記録密度化することが可能である。 Outputs light with a wavelength that is 1 / n of the input light wavelength (where n is an integer of 2 or more) using a nonlinear optical device that uses a nonlinear optical crystal such as lithium niobate (LiNbO 3 ). The light source device has a high industrial utility value as a light source that generates light having a wavelength that is difficult to realize with a short wavelength light source or a laser light source such as an existing semiconductor laser. For example, optical second harmonic generation (hereinafter abbreviated as SHG) corresponding to n = 2 is often used to generate green light, which is one of the three primary colors of light. Used in display technology. In addition, it is possible to increase the recording density of the optical recording medium by shortening the wavelength of the light source using SHG.

また、上述の装置から発生した短波長光を励起光として、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)によって相関光子対を発生する相関光子対発生装置、及びこれを用いた量子もつれ光子対発生装置についての報告がある(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1では、第1の周期的分極反転LiNbO3 (Periodically poled lithium noibate、以下PPLNと略す)導波路型デバイスにおいて波長1559 nmの入力レーザ光に対して779.5 nmのSHG光を発生させ、第2のPPLN導波路型デバイスにおいて、SHG光を励起光としたSPDCにより1.5μm波長帯の相関光子対を発生させ、時間位置量子もつれ光子対を発生させている。 Further, a correlated photon pair generating device that generates a correlated photon pair by using a short wavelength light generated from the above-described device as a pumping light by natural parametric down conversion (SPDC), which is a second-order nonlinear optical effect. And a entangled photon pair generating apparatus using the same (see Non-Patent Document 1, for example). In Non-Patent Document 1, in a first periodically poled LiNbO 3 (Periodically poled lithium noibate, hereinafter abbreviated as PPLN) waveguide type device, 779.5 nm SHG light is generated for input laser light having a wavelength of 1559 nm, In the second PPLN waveguide type device, a correlated photon pair of 1.5 μm wavelength band is generated by SPDC using SHG light as excitation light, and a time-position entangled photon pair is generated.

同様の相関光子対発生装置は、3次の非線形光学効果である自然4光波混合(Spontaneous Four Wave Mixing、以下SFWMと略す)を利用しても実現できる。以下、SPDC及びSFWMを総称して、自然パラメトリック蛍光と呼ぶこととする。また、特に偏光量子もつれ光子対発生に特化した相関光子対発生装置を偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生に特化した相関光子対発生装置を時間位置量子もつれ光子対発生装置と区別して呼称することもある。   A similar correlated photon pair generator can also be realized by using spontaneous four wave mixing (hereinafter abbreviated as SFWM), which is a third-order nonlinear optical effect. Hereinafter, SPDC and SFWM are collectively referred to as natural parametric fluorescence. In particular, a correlated photon pair generator specialized for generation of polarization entangled photon pairs is a polarization entangled photon pair generator, and a correlated photon pair generator specialized for time position entangled photon pair generation is a time position entangled photon pair. It may also be called separately from the generator.

ここで、以後の説明における便宜のため、相関光子対、偏光量子もつれ光子対、及び時間位置量子もつれ光子対についてその定義をしておく。   Here, for convenience in the following description, the correlation photon pair, the polarization entangled photon pair, and the time position quantum entangled photon pair are defined.

非線形光学効果が発現する非線形光学結晶に励起光を入力すると、非線形光学結晶内で発現する非線形光学効果によって、例えば、シグナル光、アイドラー光等の、波数、角周波数、偏光状態、時間軸上での時間位置等に関して量子的な相関関係を有する変換光が発生する。相関光子対とは、このように量子相関を有する光子の対をいい、相関光子対発生装置とは相関光子対を発生させる装置を言う。   When excitation light is input to a nonlinear optical crystal that exhibits a nonlinear optical effect, the nonlinear optical effect that manifests in the nonlinear optical crystal, for example, on the wave number, angular frequency, polarization state, and time axis of signal light, idler light, etc. The converted light having a quantum correlation with respect to the time position and the like is generated. A correlated photon pair refers to a pair of photons having a quantum correlation in this way, and a correlated photon pair generator refers to an apparatus that generates a correlated photon pair.

そして、偏光量子もつれ光子対とは、個々の光子の偏波は決定されていないが2光子間の偏波は互いに平行あるいは直交など確定した偏波相関を有している状態になっている光子対をいう。すなわち、偏光量子もつれ光子対は、光子対に対して複数存在する偏波の組み合わせが重ね合わさった状態にあり、光子対間に偏波相関がある相関光子対である。   A polarization quantum entangled photon pair is a photon in which the polarization of each photon is not determined, but the polarization between two photons has a definite polarization correlation such as parallel or orthogonal to each other. Say a pair. That is, the polarization quantum entangled photon pair is a correlated photon pair in which a plurality of combinations of polarizations are superimposed on the photon pair, and there is a polarization correlation between the photon pairs.

一方、時間位置量子もつれ光子対とは、光子が存在し得る複数の時間スロットがあり、個々の光子はどこの時間スロットに存在するかは決定されていないが、2個の光子は必ず同一の時間スロットに存在するという状態になっている光子対をいう。すなわち、時間位置量子もつれ光子対は、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に相関がある相関光子対である。また、時間位置量子もつれ光子対は、2光子の発生時刻に関する測定において相関があるだけではなく、各光子が位相差0の重ね合わせ状態であるか,相対遅延時間τに相当する位相差をもった重ね合わせ状態であるかに対しても相関のある結果を示す。   On the other hand, a time-position entangled photon pair has a plurality of time slots in which photons can exist, and it is not determined in which time slot each photon exists, but two photons must be identical. A photon pair that exists in a time slot. That is, the time-entangled entangled photon pair is in a state where the distribution method of each of the plurality of photons existing for the photon pair is superimposed, and the correlated photon pair having a correlation in the time position between the photon pairs. It is. In addition, the time-entangled entangled photon pair not only has a correlation in the measurement related to the generation time of the two-photons, but also has a phase difference corresponding to the relative delay time τ. The result is also correlated with whether the image is overlaid.

Qiang Zhang, Hiroki Takesue, Sae Woo Nam, Carsten Langrock, Xiuping Xie, Burm Baek, M. M. Fejer, and Yoshihisa Yamamoto, "Distribution of Time-Energy Entanglement over 100 km fiber using superconducting single-photon detectors", Optics Express, vol 16, No. 8, pp. 5776-5781 (2008)Qiang Zhang, Hiroki Takesue, Sae Woo Nam, Carsten Langrock, Xiuping Xie, Burm Baek, MM Fejer, and Yoshihisa Yamamoto, "Distribution of Time-Energy Entanglement over 100 km fiber using superconducting single-photon detectors", Optics Express, vol 16 , No. 8, pp. 5776-5781 (2008)

多くの文献等に開示されているように、従来、SHG等の非線形光学効果を発現させるために専ら用いられてきた励起光源は、レーザ光源である。これは、レーザ光源が高い空間的及び時間的コヒーレンスを有し、このことが非線形光学効果を効率よく、すなわち、低い励起強度で高い変換効率を以って生じさせるのに有用であるからである。   As disclosed in many literatures and the like, the excitation light source that has been conventionally used exclusively for producing nonlinear optical effects such as SHG is a laser light source. This is because the laser light source has high spatial and temporal coherence, which is useful for producing non-linear optical effects efficiently, i.e. with high conversion efficiency at low excitation intensity. .

ここで、空間的コヒーレンスとは、進行方向と垂直な方向(横方向)に波面が揃っているという性質をいい、時間的コヒーレンスとは進行方向(縦方向)に波面が揃っていることを意味する。光の進行方向に対して、幅広い波長成分を含むと、進行方向に波面をそろえることが難しくなるので、時間的コヒーレンスが実現されるためには、含まれる波長の幅が狭いことが要求される。すなわち、誘導放出光に基づく光増幅によるレーザ光源はこのような条件を満足しており高い空間的及び時間的コヒーレンスを有する光を出力するコヒーレント光源である。一方、ランプ、電球、蛍光灯、発光ダイオード、太陽光など、自然放出光に基づく、横方向にも縦方向にも波面が揃っていない光であるインコヒーレント光を出力する光源をインコヒーレント光源という。   Here, spatial coherence means that the wavefront is aligned in the direction perpendicular to the traveling direction (lateral direction), and temporal coherence means that the wavefront is aligned in the traveling direction (vertical direction). To do. If a wide wavelength component is included in the light traveling direction, it will be difficult to align the wavefront in the traveling direction. Therefore, in order to achieve temporal coherence, the width of the included wavelength is required to be narrow. . That is, a laser light source by optical amplification based on stimulated emission light is a coherent light source that satisfies such conditions and outputs light having high spatial and temporal coherence. On the other hand, a light source that outputs incoherent light that is based on spontaneously emitted light, such as lamps, light bulbs, fluorescent lamps, light emitting diodes, sunlight, etc., that has a uniform wavefront in both the horizontal and vertical directions is called an incoherent light source. .

一般に、レーザ光源を準備することは、自然放出光に基づくインコヒーレント光源を準備することに比べてより難しい。これは、レーザ光源を準備するには、誘導放出を効果的に起こさせるため、反転分布を実現する増幅物質と共に安定な光共振器をも必要とするからである。これに対して、インコヒーレント光は、自然界のいたるところに特別な準備もなく存在している。   In general, preparing a laser light source is more difficult than preparing an incoherent light source based on spontaneous emission. This is because preparing a laser light source requires a stable optical resonator as well as an amplifying material that realizes an inversion distribution in order to effectively cause stimulated emission. In contrast, incoherent light is present throughout the natural world without any special preparation.

非線形光学効果を効率よく実現させるためには、位相整合(phase matching)の実現が欠かせないが、位相整合条件は擬似位相整合(quasi-phase matching)も含めて、入力光や出力光の波長に非常に敏感である。そのため、励起レーザ光源の波長は十分に制御されていなければならない。更に、非線形光学デバイスの側でも位相整合を実現する入力光波長(位相整合する波長)に対して、十分に制御して動作させる必要がある。例えば、後述する本願発明者等による実験例によれば、素子長6 cmのPPLN導波路型デバイスを用いて、波長1.5μm近傍の入力光波長に対して擬似位相整合を実現してSHGを発生させる場合、許容される入力光波長の精度は約0.2nm程度と非常に狭い。このことはPPLN導波路型デバイスの側から言えば、その動作温度が約1.6℃の温度変動範囲内に制御されていなければならないことに相当する。以後、特に区別する必要性がない限り、擬似位相整合に対しても単に位相整合ということもある。   In order to efficiently realize the nonlinear optical effect, it is indispensable to realize phase matching, but the phase matching conditions include the wavelength of the input light and output light, including quasi-phase matching. Very sensitive to. Therefore, the wavelength of the excitation laser light source must be sufficiently controlled. Furthermore, it is necessary to operate with sufficient control over the input optical wavelength (phase matching wavelength) that realizes phase matching on the nonlinear optical device side. For example, according to an experimental example by the inventors of the present invention described later, SHG is generated by using a PPLN waveguide type device having an element length of 6 cm and realizing quasi-phase matching for an input light wavelength near 1.5 μm. In this case, the accuracy of the allowable input light wavelength is as narrow as about 0.2 nm. From the PPLN waveguide type device side, this corresponds to the fact that the operating temperature must be controlled within a temperature fluctuation range of about 1.6 ° C. Hereinafter, unless there is a particular need for distinction, it may be simply referred to as phase matching even for pseudo phase matching.

従って、自然放出光等のインコヒーレント光源を用いて、従来のレーザ励起によるSHG等と同等な波長変換が効率よく実現でき、かつその際に入力光波長等についての許容範囲も広くできるなら、より低コストで高効率な光源装置が実現される。更に、この光源装置を利用することにより低コストで高効率な相関光子対発生装置及び量子もつれ光子対発生装置を提供することが可能となる。   Therefore, if an incoherent light source such as spontaneous emission light can be used to efficiently achieve wavelength conversion equivalent to SHG by conventional laser excitation, and the allowable range for the input light wavelength can be widened at that time, more A low-cost and highly efficient light source device is realized. Furthermore, by using this light source device, it is possible to provide a low-cost and high-efficiency correlated photon pair generator and a entangled photon pair generator.

そこで、この発明の目的は、インコヒーレント光源と非線形光学デバイスを備え、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、非線形光学デバイスによって出力光の波長のn分の一の波長の変換光を生成して出力する光源装置、及びこの装置から出力される変換光を励起光とする自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置を提供することにあり、特に偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。また、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)による波長変換光発生とSPDCとを単一の2次非線形光学デバイスで生じさせ、同様に、相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an incoherent light source and a non-linear optical device, and use the output light from the incoherent light source to generate converted light having a wavelength of 1 / n of the output light wavelength by the non-linear optical device. And a correlated photon pair generating device that generates a correlated photon pair by natural parametric fluorescence using the converted light output from this device as excitation light, and in particular, a polarization entangled photon pair generation It is an object of the present invention to provide a polarization entangled photon pair generation device specialized in the above and a time position quantum entangled photon pair generation device specialized in the generation of time position quantum entangled photon pairs. In addition, the output light from the incoherent light source is used to generate wavelength-converted light generated by sum frequency generation (SFG) and SPDC in a single second-order nonlinear optical device. It is another object of the present invention to provide a correlated photon pair generating device, a polarized quantum entangled photon pair generating device, and a time position quantum entangled photon pair generating device for generating correlated photon pairs.

インコヒーレント光が2次非線形光学デバイスに入力されると、インコヒーレント光に含まれる光周波数スペクトル成分間でSFGが発現し、インコヒーレント光の中心周波数の2倍(波長にして半分)の光周波数の短波長光が発生する。ここで、SHGは、SFGの特別な場合として含まれている。すなわち、SFGはインコヒーレント光の2つの低周波数スペクトル成分から1つの高周波数光が生成される過程であり、SHGはこの2つの低周波数スペクトル成分の周波数が等しい特別な場合である。   When incoherent light is input to the second-order nonlinear optical device, SFG appears between the optical frequency spectral components contained in the incoherent light, and the optical frequency is twice (half the wavelength) the center frequency of the incoherent light. Short wavelength light is generated. Here, SHG is included as a special case of SFG. That is, SFG is a process in which one high frequency light is generated from two low frequency spectral components of incoherent light, and SHG is a special case where the frequencies of the two low frequency spectral components are equal.

本願発明者は、2次非線形光学デバイスを用いた場合、インコヒーレント励起光源の光周波数スペクトルを与える曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線(以後、SHGカーブということもある)の半値全幅(以後、SHGバンド幅ということもある)ΔfSHGとの関係、及び、光差周波発生(Differential frequency generation、以下DFGと略す)の波長依存性の検討を通じて、次の知見を得た。 The inventor of the present application, when using a second-order nonlinear optical device, the full width at half maximum Δf pump of the curve that gives the optical frequency spectrum of the incoherent excitation light source, and the curve that gives the SHG light intensity with respect to the optical frequency of the SHG light (hereinafter, SHG curve). Through the examination of the relationship between the full width at half maximum (hereinafter also referred to as SHG bandwidth) Δf SHG and the wavelength dependency of differential frequency generation (hereinafter referred to as DFG), I got the knowledge.

詳細な計算を行ったところΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係が満たされるとき、この発明の方式によるSFG変換効率が従来のSHG変換効率を上回ることを見出した。 As a result of detailed calculations, it has been found that when the relationship Δf pump ≦ 1.2 Δf SHG is satisfied, the SFG conversion efficiency according to the method of the present invention exceeds the conventional SHG conversion efficiency.

また、Δfpump>0.7ΔfSHGの関係が満たされると、従来のコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件より、この発明の方式によるインコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件が緩和されるという知見が得られた。 Further, when the relationship of Δf pump > 0.7Δf SHG is satisfied, the phase matching required for the SHG conversion obtained by the incoherent light source according to the method of the present invention from the phase matching condition required for the SHG conversion obtained by the conventional coherent light source The knowledge that the conditions are relaxed was obtained.

そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の光源装置が提供される。   Therefore, according to the gist of the present invention, a light source device having the following configuration is provided.

この光源装置は、nを2以上の整数として、位相整合波長がλPMWであるn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスと、λPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光源とを備え、このインコヒーレント光源から出力されるインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、このインコヒーレント光に対するn次の光和周波発生により、波長λPMW/nの和周波光を発生させることを特徴とする。 The light source device includes a non-linear optical device having an n-th order nonlinear optical effect in which n is an integer of 2 or more and a phase matching wavelength is λ PMW , and an incoherent spectrum having a continuous optical frequency spectrum including a wavelength component of λ PMW The incoherent light output from the incoherent light source is input to the nonlinear optical device, and the nth-order optical sum frequency generation for the incoherent light is generated to generate the sum frequency light of wavelength λ PMW / n It is characterized by making it.

波長変換効率を高くするためには、インコヒーレント光の光周波数スペクトル特性を与える光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係を満たすのが好ましい。 In order to increase the wavelength conversion efficiency, the full width at half maximum Δf pump of the optical frequency curve that gives the optical frequency spectrum characteristics of incoherent light and the full width at half maximum Δf SHG of the curve that gives the SHG light intensity with respect to the optical frequency of SHG light are Δf It is preferable to satisfy the relationship of pump ≦ 1.2Δf SHG .

位相整合条件を緩和するには、インコヒーレント光の光周波数スペクトル特性を与える光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump>0.7ΔfSHGの関係を満たすのが好ましい。 To relax the phase matching condition, the full width at half maximum Δf pump of the optical frequency curve giving the optical frequency spectral characteristics of incoherent light and the full width at half maximum Δf SHG of the curve giving the SHG light intensity with respect to the optical frequency of SHG light are Δf pump It is preferable to satisfy the relationship> 0.7Δf SHG .

この発明の光源装置によれば、インコヒーレント光源から出力されるλPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光が、n次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスに入力される構成とされているので、波長がλPMW/nの変換光を発生させることが可能である。 According to the light source device of the present invention, incoherent light having a continuous optical frequency spectrum including a wavelength component of λ PMW output from an incoherent light source is input to a nonlinear optical device having an nth-order nonlinear optical effect. Since it is configured, it is possible to generate converted light having a wavelength of λ PMW / n.

そして、2次非線形光学デバイスを用いた場合、光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとの関係を、上述のように狭くしあるいは広くすることによって、従来のコヒーレント光源を利用する光源装置に比べて、波長変換効率を高くすることも、位相整合条件を緩和することも可能である。 And when using a second-order nonlinear optical device, by narrowing or widening the relationship between the full width at half maximum Δf pump of the optical frequency curve and the full width at half maximum Δf SHG of the curve giving the SHG light intensity as described above, Compared with a light source device using a conventional coherent light source, the wavelength conversion efficiency can be increased and the phase matching condition can be relaxed.

従ってこの発明の光源装置によれば、レーザ光源に代えてインコヒーレント光源を準備することで済み、光源の調達を容易にする。そして、高価なコヒーレント光源を必要としないことから、低コストで光源装置を実現することが可能となる。すなわち、光源装置がインコヒーレント光源を利用して構築可能となったことから、従来のコヒーレント光源を必要とする光源装置以外の装置が設計可能となったことで、光源装置に対する設計の自由度の増大に貢献することができる。   Therefore, according to the light source device of the present invention, it is only necessary to prepare an incoherent light source instead of the laser light source, and the procurement of the light source is facilitated. Since an expensive coherent light source is not required, a light source device can be realized at low cost. That is, since the light source device can be constructed using an incoherent light source, it is possible to design a device other than a light source device that requires a conventional coherent light source. Can contribute to increase.

また、この発明のインコヒーレント光源を利用する光源装置、あるいはこの発明のインコヒーレント光源を利用して、波長変換効率を高くする技術あるいは位相整合条件を緩和する技術を応用すれば、自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置を実現することが可能であり、特に偏光量子もつれ光子対発生装置、あるいは時間位置量子もつれ光子対発生装置を実現することが可能となる。更に、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、同様に、相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生装置を実現することが可能となる。   In addition, if a light source device using the incoherent light source of the present invention, or a technique for increasing the wavelength conversion efficiency or a technique for relaxing the phase matching condition using the incoherent light source of the present invention is applied, A correlated photon pair generating device that generates correlated photon pairs can be realized, and in particular, a polarization entangled photon pair generating device or a time-position entangled photon pair generating device can be realized. Furthermore, using the output light from the incoherent light source, similarly, a correlated photon pair generating device, a polarization quantum entangled photon pair generating device, and a time position quantum entangled photon pair generating device for generating a correlated photon pair can be realized. It becomes possible.

すなわち、相関光子対発生装置がインコヒーレント光源を利用して構築可能となったことから、従来のコヒーレント光源を必要とする相関光子対発生装置に加えて、インコヒーレント光源を利用して実現される装置の設計が可能となったことで、相関光子対発生装置に対する設計の自由度の増大に貢献することができる。   That is, since the correlation photon pair generation device can be constructed using an incoherent light source, it is realized using an incoherent light source in addition to a correlation photon pair generation device that requires a conventional coherent light source. Since the apparatus can be designed, it is possible to contribute to an increase in the degree of freedom in designing the correlated photon pair generating apparatus.

この発明の第1の光源装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。1 is a block configuration diagram schematically showing a basic configuration of an embodiment of a first light source device of the present invention. FIG. SHGバンド幅ΔfSHG及び入力光スペクトル幅Δfpumpについての説明に供するグラフである。It is a graph with which it uses for description about SHG bandwidth (DELTA) f SHG and input light spectrum width (DELTA) f pump . 入力光の光電場の振幅を微小周波数Δfごとに2N個に分割して表示した光周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the optical frequency spectrum which divided | segmented and displayed the amplitude of the photoelectric field of input light for 2N pieces for every minute frequency (DELTA) f. 本願発明の波長変換によるSFG光強度と従来方式の波長変換によるSHG光強度との比、及び本願発明の波長変換によるSFGスペクトル幅の入力光スペクトル幅依存性についての説明に供する図である。It is a figure which uses for description about ratio of SFG light intensity by wavelength conversion of this invention and SHG light intensity by wavelength conversion of a conventional system, and input light spectrum width dependence of SFG spectrum width by wavelength conversion of this invention. 入力光スペクトル幅の変化に応じた、SFG光強度の入力光強度依存性の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the input light intensity dependence of SFG light intensity according to the change of input light spectrum width. 入力光強度一定の下で入力光スペクトル幅に対する、PSFG/PSHG比及びSFG光スペクトル幅を評価した実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result which evaluated P SFG / P SHG ratio and SFG light spectrum width with respect to input light spectrum width under fixed input light intensity. 中心光周波数、f0/2からのずれ量δpに対する許容度を評価するために行った、入力光強度を固定しデバイスの動作温度を変化させたときのSFG光強度の変化についての実験結果を示す図である。Center optical frequency, was conducted to evaluate the tolerance for shift amounts [delta] p from f 0/2, the experimental results for the variation of the SFG light intensity when changing the operating temperature of the fixed input light intensity device FIG. 本願発明の光源装置に利用されるインコヒーレント光源の構成例について概略的に示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows roughly about the structural example of the incoherent light source utilized for the light source device of this invention. この発明の第2の光源装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。FIG. 5 is a block configuration diagram schematically showing a basic configuration of an embodiment of a second light source device of the present invention. 第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた励起光を用いた第1の相関光子対発生装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。FIG. 3 is a block configuration diagram schematically showing a basic configuration of an embodiment of a first correlated photon pair generating device using excitation light generated by a first light source device or a second light source device. 第1の相関光子対発生装置において、SFWMを利用する場合に好適な光リジェクションフィルタ及び光分離回路の概略的ブロック構成図である。FIG. 3 is a schematic block configuration diagram of an optical rejection filter and an optical separation circuit suitable for using SFWM in the first correlated photon pair generation device. type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例を概略的に示すブロック構成図である。1 is a block configuration diagram schematically illustrating a configuration example of a polarization entangled photon pair generation device using a type-I type second-order nonlinear optical device. FIG. type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の他の構成例を概略的に示すブロック構成図である。FIG. 10 is a block configuration diagram schematically illustrating another configuration example of a polarization entangled photon pair generation device using a type-I type second-order nonlinear optical device. type-II型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例を概略的に示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows roughly the example of a structure of the polarization entangled photon pair generator using the type-II type | mold secondary nonlinear optical device. 第2の相関光子対発生装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。FIG. 5 is a block configuration diagram schematically showing a basic configuration of an embodiment of a second correlated photon pair generation device. 第2の相関光子対発生装置において、SFWMを利用する場合に好適な光リジェクションフィルタ及び光分離回路の概略的ブロック構成図である。FIG. 5 is a schematic block configuration diagram of an optical rejection filter and an optical separation circuit suitable for using SFWM in the second correlated photon pair generation device. type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の他の構成例を概略的に示すブロック構成図である。FIG. 10 is a block configuration diagram schematically illustrating another configuration example of a polarization entangled photon pair generation device using a type-I type second-order nonlinear optical device. モード変換器の構成例を概略的に示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows schematically the structural example of a mode converter.

以下、図1〜図18を参照してこの発明の光源装置、並びに相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置の実施形態につき説明する。以下の説明において、特定の素子及び動作条件等を取り上げることがあるが、これら素子及び動作条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、光源装置、並びに相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生装置の概略的構成を示す図のそれぞれは、この発明に係る装置の全体あるいは一部の構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。   Hereinafter, referring to FIG. 1 to FIG. 18, the light source device of the present invention, a correlated photon pair generating device, a polarization entangled photon pair generating device specialized for polarization entangled photon pair generation, and a time-position entangled photon pair generation An embodiment of a time-position entangled photon pair generation device specialized in the present invention will be described. In the following description, specific elements and operating conditions may be taken up, but these elements and operating conditions are only one preferred example, and are not limited to these. Each of the diagrams showing schematic configurations of the light source device, the correlated photon pair generating device, the polarization entangled photon pair generating device, and the time-position quantum entangled photon pair generating device is the whole or a part of the device according to the present invention. However, the present invention is not limited to the illustrated example, but merely illustrates the arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood.

<第1の光源装置>
≪1≫
図1を参照して、この発明の光源装置の実施形態の第1の光源装置について説明する。第1の光源装置は、位相整合波長がλPMWである2次非線形光学効果を有する第1の非線形光学デバイス1と、このλPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトル(以後、単に光スペクトルと略することもある)を有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源2とを備えている。そして、このインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、インコヒーレント光に対する2次の非線形光学効果により、波長λPMW/2の和周波光を発生させる。
<First light source device>
≪1≫
A first light source device according to an embodiment of the light source device of the present invention will be described with reference to FIG. The first light source device includes a first nonlinear optical device 1 having a second-order nonlinear optical effect whose phase matching wavelength is λ PMW , and a continuous optical frequency spectrum including a wavelength component of λ PMW (hereinafter simply referred to as optical And an incoherent light source 2 that outputs incoherent light having a spectrum (may be abbreviated as spectrum). Then, the incoherent light is input to the nonlinear optical device, and the sum frequency light having the wavelength λ PMW / 2 is generated by the second-order nonlinear optical effect on the incoherent light.

インコヒーレント光源2から出力される出力光は、レンズ等で構成される光学結合系3を介して第1の非線形光学デバイス1に入力される。第1の非線形光学デバイス1において、インコヒーレント光源2の有する光スペクトル成分間でSFGが生じ、インコヒーレント光源2の中心光周波数の2倍の光周波数の短波長光が発生する。発生した短波長光を、必要であればレンズ等で構成される光学結合系4を介して外部に出力し、実用に供する。   The output light output from the incoherent light source 2 is input to the first nonlinear optical device 1 via the optical coupling system 3 including a lens or the like. In the first nonlinear optical device 1, SFG occurs between optical spectral components of the incoherent light source 2, and short wavelength light having an optical frequency twice as high as the center optical frequency of the incoherent light source 2 is generated. The generated short-wavelength light is output to the outside via an optical coupling system 4 composed of a lens or the like, if necessary, for practical use.

ここで、第1の非線形光学デバイス1において、従来技術のように単一波長のレーザ光を入力してSHG光を発生させるときに、位相整合が実現されて得られる最大強度のSHG光の光周波数をf0とする。このときの入力単一波長レーザ光(励起光)の光周波数はf0/2である。一般的に、このときの入力単一波長レーザ光の光周波数を波長に換算した値2c/f0は位相整合波長(λPMW)と呼ばれる。ここで、cは真空中での光速度である。なお、SHG光の光周波数f0は、最大強度のSHG光が得られるときのSHG光の光周波数に相当し、このf0を波長に換算するとλPMW/2に相当する。 Here, in the first nonlinear optical device 1, when SHG light is generated by inputting laser light having a single wavelength as in the prior art, light of maximum intensity SHG light obtained by realizing phase matching. Let f 0 be the frequency. The optical frequency of the input single wavelength laser beam (excitation light) at this time is f 0/2 . In general, the value 2c / f 0 obtained by converting the optical frequency of the input single-wavelength laser light into a wavelength at this time is called a phase matching wavelength (λ PMW ). Here, c is the speed of light in vacuum. The optical frequency f 0 of the SHG light corresponds to the optical frequency of the SHG light when the SHG light having the maximum intensity is obtained, and this f 0 corresponds to λ PMW / 2 when converted into a wavelength.

図2(A)及び(B)を参照して、SHGバンド幅ΔfSHG及び入力光スペクトル幅Δfpumpについて説明する。図2(A)はSHG光周波数に対するSHG光強度の関係(SHGカーブ)を示すグラフであり、図2(B)は入力励起光周波数に対する光周波数スペクトル強度の関係(インコヒーレント光源の光周波数スペクトル)を示すグラフである。図2(A)に示すように、入力単一波長レーザ光の波長(又は光周波数)を変えた場合に、SHG光強度が上述した最大SHG光強度の半分以上得られるときのSHG光の光周波数の可変範囲(半値全幅)をSHGバンド幅ΔfSHGとする。よく知られているようにSHGカーブは一般的にsinc関数の2乗で与えられる形状をもつ。また、図2(B)に示すように、インコヒーレント光源の光周波数スペクトルは、光周波数がf0/2の成分を含んでその周りに広がった連続的な光スペクトルであるものとする。この光スペクトルの半値全幅を入力光スペクトル幅Δfpumpとする。 With reference to FIGS. 2A and 2B, the SHG bandwidth Δf SHG and the input optical spectrum width Δf pump will be described. Fig. 2 (A) is a graph showing the relationship (SHG curve) of SHG light intensity to SHG optical frequency, and Fig. 2 (B) is the relationship of optical frequency spectrum intensity to input pumping light frequency (optical frequency spectrum of incoherent light source). ). As shown in FIG. 2 (A), when the wavelength (or optical frequency) of the input single-wavelength laser light is changed, the light of the SHG light when the SHG light intensity is obtained more than half the maximum SHG light intensity described above. The variable frequency range (full width at half maximum) is the SHG bandwidth Δf SHG . As is well known, the SHG curve generally has a shape given by the square of the sinc function. Further, as shown in FIG. 2 (B), the optical frequency spectrum of the incoherent light source is assumed optical frequency is a continuous light spectrum spread around its comprise components of f 0/2. The full width at half maximum of this optical spectrum is defined as the input optical spectral width Δf pump .

インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であることがもっとも望ましい。また、詳細は後述するが、その光スペクトルの入力光スペクトル幅Δfpumpは、SHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGと同程度あるいはそれより狭いことが望ましい。しかしながら、この第1の光源装置によって得られる効果の一部を実現するためには、これらの条件は必ずしも必要とされない。 Curve giving the optical frequency spectrum of the incoherent light source, it is most desirable is symmetric with respect to the optical frequency axis about the optical frequency f 0/2. Although details will be described later, it is desirable that the input optical spectrum width Δf pump of the optical spectrum is equal to or narrower than the SHG bandwidth Δf SHG of the SHG curve. However, these conditions are not necessarily required in order to realize a part of the effect obtained by the first light source device.

次に、図2(B)に示す光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光によって発生するSHG及びSFGについて考察する。   Next, SHG and SFG generated by incoherent light having the optical frequency spectrum shown in FIG. 2 (B) will be considered.

まず、SHGについて、発生するSHG光の光周波数をfとすると、このSHG光は入力光の光周波数成分のうち、光周波数f/2の成分からしか発生しない。入力光は連続的なスペクトル形状を有するので、このような周波数成分は全スペクトル成分のうちのごくわずかでしかなく、そのため発生するSHG光は、後述するSFG光に比べて非常に弱い。   First, regarding the SHG, if the optical frequency of the generated SHG light is f, the SHG light is generated only from the component of the optical frequency f / 2 among the optical frequency components of the input light. Since the input light has a continuous spectral shape, such frequency components are only a fraction of the total spectral components, and the generated SHG light is very weak compared to SFG light described later.

一方、SFGについて、SFG光の光周波数をfとすると、このSFG光は入力光の光周波数成分のうち、光周波数(f/2)+δfの周波数成分と光周波数(f/2)-δfの周波数成分から発生する。δfの組み合わせは、光スペクトル帯域の範囲内で無数に存在するため、SFG光は基本的にSHG光より非常に強い強度で発生する。   On the other hand, for SFG, if the optical frequency of the SFG light is f, this SFG light has the optical frequency (f / 2) + δf frequency component and the optical frequency (f / 2)-δf among the optical frequency components of the input light. It is generated from the frequency component. Since there are an infinite number of combinations of Δf within the range of the optical spectrum band, SFG light is basically generated with a much stronger intensity than SHG light.

すなわち、この第1の光源装置で発生する短波長光はSFGによるもので、SHGによるものはほとんど無いものと考えてよい。   That is, it can be considered that the short wavelength light generated in the first light source device is due to SFG, and there is almost no light due to SHG.

≪2≫
次に、SFGによって発生する短波長光の強度について考察する。
≪2≫
Next, the intensity of short wavelength light generated by SFG will be considered.

まず、簡単のために、入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを微小周波数Δfごとに2N個に分割して考察する。図3に、横軸に光周波数をとり、縦軸に光電場の振幅の大きさをとって、微小周波数Δfごとに2N個に分割した入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを示す。各光周波数領域における単位周波数あたりの光電場の振幅をer(r=-N, -N+1, -N+2, …, -1, 1, 2, …, N)とする。 First, for the sake of simplicity, the optical frequency spectrum of the amplitude of the photoelectric field of the input light will be considered by dividing it into 2N for each minute frequency Δf. FIG. 3 shows an optical frequency spectrum of the amplitude of the photoelectric field of the input light divided into 2N for each minute frequency Δf, with the horizontal axis representing the optical frequency and the vertical axis representing the magnitude of the photoelectric field amplitude. Let the amplitude of the photoelectric field per unit frequency in each optical frequency region be er (r = -N, -N + 1, -N + 2,..., -1, 1, 2,..., N).

ここで、rの順番は、光周波数f0/2より高周波数側の領域を中心から順に、1, 2, …, Nとおき、光周波数f0/2より低周波数側の領域を中心から順に、-1, -2, …, -Nとおく。微小周波数Δfが十分に小さければ、r番目の光電場の振幅erの光と-r番目の光電場の振幅e-rの光とが、光周波数f0のSFG光を発生すると考えてよい。(er, e-r)の組み合わせはN通りあるので、結果、SFGによって光周波数f0で発生する単位周波数あたりの非線形分極をp(f0)とおくと、次式(1)となる。ここで、dはSHGテンソル、krはr番目の光電場の振幅がerである光の波数であり、φrはr番目の光電場の振幅がerである光の相対位相である。 Here, the order of r, in order from the center region than the optical frequency f 0/2 high frequency side, 1, 2, ..., N Distant from the center of the area than the optical frequency f 0/2 low-frequency side In order, -1, -2, ..., -N. If fine frequency Δf is sufficiently small, and the light of the r-th amplitude e r of the optical field light and -r th optical electric field amplitude e -r, it may be considered to generate an SFG light of optical frequency f 0 . Since there are N combinations of (e r , e −r ), if the nonlinear polarization per unit frequency generated by the SFG at the optical frequency f 0 is p (f 0) , the following equation (1) is obtained. Here, d is SHG tensor, k r is the wave number of the light amplitude of the r-th light field is e r, the phi r is the r-th light relative phase amplitude of the light field is e r .

Figure 2015114539
Figure 2015114539

上述の式(1)を結合モード方程式に代入して解けば、SFG光強度の計算ができる。ここで簡単のために、入力光、SFG光の伝搬損失をゼロ、また、入力励起光の減衰もないものとすれば、光周波数f0で発生する単位周波数値のSFG光の光電場の振幅ef0は次式(2)で与えられる結合モード方程式に従う。 If the above equation (1) is substituted into the coupled mode equation and solved, the SFG light intensity can be calculated. For simplicity, if the propagation loss of the input light and SFG light is zero and there is no attenuation of the input pumping light, the amplitude of the SFG light photoelectric field of the unit frequency value generated at the optical frequency f 0 e f0 follows the coupled mode equation given by the following equation (2).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

ここで、ΔkrはΔkr≡kf0−kr−k-r−Kと定義される位相不整合量を表し、kf0はSFG光の波数である。また、Kは擬似位相整合のための分極反転周期に対応したパラメータであり、分極反転周期Λに対してΛ/2πで与えられる。更に、Aは屈折率等を含む比例係数である。 Here, Δk r represents a phase mismatch amount defined as Δk r ≡k f0 −k r −k −r −K, and k f0 is the wave number of SFG light. K is a parameter corresponding to the polarization inversion period for quasi-phase matching, and is given by Λ / 2π with respect to the polarization inversion period Λ. Furthermore, A is a proportional coefficient including a refractive index.

ここで便宜のために、全ての(er、e-r)の組み合わせに対して位相整合が成り立っているとする。すなわち、Δkr=0であるとする。後述するように、この仮定は妥当性がある。式(2)を解けば、次式(3)が得られる。ここで、Lはデバイス長である。 Here, for convenience, it is assumed that phase matching is established for all combinations of (e r , e −r ). That is, it is assumed that Δk r = 0. As will be explained later, this assumption is valid. Solving equation (2) yields equation (3) below. Here, L is the device length.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

さて、発生するSFG光は|ef02に比例するため、単位周波数あたりのSFG光強度をiSFG(f0)とおけば、iSFG(f0)は次式(4)で与えられる。ここで、Bは誘電率等を含む比例係数である。 Now, since the generated SFG light is proportional to | e f0 | 2 , if the SFG light intensity per unit frequency is i SFG (f 0 ), i SFG (f 0 ) is given by the following equation (4). . Here, B is a proportional coefficient including a dielectric constant and the like.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

式(4)の右辺の最後の(Σ)×(Σ)なる積において、入力光がインコヒーレント光であるために、位相φrはランダムに揺れている。それゆえに、r≠mなる積の項の時間平均値はゼロとなり、結果として式(4)は、次式(5)となる。 In the last product (Σ) × (Σ) on the right side of Equation (4), the phase φ r fluctuates randomly because the input light is incoherent light. Therefore, the time average value of the product term r ≠ m is zero, and as a result, Equation (4) becomes the following Equation (5).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

ここで、|er2は入力光の単位周波数あたりのスペクトル強度ir(スペクトル密度)に比例することを考慮すれば、式(5)は、次式(6)となる。ここで、Cは比例係数である。 Here, considering that | e r | 2 is proportional to the spectral intensity i r (spectral density) per unit frequency of the input light, equation (5) becomes the following equation (6). Here, C is a proportional coefficient.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

いま、入力光スペクトルが、f0/2を中心としたピークスペクトル強度がI0であり、半値全幅(入力光スペクトル幅)がΔfpumpであるガウス曲線型であるとする。つまり、スペクトル強度波形は、次式(7)で与えられるとする。 Now, the input light spectrum, the peak spectral intensity around the f 0/2 is I 0, the full width at half maximum (input optical spectral width) is assumed to be Gaussian type is Delta] f pump. That is, the spectrum intensity waveform is given by the following equation (7).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

このとき、入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを2N個に分割したときの分割幅に当たる微小周波数Δfが十分に小さければ、次式(8)で与えられるようになる。   At this time, if the minute frequency Δf corresponding to the division width when the optical frequency spectrum of the amplitude of the photoelectric field of the input light is divided into 2N pieces is sufficiently small, the following expression (8) is given.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

また、入力光の平均強度Ppumpは、次式(9)で与えられる。 Further, the average intensity P pump of the input light is given by the following equation (9).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

式(8)及び(9)を式(6)に代入すると、次式(10)が得られる。   Substituting equations (8) and (9) into equation (6) yields the following equation (10).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

入力インコヒーレント光は連続スペクトルを有するから、様々な周波数成分のSFG光が発生する。詳細は後述するが、SFG光のスペクトル形状は、ΔfpumpがΔfSHGに比べて十分広ければ、図2(A)に示すような半値全幅がΔfSHGのsinc2関数となる。すなわち、SHGカーブと一致する。SFG光の全強度PSFGは、式(10)のピーク強度を有し、半値全幅ΔfSHGのsinc2関数の全積分値で与えられるからsinc2関数の性質を使って次式(11)が得られる。 Since the input incoherent light has a continuous spectrum, SFG light having various frequency components is generated. Although details will be described later, the spectral shape of the SFG light, Delta] f pump is is sufficiently wider than the Delta] f SHG, full width at half maximum as shown in FIG. 2 (A) the sinc 2 function of Delta] f SHG. That is, it matches the SHG curve. Total intensity P SFG of SFG light has a peak intensity of formula (10), the following equation since given by the total integrated value of the sinc 2 function of FWHM Delta] f SHG with the nature of the sinc 2 function (11) can get.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

式(10)及び(11)から、SFG光の強度PSFGと入力光の強度Ppumpは次式(12)で与えられる関係をもつ。 From the expressions (10) and (11), the intensity P SFG of the SFG light and the intensity P pump of the input light have a relationship given by the following expression (12).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

同様の議論を、従来の単一波長レーザ光励起によるSHGに適用した場合、位相整合が取れているときのSHG光強度PSHGと入力光強度Ppumpとの関係は、次式(13)で与えられる。 When the same argument is applied to conventional SHG pumped by single-wavelength laser light, the relationship between the SHG light intensity P SHG and the input light intensity P pump when phase matching is obtained is given by the following equation (13): It is done.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

式(12)と式(13)とを比較すれば次のことが言える。すなわち、入力光の光スペクトル幅ΔfpumpがSHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGの1.5倍であるとき、第1の光源装置は、従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置と同等の変換効率を有する。そして、入力光の光スペクトル幅Δfpumpがこれより狭い場合、第1の光源装置は、従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置よりも高い変換効率を有する。つまり、第1の光源装置は、同じ励起光強度に対して得られる短波長光強度は強いものとなる。 Comparing equation (12) and equation (13), the following can be said. That is, when the optical spectrum width Δf pump of the input light is 1.5 times the SHG bandwidth Δf SHG of the SHG curve, the first light source device has a conversion efficiency equivalent to that of a conventional light source device using SHG by laser light excitation. When the optical spectrum width Δf pump of the input light is narrower than this, the first light source device has higher conversion efficiency than the conventional light source device using SHG by laser light excitation. That is, the first light source device has a high short-wavelength light intensity obtained for the same excitation light intensity.

以上の議論は、第1の光源装置に対して近似的な特性をよく説明するが、より厳密な議論が必要である。例えば、式(12)によれば、入力光の光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFG光強度は無限大に発散するが、現実にはこのようなことは起こらない。それは、入力光の光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFGスペクトルもまたそれに応じて狭くなっていくからである。このため実際には、以下の計算結果が示すように、第1の光源装置が従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置と同等の変換効率を有するのは、入力光の光スペクトル形状がガウス曲線で与えられる場合、入力光の光スペクトル幅ΔfpumpがSHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGの約1.2倍であるときになる。 Although the above discussion fully explains the approximate characteristics of the first light source device, more rigorous discussion is required. For example, according to the equation (12), as the optical spectrum width Δf pump of the input light becomes narrower, the SFG light intensity diverges infinitely, but this does not happen in reality. This is because as the optical spectrum width Δf pump of the input light becomes narrower, the SFG spectrum also becomes narrower accordingly. Therefore, as shown in the calculation results below, the first light source device has a conversion efficiency equivalent to that of a conventional SHG light source device excited by laser light because the optical spectrum shape of the input light is a Gaussian curve. When given, the optical spectrum width Δf pump of the input light is about 1.2 times the SHG bandwidth Δf SHG of the SHG curve.

そこで、より厳密な理論的考察を行う。これまでの近似的議論を参照すれば、光周波数fでの単位周波数あたりのSFG光強度iSFG(f)は、位相不整合の効果も考慮して次式(14)で表される。 Therefore, a more rigorous theoretical consideration is given. Referring to the approximate discussion so far, the SFG light intensity i SFG (f) per unit frequency at the optical frequency f is expressed by the following equation (14) in consideration of the effect of phase mismatch.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

ここで、Sin(x)は光周波数xでの入力光の単位周波数あたりでのスペクトル強度である。また、位相不整合量Δは、次式(15)で与えられる。 Here, S in (x) is the spectral intensity per unit frequency of the input light at the optical frequency x. Further, the phase mismatch amount Δ is given by the following equation (15).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

また、全SFG光強度PSFGは次式(16)の全積分で与えられる。 Further, the total SFG light intensity P SFG is given by the total integral of the following equation (16).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

ここで、入力インコヒーレント光のスペクトル帯域内で、第1の非線形光学デバイス1(2次非線形光学デバイス)の屈折率の波長依存性が線形であると仮定する。すなわち、屈折率が、a及びbを定数とし、波長λの関数として次式(17)で近似されるとする。
n=aλ+b (17)
Here, it is assumed that the wavelength dependence of the refractive index of the first nonlinear optical device 1 (second-order nonlinear optical device) is linear within the spectrum band of the input incoherent light. That is, it is assumed that the refractive index is approximated by the following equation (17) as a function of the wavelength λ, where a and b are constants.
n = aλ + b (17)

このとき、光周波数f、(f/2)+x、(f/2)-xに対応する波長を、それぞれλf、λ(f/2)+x、λ(f/2)-xとして、SFGのエネルギー保存則
(1/λf)=(1/λ(f/2)+x)+(1/λ(f/2)-x
を利用すれば、光周波数f、(f/2)+x、(f/2)-xに対応する波数を、それぞれkf、k(f/2)+x、k(f/2)-xとして、位相不整合量Δは、
Δ≡kf−k(f/2)+x−k(f/2)-x−K=(2π/λf)−4πa−(2πb/λf)−K
となり、位相不整合量Δはxに無依存になり、式(14)におけるsinc2関数の部分は積分の外に出せる。また、この位相不整合量Δは、光周波数f/2に対応する波長及び波数を、それぞれλf/2及びkf/2として、
Δ≡(2π/λf)−4πa−(2πb/λf)−K=(2π/λf)−4πa−(4πb/λf/2)−K=kf−2kf/2−K
ともおけるので、SHGカーブにおける位相不整合量とも等しい。ただし、ここで、
1/λf=2/λf/2であることを用いた。
At this time, the wavelengths corresponding to the optical frequencies f, (f / 2) + x, and (f / 2) -x are λ f , λ (f / 2) + x , and λ (f / 2) -x , respectively. , SFG Energy Conservation Law
(1 / λ f) = ( 1 / λ (f / 2) + x) + (1 / λ (f / 2) -x)
The wave numbers corresponding to the optical frequencies f, (f / 2) + x, (f / 2) -x are k f , k (f / 2) + x , k (f / 2)- As x , the phase mismatch amount Δ is
Δ≡k f −k (f / 2) + x −k (f / 2) -x −K = (2π / λ f ) −4πa− (2πb / λ f ) −K
Thus, the phase mismatch amount Δ is independent of x, and the sinc 2 function part in the equation (14) can be out of the integration. Further, the phase mismatch amount Δ is set such that the wavelength and wave number corresponding to the optical frequency f / 2 are λ f / 2 and k f / 2 , respectively.
Δ≡ (2π / λ f ) −4πa− (2πb / λ f ) −K = (2π / λ f ) −4πa− (4πb / λ f / 2 ) −K = k f −2k f / 2 −K
Therefore, it is equal to the phase mismatch amount in the SHG curve. Where
It was used that 1 / λ f = 2 / λ f / 2 .

上述の屈折率の線形近似性は、例えば、DFGの変換効率の波長依存性からその妥当性が評価できる。すなわち、上述の線形近似が成り立つ範囲では、位相整合が成り立つために変換効率が変化しない。例えば文献A(Tadashi Kishimoto and Koji Nakamura, “Periodically Poled MgO-doped Stoichiometric LiNbO3 Wavelength Converter With Ridge-Type Annealed Proton-Exchanged Waveguide", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, No. 3, pp. 161-163 (2011) )に開示されている、本願の発明者等の実験結果によれば、素子長6 cmのPPLN導波路型デバイスでは、典型的におおよそ60 nm程度の波長範囲で変換効率は変化しないことがわかっている。従って、入力光のスペクトル帯域がこの程度であれば、上述の線形近似が成り立ち、以下に示す議論が成り立つと仮定してよい。 The validity of the above-mentioned linear approximation of the refractive index can be evaluated from the wavelength dependence of the conversion efficiency of DFG, for example. That is, in the range where the above-described linear approximation is established, the phase matching is established, so that the conversion efficiency does not change. For example, Reference A (Tadashi Kishimoto and Koji Nakamura, “Periodically Poled MgO-doped Stoichiometric LiNbO 3 Wavelength Converter With Ridge-Type Annealed Proton-Exchanged Waveguide”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, No. 3, pp. 161-163 According to the results of experiments conducted by the inventors of the present application disclosed in (2011)), in a PPLN waveguide type device having an element length of 6 cm, the conversion efficiency typically does not change in a wavelength range of about 60 nm. I know that. Therefore, if the spectral band of the input light is about this level, it may be assumed that the above-described linear approximation holds and the following discussion holds.

上述の厳密な理論的考察と同様に、入力光が半値全幅Δfpumpのガウス曲線で与えられるスペクトル形状を有しているとする。また、その中心光周波数が、f0/2からδpずれているものとする。また、sinc2関数部分については、それがSHGカーブと一致し、半値全幅がΔfSHGであることから、次式(18)で表現される。 Similar to the strict theoretical consideration described above, it is assumed that the input light has a spectral shape given by a Gaussian curve having a full width at half maximum Δf pump . Further, the center optical frequency is assumed to shift [delta] p from f 0/2. Also, the sinc 2 function part is expressed by the following equation (18) because it matches the SHG curve and the full width at half maximum is Δf SHG .

Figure 2015114539
Figure 2015114539

以上の仮定から、式(14)の積分を実行すると、単位周波数あたりのSFG光の強度iSFG(f)は、次式(19)となる。 Based on the above assumption, when the integration of Expression (14) is executed, the intensity i SFG (f) of the SFG light per unit frequency is expressed by the following Expression (19).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

同様に従来のレーザ光を用いたSHGの場合のSHG光強度PSHGは、次式(20)で与えられる。 Similarly, the SHG light intensity P SHG in the case of SHG using conventional laser light is given by the following equation (20).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

式(10)と式(19)とを比較して、式(19)の右辺最後の項が、入力光のスペクトル帯域が狭くなったときのSFGスペクトルの狭窄化を示す。また同じく、入力光の中心光周波数の最適値(f0/2)からのずれの効果を示す。 Comparing Equation (10) with Equation (19), the last term on the right side of Equation (19) shows the narrowing of the SFG spectrum when the spectrum band of the input light is narrowed. Similarly, the effect of deviation from the optimum value (f 0/2 ) of the center optical frequency of the input light is shown.

≪3≫
次に、式(16)、(19)、(20)を用いて、第1の光源装置によるSFG光強度と、従来の単一波長レーザ光励起によるSHG光強度との比PSFG/PSHGの入力光スペクトル幅依存性を計算した結果を図4(A)及び(B)に示す。図4(A)は横軸に入力光バンド幅比Δfpump/ΔfSHGをとり(ΔfSHGで規格化してある)、縦軸にSFG光強度/SHG光強度の比(PSFG/PSHG)をとってある。図4(B)は横軸に入力光バンド幅比Δfpump/ΔfSHGをとり、縦軸にSFGバンド幅/SHGバンド幅の比ΔfSFG/ΔfSHG(ΔfSHGで規格化してある)をとって示してある。また、δp=0の理想的な場合を仮定している。
≪3≫
Next, using the expressions (16), (19), and (20), the ratio P SFG / P SHG between the SFG light intensity by the first light source device and the SHG light intensity by the conventional single wavelength laser light excitation The results of calculating the input light spectrum width dependence are shown in FIGS. 4 (A) and (B). In FIG. 4A, the horizontal axis represents the input optical bandwidth ratio Δf pump / Δf SHG (normalized by Δf SHG ), and the vertical axis represents the ratio of SFG light intensity / SHG light intensity (P SFG / P SHG ). Is taken. In Fig. 4 (B), the horizontal axis represents the input optical bandwidth ratio Δf pump / Δf SHG , and the vertical axis represents the SFG bandwidth / SHG bandwidth ratio Δf SFG / Δf SHG (normalized by Δf SHG ). It is shown. An ideal case where δ p = 0 is assumed.

図4(A)に示すように、本願発明の波長変換方式が従来のコヒーレント光源を用いるSHGによる方式より高変換効率になるのは、入力光スペクトル幅がSHGバンド幅ΔfSHGの約1.2倍以下となるときであることがわかる。ここで、PSFG/PSHG=1となる入力光スペクトル幅を臨界スペクトル幅と呼ぶ。 As shown in FIG. 4 (A), the wavelength conversion method of the present invention has a higher conversion efficiency than the conventional SHG method using a coherent light source. The input optical spectrum width is about 1.2 times the SHG bandwidth Δf SHG or less. It can be seen that Here, the input optical spectrum width where P SFG / P SHG = 1 is referred to as a critical spectral width.

この臨界スペクトル幅は、入力光のスペクトル形状に依存する。図4(A)には、入力光スペクトルが矩形波形(点線)である場合と、ローレンツ波形(一点鎖線)である場合の計算結果も示している。臨界スペクトル幅はそれぞれ、約1.6倍(矩形)、約0.45倍(ローレンツ波形)と見積もられた。すなわち、スペクトル形状が急峻になるほど臨界スペクトル幅は広くなる(より広いスペクトル幅で変換効率の逆転現象が生じる)。これは、スペクトルが急峻になるほど中心部のスペクトル密度が高くなり、そしてSFG光強度はスペクトル密度の2乗に比例するからである。   This critical spectral width depends on the spectral shape of the input light. FIG. 4A also shows calculation results when the input light spectrum is a rectangular waveform (dotted line) and a Lorentz waveform (dashed line). The critical spectral widths were estimated to be about 1.6 times (rectangular) and about 0.45 times (Lorentz waveform), respectively. That is, the steeper spectral shape increases the critical spectral width (the conversion efficiency is reversed with a wider spectral width). This is because the spectral density at the center increases as the spectrum becomes steeper, and the SFG light intensity is proportional to the square of the spectral density.

いずれの波形においても、PSFG/PSHGの最大値は2に収束していく。式(19)においてδp=0(ずれなし)で、入力光スペクトル幅がSHGバンド幅に比べて狭くなってくると、式(19)におけるsinc2関数部分は近似的に1とおけ、結果SFGスペクトルの形状は半値全幅 のガウス波形に近似される。そして、このときの全SFG光強度PSFGは、次式(21)で与えられる。 In either waveform, the maximum value of P SFG / P SHG converges to 2. When δ p = 0 (no deviation) in equation (19) and the input optical spectrum width becomes narrower than the SHG bandwidth, the sinc 2 function portion in equation (19) is approximately 1 and the result The shape of the SFG spectrum is approximated to a full width at half maximum Gaussian waveform. The total SFG light intensity P SFG at this time is given by the following equation (21).

Figure 2015114539
Figure 2015114539

すなわち、入力光スペクトルの帯域狭窄化による、従来のSHG方式に対する変換効率の改善は、最大2倍で収束することがわかる。   That is, it can be seen that the improvement of the conversion efficiency with respect to the conventional SHG method by narrowing the bandwidth of the input light spectrum converges at a maximum of 2 times.

δpがゼロでない場合、SFG光強度は低下する。δpがゼロでないことは、入力光スペクトルが光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して非対称であることを意味する。すなわち、本発明の効果を最大化するには、入力光スペクトルはf0/2を中心として光周波数軸に関して対称であることが最も望ましい。しかしながら一方で、入力光スペクトルの帯域が十分広いと、式(19)の右辺最後のExp{ }の部分は、δpがある程度大きくなっても1からあまり変化しない。このことは、δpに対する許容度が高くなることを意味する。 If [delta] p is not zero, SFG light intensity is reduced. It [delta] p is not zero, it means that the input spectrum is asymmetric with respect to the optical frequency axis about the optical frequency f 0/2. That is, in order to maximize the effect of the present invention, it is most desirable that the input optical spectrum is symmetric about the optical frequency axis with f 0/2 as the center. On the other hand, however, if the bandwidth of the input optical spectrum is sufficiently wide, the portion of Exp {} at the end of the right side of Equation (19) does not change much from 1 even if Δp increases to some extent. This means that the tolerance for δ p is increased.

式(19)から、SFG光強度が約半分になるδpの許容度はおおよそΔfpump/(21/2)であり、入力光スペクトル幅に比例して増加する。一方、従来方式のレーザ光励起によるSHGの場合、式(20)から、δpに対する許容度はΔfSHGの半分程度である。従って、Δfpump>ΔfSHG/(21/2)≒0.7ΔfSHGの関係が満たされると、従来のコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件より、この発明の方式によるインコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件が緩和される。 From Equation (19), the tolerance of δ p at which the SFG light intensity is about half is approximately Δf pump / (2 1/2 ), which increases in proportion to the input light spectrum width. On the other hand, in the case of SHG using conventional laser light excitation, the tolerance for Δp is about half of Δf SHG from Equation (20). Therefore, when the relationship of Δf pump > Δf SHG / (2 1/2 ) ≈0.7Δf SHG is satisfied, the incoherent light source according to the method of the present invention is obtained from the phase matching condition required for the SHG conversion obtained by the conventional coherent light source. The phase matching condition required for the SHG conversion obtained by the above is relaxed.

これらのことは、第1の光源装置においては入力光スペクトルの帯域を十分広くすれば、入力光スペクトルの中心周波数がずれていても変換効率を一定に保つことができることを意味する。さらにまた、非線形光学デバイスの、例えば温度が変化して、f0の値が変化しても、変換効率の低下を小さくできることを意味する。一方、従来のレーザ光励起によるSHGでは、入力レーザ光の波長や非線形光学デバイスの温度に非常に敏感であり、これらは精密に制御される必要があった。 These means that in the first light source device, if the bandwidth of the input light spectrum is sufficiently wide, the conversion efficiency can be kept constant even if the center frequency of the input light spectrum is shifted. Furthermore, even if the temperature of the nonlinear optical device changes, for example, the value of f 0 changes, it means that the reduction in conversion efficiency can be reduced. On the other hand, the conventional SHG based on laser beam excitation is very sensitive to the wavelength of the input laser beam and the temperature of the nonlinear optical device, and these have to be precisely controlled.

以上の議論を一見すると、従来方式のレーザ光励起による波長変換を用いた場合であっても、入力レーザ光が縦多モードレーザであり、十分なスペクトル広がりを持っていれば、第1の光源装置と同様な変換効率の増加やδpに対する許容度増加の効果が得られるように思える。しかしながら下記に述べる理由によりこのような効果は生じない。 At first glance, the first light source device can be used as long as the input laser beam is a longitudinal multimode laser and has a sufficient spectral spread even when wavelength conversion using conventional laser beam excitation is used. It seems that the same effect of increasing the conversion efficiency and the tolerance of δ p can be obtained. However, such an effect does not occur for the reason described below.

すなわち、例えば入力レーザ光が縦多モードレーザであり、N本のレーザ発振モードを有しており、そのうち一本がf0/2に一致するとする。この時、この一致した発振モードに対してSHGが生じ、ほかの縦モード間でSFGが生じる。レーザ光の全強度をPとすれば、各縦モードの強度は高々P/Nである。またSFGを生じる縦モードの組み合わせは(N-1)/2である。結果、SFGとSHGのトータルの強度は高々次式(22)で与えられ、単一縦モードレーザで励起した場合の値と同じである。 That is, for example, it is assumed that the input laser beam is a longitudinal multi-mode laser and has N laser oscillation modes, one of which matches f 0/2 . At this time, SHG is generated for the matched oscillation mode, and SFG is generated between the other longitudinal modes. If the total intensity of the laser beam is P, the intensity of each longitudinal mode is at most P / N. The combination of the longitudinal modes that generate SFG is (N-1) / 2. As a result, the total intensity of SFG and SHG is at most given by the following equation (22), which is the same as the value when excited by a single longitudinal mode laser.

Figure 2015114539
Figure 2015114539

また、上述の議論は各縦モードが同じ周波数間隔で並んでかつ同位相であった場合である。一般的な縦多モードレーザはこのようになっておらず、効率はより低下する。   Further, the above discussion is a case where the longitudinal modes are arranged at the same frequency interval and in phase. A general longitudinal multimode laser does not do this, and the efficiency is further reduced.

さらにまた、δpが与えられたとき、これがΔfSHGを超えて大きければ、位相不整合が大きいためにSHGは生ぜず、同じくSFGも生じない。すなわち、δpに対する許容度は結局、単一縦モードレーザで励起した場合と変わらない。すなわち、第1の光源装置の効果は入力光が連続的なスペクトルを有するインコヒーレント光源であるために生じ、共振器構造で決まる離散的なスペクトル構造を有する縦多モードレーザを用いては第1の光源装置の効果を得ることはできない。 Furthermore, when δ p is given, if it is larger than Δf SHG , SHG does not occur due to large phase mismatch, and SFG does not occur as well. That is, the tolerance for δ p is not different from the case where it is excited by a single longitudinal mode laser. That is, the effect of the first light source device is generated because the input light is an incoherent light source having a continuous spectrum, and the first multi-mode laser having a discrete spectral structure determined by the resonator structure is used for the first light source device. The effect of the light source device cannot be obtained.

次にSFG光のスペクトル幅について考察する。図4(B)には、SFG光のスペクトル幅の入力光スペクトル幅依存性の計算結果を示す。図4(B)でも上述したように、図4(A)と同様に横軸の入力光スペクトル幅はSHGバンド幅ΔfSHGで規格化してある。また縦軸のSFG光スペクトル幅もSHGバンド幅ΔfSHGで規格化してある。またδp=0の理想的な場合とした。 Next, the spectral width of SFG light is considered. FIG. 4B shows the calculation result of the dependence of the spectrum width of SFG light on the input light spectrum width. As described above in FIG. 4B, the input optical spectrum width on the horizontal axis is normalized by the SHG bandwidth Δf SHG as in FIG. 4A. Also, the SFG light spectrum width on the vertical axis is normalized by the SHG bandwidth Δf SHG . The ideal case where δ p = 0 was assumed.

入力光スペクトル幅Δfpumpが十分広い場合、SFGスペクトル幅はほぼSHGバンド幅ΔfSHGと同じで変化がない。これは式(19)において、Δfpump≫ΔfSHGとした場合、SFGスペクトル形状はSHGカーブとほぼ一致することから理解できる。入力光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFGスペクトル幅も狭くなっていく。これは単調減少でありその結果、SFGスペクトル幅がSHGスペクトル幅より広くなることはない。 When the input light spectral width Δf pump is sufficiently wide, the SFG spectral width is almost the same as the SHG bandwidth Δf SHG and does not change. This can be understood from the fact that in the equation (19), when Δf pump >> Δf SHG , the SFG spectrum shape almost coincides with the SHG curve. As the input light spectral width Δf pump becomes narrower, the SFG spectral width also becomes narrower. This is a monotonic decrease and as a result, the SFG spectral width will never be wider than the SHG spectral width.

後述するように、例えば長さ6 cmのPPLN導波路型デバイスを用いた場合、SHGバンド幅は約0.1 nm(光周波数で50GHz)程度と狭い。この値は、いわゆる分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback laser)などの縦単一モードレーザのスペクトル幅(典型的には数百kHz〜MHz)に比べれば広いが、一方、ファブリペローレーザなどの縦多モードレーザのスペクトル幅(数nm)に比べれば非常に狭い。すなわち、第1の光源装置によれば、通常のレーザ光や、あるいはまたレーザ光のSHGで得られる波長変換光と遜色のない、高い時間コヒーレンスを持った波長変換光を出力することができる。   As will be described later, for example, when a PPLN waveguide type device having a length of 6 cm is used, the SHG bandwidth is as narrow as about 0.1 nm (optical frequency is 50 GHz). This value is wider than the spectral width (typically several hundred kHz to MHz) of a longitudinal single-mode laser such as a so-called distributed feedback laser, but on the other hand, such as a Fabry-Perot laser. It is very narrow compared to the spectral width (several nm) of a multimode laser. That is, according to the first light source device, it is possible to output wavelength-converted light having high time coherence that is not inferior to the wavelength-converted light obtained by normal laser light or SHG of the laser light.

本願の発明者は、以上で述べた理論的考察を実証するための実証実験を行った。実験に用いたのは、上述の文献Aで述べられているのと同様なPPLN導波路型デバイスである。素子長6 cm、および2 cmのデバイスに対して評価を行った。   The inventor of the present application conducted a verification experiment to verify the theoretical consideration described above. A PPLN waveguide device similar to that described in the above-mentioned document A was used for the experiment. Evaluations were made on devices with element lengths of 6 cm and 2 cm.

素子長6 cmのデバイスは、温度41.5℃での疑似位相整合波長(=2c/f0)は1551.05 nm、このときのSHG変換効率は約650 %/Wであった。またSHGバンド幅(ΔfSHG)は約50 GHz(波長にして0.1 nm)であった。一方、素子長2 cmのデバイスは、温度25.0℃での疑似位相整合波長は1548.54nm、このときのSHG変換効率は約62 %/Wであった。またSHGバンド幅(ΔfSHG)は約150 GHz(0.3 nm)であった。 The device with an element length of 6 cm had a pseudo phase matching wavelength (= 2c / f 0 ) of 151.55 nm at a temperature of 41.5 ° C., and the SHG conversion efficiency at this time was about 650% / W. The SHG bandwidth (Δf SHG ) was about 50 GHz (0.1 nm wavelength). On the other hand, the device with an element length of 2 cm had a pseudo phase matching wavelength of 1548.54 nm at a temperature of 25.0 ° C., and the SHG conversion efficiency at this time was about 62% / W. The SHG bandwidth (Δf SHG ) was about 150 GHz (0.3 nm).

インコヒーレント光源としては市販のエルビウム添加光ファイバ増幅器(Er3+-doped fiber amplifier、以下EDFAと略す)が発生する増幅自然放出雑音光(Amplified Spontaneous Emission、以下ASE光と略す)を用いた。EDFAからのASE光を、様々な透過帯域幅を有する光バンドパスフィルタを通過させることで、入力光源の入力光スペクトル幅を変化させた。また入力光強度依存性などの諸特性を測定するために、EDFAや光バンドパスフィルタを複数個多段接続して使用した。 As the incoherent light source, an amplified spontaneous emission (Amplified Spontaneous Emission, hereinafter referred to as ASE light) generated by a commercially available erbium-doped fiber amplifier (Er 3+ -doped fiber amplifier, hereinafter referred to as EDFA) was used. By passing the ASE light from EDFA through optical bandpass filters with various transmission bandwidths, the input light spectral width of the input light source was changed. Also, in order to measure various characteristics such as input light intensity dependence, multiple EDFAs and optical bandpass filters were connected in multiple stages.

また従来のレーザ光励起によるSHG方式のリファレンスとして、単一波長半導体レーザを利用したSHG発生実験も行った。用いたレーザ光源は、市販の波長可変単一波長半導体レーザ光源であり、線幅が100 kHz程度の典型的な単一波長レーザ光源である。   In addition, an SHG generation experiment using a single-wavelength semiconductor laser was also conducted as a reference for the conventional SHG method using laser light excitation. The laser light source used is a commercially available tunable single wavelength semiconductor laser light source, which is a typical single wavelength laser light source having a line width of about 100 kHz.

なお以下の実験では、PPLN導波路型デバイスとしては偏光保持光ファイバピグテールを両端面に結合させて光モジュール化したものを用いた。以下でいう入力強度は、ファイバピグテールへの入力強度である。また、SFG光強度ないしはSHG光強度はファイバピグテールからの出力強度である。従って、実際にデバイスへ入出力される入力光強度、SFG(あるいはSHG)強度は、今回の実験値とは異なるが、それぞれの相対値の評価で第1の光源装置の実証実験としては十分である。   In the following experiments, a PPLN waveguide type device was used in which a polarization maintaining optical fiber pigtail was coupled to both end faces to form an optical module. The input intensity referred to below is the input intensity to the fiber pigtail. The SFG light intensity or SHG light intensity is the output intensity from the fiber pigtail. Therefore, although the input light intensity and SFG (or SHG) intensity actually input / output to / from the device are different from the experimental values this time, evaluation of each relative value is sufficient as a demonstration experiment of the first light source device. is there.

≪4≫
次に、図5を参照して、素子長6 cmのデバイスに対し、入力光スペクトル幅を変化させた場合の、SFG光強度の入力光強度依存性の測定結果について説明する。なお図中で入力光スペクトル幅は波長領域での値に換算してある。なお図中点線は、レーザ入力によるSHG発生の場合の結果である。SHGの場合のレーザ光波長、及びASE光入力による本発明のSFGによるときの中心波長はいずれも疑似位相整合波長に一致させた。なお、図5において、入力光スペクトル幅が0.128 nmに対して■で示し、入力光スペクトル幅が0.45 nmに対して▲で示し、入力光スペクトル幅が0.84 nmに対して●で示し、入力光スペクトル幅が2.6 nmに対して□で示し、入力光スペクトル幅が5.15 nmに対して△で示し、入力光スペクトル幅が14.55 nmに対して○で示してある。
≪4≫
Next, with reference to FIG. 5, the measurement result of the dependence of the SFG light intensity on the input light intensity when the input light spectrum width is changed for a device having an element length of 6 cm will be described. In the figure, the input light spectrum width is converted to a value in the wavelength region. The dotted line in the figure is the result when SHG is generated by laser input. Both the laser light wavelength in the case of SHG and the center wavelength in the case of the SFG of the present invention by ASE light input were matched with the quasi phase matching wavelength. In FIG. 5, the input light spectrum width is indicated by ■ for 0.128 nm, the input light spectrum width is indicated by ▲, and the input light spectrum width is indicated by ● for 0.84 nm. The spectrum width is indicated by □ for 2.6 nm, the input light spectrum width is indicated by Δ for 5.15 nm, and the input light spectrum width is indicated by ◯ for 14.55 nm.

いずれのスペクトル幅においてもSFG光強度は入力光強度の2乗に比例する。一方、同じ励起光強度では、発生するSFG光強度は、入力光スペクトル幅が狭くなるほど増加した。特に、入力光スペクトル幅が約0.45 nm (光周波数にして約56 GHz)の時、SFG光強度は従来例のレーザ入力によるSHG光強度とほぼ一致した。この入力スペクトル幅は、SHGバンド幅(50 GHz)の約1.13倍であり、先に述べた理論結果とよく一致した。さらに入力光スペクトル幅を0.45 nmより狭くすると、第1の光源装置によるSFG光強度は従来方式の光源装置によるSHG光強度よりも高くなり、第1の光源装置の効果を裏付ける結果が得られた。   In any spectral width, the SFG light intensity is proportional to the square of the input light intensity. On the other hand, with the same excitation light intensity, the generated SFG light intensity increased as the input light spectrum width narrowed. In particular, when the input optical spectrum width is about 0.45 nm (optical frequency is about 56 GHz), the SFG light intensity almost coincides with the SHG light intensity by the laser input of the conventional example. This input spectral width is about 1.13 times the SHG bandwidth (50 GHz), which is in good agreement with the theoretical results described above. Furthermore, when the input light spectrum width was narrower than 0.45 nm, the SFG light intensity by the first light source device was higher than the SHG light intensity by the conventional light source device, and the results supporting the effect of the first light source device were obtained. .

同様の実験を素子長2 cmの素子に対して実行した結果、入力光スペクトル幅が約1.3 nm (光周波数にして約162.5 GHz)のとき、SFG光強度は従来例のレーザ入力によるSHG光強度とほぼ一致した。この入力スペクトル幅は、SHGバンド幅(150 GHz)の約1.08倍であり、やはり理論結果とよく一致した。同じく、入力光スペクトル幅を1.3 nmより狭くすると、SFG光強度は従来方式のSHG光強度よりも増加した。   When the same experiment was performed on an element with a length of 2 cm, and the input optical spectrum width was about 1.3 nm (optical frequency was about 162.5 GHz), the SFG light intensity was the SHG light intensity from the conventional laser input. Almost matched. This input spectral width is about 1.08 times the SHG bandwidth (150 GHz), which is in good agreement with the theoretical results. Similarly, when the input light spectrum width was narrower than 1.3 nm, the SFG light intensity increased compared to the conventional SHG light intensity.

図6(A)及び(B)は、入力光強度一定(0 dBm)で評価した実験結果を示している。図6(A)は入力光スペクトル幅に対するPSFG/PSHG比を示し、図6(B)は入力光スペクトル幅に対するSFG光スペクトル幅の関係を示している。図6(A)及び(B)のいずれにおいても横軸にはnm単位で目盛って入力光スペクトル幅を示している。素子長6 cmの素子に対する実験値を○で示し、素子長2 cmの素子に対する実験値を●で示してある。また、素子長6 cmの素子に対す理論計算結果を図中実線で示し、素子長2 cmの素子に対す理論計算結果を点線で示してある。実験値と理論値は非常に良い合致を示しており、本発明の効果を実証する実験結果が得られた。 6 (A) and 6 (B) show the experimental results evaluated at a constant input light intensity (0 dBm). 6A shows the P SFG / P SHG ratio with respect to the input light spectrum width, and FIG. 6B shows the relationship of the SFG light spectrum width with respect to the input light spectrum width. 6 (A) and 6 (B), the horizontal axis indicates the input light spectrum width in units of nm. The experimental value for an element with an element length of 6 cm is indicated by ◯, and the experimental value for an element with an element length of 2 cm is indicated by ●. In addition, the theoretical calculation result for an element having an element length of 6 cm is indicated by a solid line in the figure, and the theoretical calculation result for an element having an element length of 2 cm is indicated by a dotted line. The experimental value and the theoretical value showed a very good agreement, and an experimental result demonstrating the effect of the present invention was obtained.

次に、δpに対する許容度を評価するために、素子長6 cmのデバイスに対して次のような実験を行った。すなわち、入力光強度を固定し、デバイスの動作温度を変化させたときのSFG光強度の変化を調べた。デバイスの動作温度を変化させると、疑似位相整合波長が変化し、これによりδpが生じる。疑似位相整合波長の温度変化量は、通常のSHG方式においてSHG光強度を最大化する入力波長の温度変化から見積もられ、おおよそ0.13 nm/℃であった。 Next, in order to evaluate the tolerance for δ p , the following experiment was performed on a device having an element length of 6 cm. In other words, we investigated the change in SFG light intensity when the input light intensity was fixed and the device operating temperature was changed. Changing the operating temperature of the device changes the quasi phase matching wavelength, which results in δ p . The temperature variation of the quasi-phase matching wavelength was estimated from the temperature variation of the input wavelength that maximizes the SHG light intensity in the normal SHG method, and was approximately 0.13 nm / ° C.

図7に実験結果を示す。図7において、横軸にデバイス温度をとり、縦軸にSHG光強度をdBm単位で目盛って示してある。変換光であるSHG光及びSFG光の強度が最大強度の半分以上である温度範囲を許容温度範囲と定義する。ここで点線は、従来方式であるレーザ光入力によるSHGの場合の実験結果を示し、許容温度範囲は約1.6℃程度であった。すなわち疑似位相整合波長の変化にして、0.13×1.6=0.208 nmとなる。これは光周波数にして約25 GHzとなり、先に述べたようにSHGバンド幅(50 GHz)の半分程度となっている。   Fig. 7 shows the experimental results. In FIG. 7, the horizontal axis represents the device temperature, and the vertical axis represents the SHG light intensity in units of dBm. A temperature range in which the intensity of the converted SHG light and SFG light is more than half of the maximum intensity is defined as an allowable temperature range. Here, the dotted line shows the experimental result in the case of SHG with laser light input, which is a conventional method, and the allowable temperature range was about 1.6 ° C. That is, the change in the quasi phase matching wavelength is 0.13 × 1.6 = 0.208 nm. This is about 25 GHz in terms of optical frequency, which is about half of the SHG bandwidth (50 GHz) as described above.

一方、図7には本願発明のインコヒーレント光入力によるSFG光の場合の許容温度範囲も示してある。すなわち、入力光スペクトル幅が0.208 nm(○で示してある)、2.87 nm(△で示してある)、5.45 nm(□で示してある)、及び10.8 nm(●で示してある)場合のデバイス温度に対するSFG光の強度の変化を示してある。本願発明のインコヒーレント光入力によるSFG光の場合、入力光スペクトル幅が広くなるに従い許容度が高くなった。例えば入力光スペクトル幅が10.8 nmの場合、15℃以上の温度変化に対してSFG光強度はほとんど変化しなかった。   On the other hand, FIG. 7 also shows the allowable temperature range in the case of SFG light by the incoherent light input of the present invention. That is, devices with input light spectral widths of 0.208 nm (indicated by a circle), 2.87 nm (indicated by a triangle), 5.45 nm (indicated by a square), and 10.8 nm (indicated by a black circle). The change in the intensity of SFG light with respect to temperature is shown. In the case of the SFG light by the incoherent light input of the present invention, the tolerance increases as the input light spectral width becomes wider. For example, when the input light spectrum width is 10.8 nm, the SFG light intensity hardly changed with respect to a temperature change of 15 ° C. or more.

以上の実験結果により、第1の光源装置の効果が実証できた。第1の光源装置を実施するに当たり、特にインコヒーレント光源の構成については様々な構成を利用することができる。インコヒーレント光源としては基本的には自然放出光源など様々な光源が利用できる。より高い光強度を出力し、それにより、より高い強度の波長変換光を出力するという観点から、インコヒーレント光源として光増幅作用を有するASE光源を利用することは好適な一例である。例えば、実証実験で利用したEDFAや、半導体光増幅器、あるいは発光ダイオード(Light Emitting Diode、以下LEDと略す)光源は好適な例である。   From the above experimental results, the effect of the first light source device could be verified. In implementing the first light source device, various configurations can be used particularly for the configuration of the incoherent light source. As the incoherent light source, various light sources such as a spontaneous emission light source can be basically used. From the viewpoint of outputting a higher light intensity and thereby outputting a wavelength-converted light having a higher intensity, it is a preferable example to use an ASE light source having an optical amplification function as an incoherent light source. For example, an EDFA, a semiconductor optical amplifier, or a light emitting diode (hereinafter abbreviated as LED) light source used in the demonstration experiment is a suitable example.

≪5≫
また、第1の光源装置のインコヒーレント光源としては、様々な形態が適用できる。図8(A)〜(E)を参照して、インコヒーレント光源の様々な構成例について説明する。
≪5≫
Various forms can be applied as the incoherent light source of the first light source device. With reference to FIGS. 8A to 8E, various configuration examples of the incoherent light source will be described.

インコヒーレント光源として、インコヒーレント光を出力する複数のインコヒーレント光源(自然放出光源)からの出力光を一箇所に集光しその集光されたインコヒーレント光を利用する形態とすることができる。すなわち、図8(A)に示すように、LEDアレイなど複数のインコヒーレント光源2からの出力光を、適当な光学結合系3を構成して第1の非線形光学デバイス1上の適当な一箇所に集光して用いることができる。LEDアレイなど複数のインコヒーレント光源2からの出力光を光学結合系3で集光し、光学結合系3から出力されたインコヒーレント光を第1の非線形光学デバイス1に入力させ、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。   As the incoherent light source, output light from a plurality of incoherent light sources (spontaneous emission light sources) that output incoherent light may be collected at one place and the collected incoherent light may be used. That is, as shown in FIG. 8 (A), the output light from a plurality of incoherent light sources 2 such as an LED array is formed into an appropriate optical coupling system 3 to form an appropriate location on the first nonlinear optical device 1. The light can be condensed and used. The output light from multiple incoherent light sources 2 such as LED arrays is collected by the optical coupling system 3, and the incoherent light output from the optical coupling system 3 is input to the first nonlinear optical device 1 to obtain the first nonlinear The converted light output from the optical device 1 is beam-shaped by the optical coupling system 4 and output.

また、図8(B)に示すように、複数のインコヒーレント光源からの出力光を第1の非線形光学デバイス1上の適当な複数個所にそれぞれ照射してSFG光を出力させ、それら複数箇所で発生したSFG光を適当な光学結合系4によって適当な1か所に集光して出力させる構成とすることでも、図8(A)の場合と同様な効果を得ることが出来る。   Further, as shown in FIG. 8 (B), output light from a plurality of incoherent light sources is irradiated to each appropriate plurality of locations on the first nonlinear optical device 1 to output SFG light. The same effect as in the case of FIG. 8A can also be obtained by condensing the generated SFG light at an appropriate location by an appropriate optical coupling system 4 and outputting it.

複数のインコヒーレント光源間には可干渉性がないことを考慮すれば、上述した式(4)〜式(5)で考慮した異なる周波数モード間での時間平均ゼロ化の効果は同様に成り立つものと考えられ、結果発生するSFG光は個々の光源の光出力の和の2乗に比例して増強されると考えられる。つまり、4台のLEDを使用すれば16倍、SFG光強度は増強される。同様なことは、複数のレーザ光源を用いたSHG発生でも技術的には可能であるが、増強効果を得るためには、個々のレーザ光源間の波長や位相を制御する必要があるのに対し、インコヒーレント光源の場合そのような対処は不要であるメリットがある。また各々のインコヒーレント光源の波長を少しずつ変えてやれば、トータルのスペクトル幅を広くでき、それによってδpの許容度を高くとることもできる。そのような構成は、例えば温度が大きく変わる環境下で、温度制御なしに一定の波長変換光強度を得たい場合などに特に有効である。 Considering that there is no coherence between multiple incoherent light sources, the effect of time-averaged zeroing between different frequency modes considered in Equations (4) to (5) above is the same. The resulting SFG light is thought to be enhanced in proportion to the square of the sum of the light output of each light source. In other words, using four LEDs increases the SFG light intensity by 16 times. The same thing is technically possible with SHG generation using multiple laser sources, but in order to obtain an enhancement effect, it is necessary to control the wavelength and phase between individual laser sources. In the case of an incoherent light source, there is an advantage that such a countermeasure is unnecessary. Also you do it by changing the wavelength of each of the incoherent light source gradually, so it is possible to increase the spectral width of the total, thereby also take high tolerance [delta] p. Such a configuration is particularly effective when, for example, it is desired to obtain a constant wavelength-converted light intensity without temperature control in an environment where the temperature changes greatly.

インコヒーレント光源を自然放出光源と光増幅器から構成することもできる。すなわち、図8(C)に示すように、自然放出光源であるインコヒーレント光源2からの出力光を光増幅器5で増幅したのちに第1の非線形光学デバイス1に入力する構成も好適な一例である。インコヒーレント光源2から出力されたインコヒーレント光を光増幅器5に入力させて増幅し、その出力光を光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。   The incoherent light source may be composed of a spontaneous emission light source and an optical amplifier. That is, as shown in FIG. 8C, a configuration in which the output light from the incoherent light source 2 that is a spontaneous emission light source is amplified by the optical amplifier 5 and then input to the first nonlinear optical device 1 is also a suitable example. is there. The incoherent light output from the incoherent light source 2 is input to the optical amplifier 5 and amplified, and the output light is collected by the optical coupling system 3 and input to the first nonlinear optical device 1. Then, the converted light output from the first nonlinear optical device 1 is beam-shaped by the optical coupling system 4 and output.

元になるインコヒーレント光源2からの出力光が弱くても本願発明の効果を実現できる。光増幅器5を複数個カスケード接続した構成を利用してもよい。このような構成を採用することで、元になるインコヒーレント光源2として、光増幅作用を有しない一般的な自然放出光源を利用することができる。   The effect of the present invention can be realized even if the output light from the original incoherent light source 2 is weak. A configuration in which a plurality of optical amplifiers 5 are cascade-connected may be used. By adopting such a configuration, a general spontaneous emission light source having no light amplification function can be used as the original incoherent light source 2.

また上述したように、インコヒーレント光源の入力光スペクトル幅をSHGカーブのSHGバンド幅より狭くすると、従来のレーザ光励起によるSHG方式よりも高効率な波長変換が実現できる。これを実現するために、図8(D)のような構成を利用することもできる。   Further, as described above, when the input light spectrum width of the incoherent light source is narrower than the SHG bandwidth of the SHG curve, wavelength conversion with higher efficiency than the conventional SHG method by laser light excitation can be realized. In order to realize this, a configuration as shown in FIG. 8D can also be used.

インコヒーレント光源2からの出力光は光バンドパスフィルタ6に入力されて光増幅器5で増幅される。光増幅器5からの出力光は光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。   Output light from the incoherent light source 2 is input to the optical bandpass filter 6 and amplified by the optical amplifier 5. Output light from the optical amplifier 5 is collected by the optical coupling system 3 and input to the first nonlinear optical device 1. Then, the converted light output from the first nonlinear optical device 1 is beam-shaped by the optical coupling system 4 and output.

すなわち、元の自然放出光源であるインコヒーレント光源2からの出力光のうち、光周波数f0/2近傍の光成分(λPMW近傍の波長成分)のみを光バンドパスフィルタ6で取り出し、光増幅器5で増幅する。このような構成にすることで、光増幅器5でf0/2近傍の光成分のみを誘導放出によって集中的に増幅でき、狭スペクトル幅でピークスペクトル強度I0が高いインコヒーレント光源を準備できる。また、このような光バンドパスフィルタと光増幅器を多段カスケード接続した構成を利用してもよい。 That is, of the output light from the incoherent light source 2 which is the original spontaneous emission source, extracts only the optical frequency f 0/2 near the optical components (lambda PMW wave component near) by the optical band-pass filter 6, an optical amplifier Amplify with 5. Such a configuration, an optical amplifier 5 can centrally amplified by stimulated emission only light components of f 0/2 vicinity, can prepare high incoherent light source peak spectral intensity I 0 in the narrow spectral width. Further, a configuration in which such an optical bandpass filter and an optical amplifier are connected in a multistage cascade may be used.

更に、インコヒーレント光源を、太陽光や照明光などの自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光増幅器と光バンドパスフィルタとを備えて構成し、自由空間光を光増幅器及び光バンドパスフィルタで光強度の増幅及び光スペクトル帯域の狭窄化を行って、非線形光学デバイスに入力させる構成とすることもできる。すなわち、図8(E)に示すように、インコヒーレント光源として、LEDなどのような光源デバイスや光源装置ではなく、例えば太陽光や照明光などの自由空間光を利用することも可能である。自由空間光取得装置8とは、LED等の発光源を含め、この発明の光源装置が備えて好適な光学結合系、光増幅器あるいは光バンドパスフィルタ等の素子にインコヒーレント光を入力するために、インコヒーレント光のビーム形状が好適な形状となるように調整する光学部品あるいはそれら素子の集合を総称するものである。太陽光を利用する場合は、太陽の動きに自動的に追従するための装置及び集光学系等を含めて自由空間光取得装置8というものとする。   Furthermore, the incoherent light source includes a free space light acquisition device that acquires free space light such as sunlight and illumination light, an optical amplifier, and an optical bandpass filter. A configuration in which the light intensity is amplified with a filter and the optical spectrum band is narrowed to be input to the nonlinear optical device may be employed. That is, as shown in FIG. 8 (E), free space light such as sunlight or illumination light can be used as the incoherent light source instead of a light source device or light source device such as an LED. The free space light acquisition device 8 includes a light source such as an LED for inputting incoherent light to an element such as an optical coupling system, an optical amplifier, or an optical bandpass filter suitable for the light source device of the present invention. A general term for an optical component or a set of these elements that are adjusted so that the beam shape of the incoherent light has a suitable shape. When using sunlight, the free space light acquisition device 8 includes a device for automatically following the movement of the sun, a light collection system, and the like.

自由空間光取得装置8から出力されるインコヒーレント光をレンズや光引き回し用の光ファイバなどの光学結合系7で集光し、光バンドパスフィルタ6で光スペクトル帯域の狭窄化を行って、光増幅器5で増幅される。光増幅器5からの出力光は光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。このような構成をとることで、光源についての自由度が高い光源装置を提供することができる。   The incoherent light output from the free-space light acquisition device 8 is collected by an optical coupling system 7 such as a lens or an optical fiber for optical routing, and the optical bandpass filter 6 narrows the optical spectrum band, and the light Amplified by the amplifier 5. Output light from the optical amplifier 5 is collected by the optical coupling system 3 and input to the first nonlinear optical device 1. Then, the converted light output from the first nonlinear optical device 1 is beam-shaped by the optical coupling system 4 and output. By adopting such a configuration, it is possible to provide a light source device having a high degree of freedom with respect to the light source.

上述の図8(C)〜(E)に示す実施の形態では、光増幅器5が使用されているが、第1の非線形光学デバイス1に入力させるインコヒーレント光の強度が十分であれば必ずしも必要とされない。   In the embodiment shown in FIGS. 8C to 8E, the optical amplifier 5 is used. However, it is not always necessary if the intensity of the incoherent light input to the first nonlinear optical device 1 is sufficient. And not.

≪6≫
第1の光源装置によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、インコヒーレント光源を励起光源としてその半分の波長の波長変換光を発生できる。光源のスペクトル幅を2次非線形光学デバイスのSHGカーブのバンド幅より狭くすることで、従来のSHG方式よりも高効率に波長変換光を発生できる。あるいはまた光源のスペクトル幅を2次非線形光学デバイスのSHGカーブのバンド幅より十分広くすることで、従来のSHG方式よりも位相不整合に鈍感で環境温度の変化などに耐性がある波長変換光を発生できる。さらにまた、励起光源の選択における自由度が高くなる。
≪6≫
According to the first light source device, the following effects can be expected. That is, wavelength-converted light having a half wavelength can be generated using an incoherent light source as an excitation light source. By making the spectral width of the light source narrower than the bandwidth of the SHG curve of the second-order nonlinear optical device, wavelength-converted light can be generated more efficiently than the conventional SHG method. Alternatively, by making the spectrum width of the light source sufficiently wider than the bandwidth of the SHG curve of the second-order nonlinear optical device, wavelength-converted light that is less sensitive to phase mismatch than the conventional SHG method and is resistant to changes in ambient temperature, etc. Can occur. Furthermore, the degree of freedom in selecting the excitation light source is increased.

<第2の光源装置>
≪1≫
図9を参照して、3次以上の次数の非線形光学デバイスを用いた場合を取り上げて、この発明の光源装置の実施形態の第2の光源装置について説明する。
<Second light source device>
≪1≫
With reference to FIG. 9, a second light source device according to an embodiment of the light source device of the present invention will be described by taking up a case where a nonlinear optical device of the third or higher order is used.

第2の光源装置は、nを3以上の整数としてn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスと、位相整合が実現する波長(λPMW)成分を含む連続的な光周波数スペクトル(以後、単に光スペクトルと略することもある)を有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源とを備えている。そして、このインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、インコヒーレント光に対するn次非線形光学効果により、波長λPMW/nの和周波光を発生させる。 The second light source device includes a non-linear optical device having an n-order nonlinear optical effect where n is an integer of 3 or more and a continuous optical frequency spectrum including a wavelength (λ PMW ) component that realizes phase matching (hereinafter simply referred to as an optical device). And an incoherent light source that outputs incoherent light having a spectrum (which may be abbreviated as spectrum). Then, the incoherent light is input to the nonlinear optical device, and the sum frequency light having the wavelength λ PMW / n is generated by the nth-order nonlinear optical effect on the incoherent light.

インコヒーレント光源22の出力光は、レンズ等で構成される光学結合系23を介してn次非線形光学デバイス21に入力される。n次非線形光学デバイス21において、インコヒーレント光源22の有する光周波数スペクトル成分間で高次の光和周波発生(High-Order Sum-Frequency Generation、以下HO-SFGと略す)が生じ、インコヒーレント光源22の光周波数f0/nのn倍の光周波数f0の短波長光が発生する。必要であれば生じた短波長光をレンズ等で構成される光学結合系24を介して外部に出力し実用に供する。 The output light of the incoherent light source 22 is input to the nth-order nonlinear optical device 21 through an optical coupling system 23 configured with a lens or the like. In the nth-order nonlinear optical device 21, high-order sum-frequency generation (hereinafter abbreviated as HO-SFG) occurs between optical frequency spectral components of the incoherent light source 22, and the incoherent light source 22 Short wavelength light having an optical frequency f 0 which is n times the optical frequency f 0 / n is generated. If necessary, the generated short wavelength light is output to the outside through an optical coupling system 24 composed of a lens or the like for practical use.

なお第2の光源装置においては、nを3以上の整数として、n次非線形光学デバイスを利用したn次高調波発生において、位相整合あるいは疑似位相整合が実現されてn次高調波強度が最大化されるときの入力単一波長レーザ光の波長を位相整合波長あるいは疑似位相整合波長λPMWと呼ぶこととする。 In the second light source device, n is an integer of 3 or more, and phase matching or quasi-phase matching is realized in n-order harmonic generation using an n-order nonlinear optical device, so that the n-order harmonic intensity is maximized. In this case, the wavelength of the input single wavelength laser light is referred to as a phase matching wavelength or a quasi phase matching wavelength λ PMW .

≪2≫
第2の光源装置の効果を議論するために、第2の光源装置によって得られる効果が発現する条件について整理する。第2の光源装置の効果は、以下の(1)〜(3)に示す条件によって得られるものである。
(1)光周波数fのSFG光を発生する励起光周波数の組み合わせが、連続的な光スペクトルを有するインコヒーレント光源では光スペクトル帯域の範囲内で無数に存在する。
(2)異なる周波数モード間では位相相関がないため、単位周波数あたりのSFG光強度が式(4)〜式(5)のように変形できる。
(3)式(17)に示すような屈折率の波長依存性の線形性があれば、任意のSFG光周波数に対し、位相不整合量が励起光周波数の組み合わせ方によらない(式(14)におけるxによらない)。この条件は、SFG光周波数をf0とした場合には、入力光スペクトルの全ての励起光周波数の組み合わせが位相整合条件を満足することを意味する。
≪2≫
In order to discuss the effects of the second light source device, the conditions under which the effects obtained by the second light source device are manifested are summarized. The effects of the second light source device are obtained under the conditions shown in the following (1) to (3).
(1) An incoherent light source having a continuous optical spectrum has an infinite number of combinations of pumping light frequencies that generate SFG light having an optical frequency f within the optical spectrum band.
(2) Since there is no phase correlation between different frequency modes, the SFG light intensity per unit frequency can be transformed as shown in equations (4) to (5).
(3) If there is a wavelength-dependent linearity of the refractive index as shown in equation (17), the phase mismatch amount does not depend on the combination of pumping light frequencies for any SFG optical frequency (equation (14 ) Do not depend on x). This condition means that when the SFG optical frequency is f 0 , all combinations of pumping light frequencies in the input optical spectrum satisfy the phase matching condition.

このことを踏まえて、例えば3次非線形光学デバイスにおける光第3高調波発生(Third Harmonic Generation、以後THGと略す)に相当する短波長光を発生する場合について考察する。この場合、THG光周波数をfTHGとすると、次式(23)を満足する3つの励起光周波数成分f1、f2、f3の組み合わせが光周波数fTHGのTHGに相当する短波長光を発生する。
fTHG=f1+f2+f3 (23)
この効果は、3次のSFGであり、上述したように高次の光和周波発生(HO-SFG)である。
Based on this, for example, a case where short wavelength light corresponding to third harmonic generation (hereinafter referred to as THG) in a third-order nonlinear optical device is generated will be considered. In this case, assuming that the THG optical frequency is f THG , the combination of the three pumping light frequency components f 1 , f 2 , and f 3 that satisfy the following equation (23) is a short wavelength light equivalent to THG of the optical frequency f THG. Occur.
f THG = f 1 + f 2 + f 3 (23)
This effect is a third-order SFG, and higher-order optical sum frequency generation (HO-SFG) as described above.

入力光がfTHG/3を中心光周波数に持つ、連続的な光スペクトルを有するインコヒーレント光源であれば、上述の式(23)を満足する励起光の組み合わせは無数に存在し、つまり上記の条件(1)を満足する。また、やはり異なる光周波数モード間では位相相関がないため、上記の条件(2)と同様な形でHO-SFG光強度は与えられると考えてよい。 If the input light is an incoherent light source having a continuous light spectrum with f THG / 3 as the central optical frequency, there are innumerable combinations of pumping light satisfying the above equation (23). Condition (1) is satisfied. Further, since there is no phase correlation between different optical frequency modes, it can be considered that the HO-SFG light intensity is given in the same manner as the above condition (2).

次に、光周波数成分f1、f2、f3が同じ光周波数帯域にあり、屈折率分散の線形性があるならば、THG波長をλTHGとし、光周波数成分f1、f2、f3に対応する波長を、それぞれλ1、λ2、λ3とすると、エネルギー保存則
1/λTHG=(1/λ1)+(1/λ2)+(1/λ3)
と表される。また、位相不整合量Δは、光周波数成分f1、f2、f3に対応する波数を、それぞれk1、k2、k3とし、Kを上述した擬似位相整合のための分極反転周期に対応したパラメータとすれば、
Δ≡kTHG−k1−k2−k3−K=(2π/λTHG)−6πa−(2πb/λTHG)−K
となり、位相不整合量Δは光周波数成分f1、f2、f3の組み合わせによらない。つまり上記の条件(3)を満足する。
Next, if the optical frequency components f 1 , f 2 , and f 3 are in the same optical frequency band and there is a linearity of refractive index dispersion, the THG wavelength is λ THG and the optical frequency components f 1 , f 2 , f If the wavelengths corresponding to 3 are λ 1 , λ 2 , and λ 3 , respectively, the energy conservation law
1 / λ THG = (1 / λ 1 ) + (1 / λ 2 ) + (1 / λ 3 )
It is expressed. The phase mismatch amount Δ is the polarization inversion period for the quasi-phase matching described above, where the wave numbers corresponding to the optical frequency components f 1 , f 2 , and f 3 are k 1 , k 2 , and k 3 , respectively. If the parameter corresponds to
Δ≡k THG −k 1 −k 2 −k 3 −K = (2π / λ THG ) −6πa− (2πb / λ THG ) −K
Thus, the phase mismatch amount Δ does not depend on the combination of the optical frequency components f 1 , f 2 , and f 3 . That is, the above condition (3) is satisfied.

以上のことから、第1の光源装置の場合と同様に、インコヒーレント光源と3次非線形光学デバイスを用いて、3次のHO-SFG効果を用いることで、THGに相当する短波長の光を効率よく発生できるものと考えられる。さらにまたこのことを一般化すれば、インコヒーレント光源とn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスを用いて、n次のHO-SFG効果を用いることで、入力インコヒーレント光のn倍の光周波数(波長にして1/n)の短波長光を効率よく発生できるものと考えられる。   From the above, as in the case of the first light source device, by using a third-order HO-SFG effect using an incoherent light source and a third-order nonlinear optical device, light having a short wavelength corresponding to THG can be obtained. It is thought that it can be generated efficiently. Furthermore, if this is generalized, using an incoherent light source and a nonlinear optical device having an nth-order nonlinear optical effect, and using the nth-order HO-SFG effect, the optical frequency is n times that of the input incoherent light. It is considered that short wavelength light (1 / n in wavelength) can be efficiently generated.

≪3≫
第2の光源装置に依れば、第1の光源装置の効果に加えて以下の効果が期待できる。すなわち、インコヒーレント光とn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスを用いて、入力インコヒーレント光の1/nの波長の短波長光を効率よく発生できる。
≪3≫
According to the second light source device, the following effects can be expected in addition to the effects of the first light source device. That is, it is possible to efficiently generate short-wavelength light having a 1 / n wavelength of input incoherent light by using a non-linear optical device having incoherent light and an nth-order nonlinear optical effect.

<第1の相関光子対発生装置>
≪1≫
第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた波長変換光を利用すれば、この波長変換光を励起光としたSPDCあるいはSFWMにより相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、及びそれを用いた偏光量子もつれ光子対発生装置及び時間位置量子もつれ光子対発生装置が実現される。以後、偏光量子もつれ光子対発生装置と時間位置量子もつれ光子対発生装置を総称して量子もつれ光子対発生装置ということもある。また、後述する同種の装置と区別するため、ここで説明する相関光子対発生装置を第1の相関光子対発生装置という。
<First correlated photon pair generator>
≪1≫
Correlated photon pair generating device that generates correlated photon pairs by SPDC or SFWM using the wavelength converted light as excitation light if wavelength converted light generated by the first light source device or the second light source device is used, and the same A polarization entangled photon pair generation device and a time-position entangled photon pair generation device are realized. Hereinafter, the polarization entangled photon pair generator and the time position quantum entangled photon pair generator may be collectively referred to as a quantum entangled photon pair generator. Further, in order to distinguish from the same type of device described later, the correlated photon pair generating device described here is referred to as a first correlated photon pair generating device.

図10を参照して、第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた励起光を用いた第1の相関光子対発生装置の構成を説明する。   With reference to FIG. 10, the configuration of the first correlated photon pair generating device using the excitation light generated by the first light source device or the second light source device will be described.

第1の相関光子対発生装置は、光源装置30、光ハイパスフィルタ32、第2の非線形光学デバイス31、光リジェクションフィルタ33、及び光分離回路34を備えている。第2の非線形光学デバイス31は、2次非線形光学効果によってSPDCを発現する2次非線形光学デバイス、あるいは3次非線形光学効果によってSFWMを発現する3次非線形光学デバイスである。光ハイパスフィルタ32は、インコヒーレント光源の有する光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分(高次のSFG光)を透過する。光リジェクションフィルタ33は、高次のSFG光を除去してSPDCあるいはSFWMによる相関光子対成分のみを透過する。光分離回路34は、SPDCあるいはSFWMによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対を、最終的にそれぞれ空間分離して出力する。 The first correlated photon pair generation device includes a light source device 30, an optical high-pass filter 32, a second nonlinear optical device 31, an optical rejection filter 33, and an optical separation circuit. The second nonlinear optical device 31 is a second-order nonlinear optical device that expresses SPDC by the second-order nonlinear optical effect, or a third-order nonlinear optical device that expresses SFWM by the third-order nonlinear optical effect. The optical high-pass filter 32 removes a light component in the vicinity of the optical frequency f 0 / n of the incoherent light source and transmits a light component in the vicinity of the optical frequency f 0 (high-order SFG light). The optical rejection filter 33 removes high-order SFG light and transmits only the correlated photon pair component by SPDC or SFWM. The light separation circuit 34 finally spatially separates and outputs correlated photon pairs composed of signal photons and idler photons generated by SPDC or SFWM.

光源装置30から出力される波長変換光は、光ハイパスフィルタ32を経過したのち、第2の非線形光学デバイス31へと入力される。第2の非線形光学デバイス31において、この波長変換光成分を励起光とするSPDCあるいはSFWMが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。発生した相関光子対は光リジェクションフィルタ33を経過したのち、光分離回路34においてシグナル光子成分、アイドラー光子成分に空間分離されて出力される。   The wavelength-converted light output from the light source device 30 is input to the second nonlinear optical device 31 after passing through the optical high-pass filter 32. In the second nonlinear optical device 31, SPDC or SFWM using this wavelength converted light component as excitation light is generated, and a correlated photon pair consisting of a signal photon and an idler photon is generated. The generated correlation photon pair passes through the optical rejection filter 33, and then is spatially separated into a signal photon component and an idler photon component in the light separation circuit 34 and output.

≪2≫
光源装置30から出力される波長変換光は、光ハイパスフィルタ32を経過して第2の非線形光学デバイス31へと入力される。光ハイパスフィルタ32は、光源装置30から出力される光周波数f0/n近傍のインコヒーレント光成分を除去し、光周波数f0近傍の波長変換光成分のみを出力する。このような光ハイパスフィルタは誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。その結果、第2の非線形光学デバイス31へは光周波数f0近傍の波長変換光成分のみが入力される。すると第2の非線形光学デバイス31において、この波長変換光成分を励起光とするSPDCあるいはSFWMが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。
≪2≫
The wavelength-converted light output from the light source device 30 passes through the optical high-pass filter 32 and is input to the second nonlinear optical device 31. The optical high-pass filter 32 removes the incoherent light component near the optical frequency f 0 / n output from the light source device 30, and outputs only the wavelength converted light component near the optical frequency f 0 . Such an optical high-pass filter is commercialized using a dielectric multilayer filter or the like. As a result, only the wavelength converted light component in the vicinity of the optical frequency f 0 is input to the second nonlinear optical device 31. Then, in the second nonlinear optical device 31, SPDC or SFWM using this wavelength converted light component as excitation light is generated, and a correlated photon pair including signal photons and idler photons is generated.

シグナル光の光周波数fs、及びアイドラー光の光周波数fiは、SPDCを利用した場合、エネルギー保存則を規定する次式(24)を満足する。 When the SPDC is used, the optical frequency f s of the signal light and the optical frequency f i of the idler light satisfy the following expression (24) that defines the energy conservation law.

f0=fs+fi (24)
シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯にあるとき(fs≒fi)、上式(24)からシグナル光、アイドラー光の光周波数は第1の光源装置によれば、インコヒーレント光源の光周波数f0/2と一致するかあるいは極めて近くなる。そこで、インコヒーレント光成分と相関光子対成分が混同されないように、光ハイパスフィルタ32を用いて第2の非線形光学デバイス31へインコヒーレント光成分が入力されないようにする。
f 0 = f s + f i (24)
Signal photon, when the idler photon is in the same wavelength band (f s ≒ f i), the signal light from the above equation (24), the optical frequency of the idler light, according to the first light source device, the incoherent light source optical frequency It matches or is very close to f 0/2 . Therefore, the optical high-pass filter 32 is used to prevent the incoherent light component from being input to the second nonlinear optical device 31 so that the incoherent light component and the correlated photon pair component are not confused.

一方、シグナル光の光周波数fs、及びアイドラー光の光周波数fiは、SFWMを利用した場合、エネルギー保存則を規定する次式(25)を満足する On the other hand, the optical frequency f s of the signal light and the optical frequency f i of the idler light satisfy the following equation (25) that defines the energy conservation law when SFWM is used.

2f0=fs+fi (25)
シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯にあるとき(fs≒fi)、上式(25)からシグナル光及びアイドラー光の光周波数は波長変換光の光周波数f0に近いが、インコヒーレント光の光周波数f0/2とは大きく異なる。このような場合、光ハイパスフィルタ32は省略してもよい。第2の非線形光学デバイス31からの出力光は、光リジェクションフィルタ33を経過する。その際、SPDCあるいはSFWMの励起光として使用した波長変換光成分等は除去され、光リジェクションフィルタ33からは相関光子対成分のみが出力されることが望ましい。
2f 0 = f s + f i (25)
When the signal photon and idler photon are in the same wavelength band (f s ≈f i ), the optical frequency of the signal light and idler light is close to the optical frequency f 0 of the wavelength converted light from the above equation (25), but incoherent light Is significantly different from the optical frequency f 0/2 . In such a case, the optical high pass filter 32 may be omitted. The output light from the second nonlinear optical device 31 passes through the optical rejection filter 33. At this time, it is desirable that the wavelength conversion light component used as the excitation light of SPDC or SFWM is removed, and only the correlated photon pair component is output from the optical rejection filter 33.

SPDCを利用した場合、式(24)により、相関光子対成分の光周波数は波長変換光の光周波数のおおよそ半分程度となる。従って、光リジェクションフィルタ33として、光ローパスフィルタを利用できる。このような光ローパスフィルタもまた、誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。   When SPDC is used, the optical frequency of the correlated photon pair component is approximately half the optical frequency of the wavelength-converted light according to Equation (24). Therefore, an optical low-pass filter can be used as the optical rejection filter 33. Such an optical low-pass filter is also commercialized using a dielectric multilayer filter or the like.

一方、SFWMを利用した場合、波長変換光の光周波数と相関光子対成分の光周波数は、式(25)により非常に近い。この場合、光リジェクションフィルタとして好適なものの一例は、いわゆるAWG(Arrayed Waveguide Grating)フィルタである。すなわち、AWGフィルタの有する複数の出力ポートのうちの二つを、式(25)を満足するシグナル光波長、アイドラー光波長となるように設定すればよい。そして波長変換光成分は別の出力ポートに出力される、または出力ポートに結合されることなく減衰されるように設定すればよい。このようにAWGフィルタを利用した場合、シグナル光成分とアイドラー光成分とは空間分離されて出力されるため、光分離回路34としても同時に動作する。   On the other hand, when SFWM is used, the optical frequency of the wavelength-converted light and the optical frequency of the correlated photon pair component are very close according to Equation (25). In this case, an example of a suitable optical rejection filter is a so-called AWG (Arrayed Waveguide Grating) filter. That is, it is only necessary to set two of the plurality of output ports of the AWG filter so that the signal light wavelength and the idler light wavelength satisfy Expression (25). The wavelength converted light component may be set so as to be output to another output port or attenuated without being coupled to the output port. When the AWG filter is used in this way, the signal light component and the idler light component are spatially separated and output, so that the light separation circuit 34 operates simultaneously.

あるいは、透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタも光リジェクションフィルタ33として好適である。透過中心波長を光周波数f0に設定すれば、それから離れた光周波数に発生するシグナル光及びアイドラー光成分を反射出力として得ることができる。あるいはまたファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating、以下FBGと略す)もまた、このような光リジェクションフィルタ33として利用できる。すなわち、ブラッグ波長が波長変換光波長であるFBGを用意すれば、入力光のうち波長変換光成分は反射されるのに対して、相関光子対成分を透過出力させることができる。 Alternatively, an optical bandpass filter that can output both transmitted light and reflected light is also suitable as the optical rejection filter 33. If the transmission center wavelength is set to the optical frequency f 0 , it is possible to obtain signal light and idler light components generated at optical frequencies far from them as reflected outputs. Alternatively, a fiber Bragg grating (hereinafter abbreviated as FBG) can also be used as such an optical rejection filter 33. That is, if an FBG whose Bragg wavelength is the wavelength-converted light wavelength is prepared, the wavelength-converted light component of the input light is reflected, but the correlated photon pair component can be transmitted.

≪3≫
また、第1の相関光子対発生装置は、図11に示すように2つの光ハイパスフィルタを組み合わせても実現できる。ここで、第1の光ハイパスフィルタ35は、波長変換光の光周波数f0よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する光ハイパスフィルタである。すなわち、第1の光ハイパスフィルタ35は、光源装置30が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/2近傍又は光周波数f0/3近傍の光合成を除去し、光周波数f0近傍の光合成を透過することでSFG光のみを透過する。また第2の光ハイパスフィルタ36は、波長変換光の光周波数f0よりも低周波数側の光を選択的に反射する光ハイパスフィルタである。このような光ハイパスフィルタは、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。
≪3≫
Further, the first correlated photon pair generating device can also be realized by combining two optical high-pass filters as shown in FIG. Here, the first optical high-pass filter 35 is an optical high-pass filter that selectively transmits light having a frequency higher than the optical frequency f 0 of the wavelength-converted light and reflects other light components. That is, the first optical high-pass filter 35, the incoherent light source device 30 outputs the optical frequency f 0/2 near or optical frequency f 0/3 to remove photosynthesis vicinity photosynthesis optical frequency f 0 near Transmits only SFG light. The second optical high-pass filter 36 is an optical high-pass filter that selectively reflects light having a frequency lower than the optical frequency f 0 of the wavelength-converted light. Such an optical high-pass filter is commercially available using a dielectric multilayer filter or the like.

2次又は3次の非線形光学効果を発現する第2の非線形光学デバイス31からの出力光は、まず第1の光ハイパスフィルタ35に入力される。その透過光には、波長変換光成分は含まれず、相関光子対のうち高周波数成分(シグナル光成分とする)のみが選択的に出力される。第1の光ハイパスフィルタ35の反射光(波長変換光成分含む)は、次に第2の光ハイパスフィルタ36に入力される。そしてその反射光には、波長変換光成分は含まれず、相関光子対のうち低周波数成分(アイドラー光とする)のみが選択的に出力される。   The output light from the second nonlinear optical device 31 that exhibits the second-order or third-order nonlinear optical effect is first input to the first optical high-pass filter 35. The transmitted light does not include the wavelength-converted light component, and only the high frequency component (referred to as the signal light component) of the correlated photon pair is selectively output. The reflected light (including the wavelength converted light component) of the first optical high-pass filter 35 is then input to the second optical high-pass filter 36. The reflected light does not include the wavelength-converted light component, and only the low frequency component (assumed idler light) of the correlated photon pair is selectively output.

この結果、第1の光ハイパスフィルタ35の透過出力からシグナル光成分が、また第2の光ハイパスフィルタ36の反射出力からアイドラー光成分が、波長変換光成分を含まずに空間分離されて出力される。必要に応じてそれぞれの出力端に別途光バンドパスフィルタ37、38を追加接続して帯域制限する構成としてもよい。以上のように図11の構成ではAWGフィルタと同様、2つの光ハイパスフィルタが光リジェクションフィルタ33と光分離回路34の両方の役割を果たす。なお、上述のような光リジェクションフィルタを複数個接続して使用してもよい。   As a result, the signal light component from the transmission output of the first optical high-pass filter 35 and the idler light component from the reflection output of the second optical high-pass filter 36 are spatially separated and output without including the wavelength conversion light component. The A configuration may be adopted in which optical bandpass filters 37 and 38 are additionally connected to the respective output terminals as necessary to limit the band. As described above, in the configuration of FIG. 11, like the AWG filter, the two optical high-pass filters serve as both the optical rejection filter 33 and the optical separation circuit. A plurality of optical rejection filters as described above may be connected and used.

量子鍵配送など多くの応用例において、発生した相関光子対成分は互いに空間分離して出力されるほうが望ましい。これは光分離回路34において実行される。ここで、発生するシグナル光とアイドラー光の相関光子対が同一偏光方向であるtype-I型の位相整合が実現される非線形光学デバイスを、type-I型の2次非線形光学デバイスと定義する。一方、発生するシグナル光とアイドラー光との相関光子対が互いに直交偏光であるtype-II型の位相整合が実現される非線形光学デバイスを、type-II型の2次非線形光学デバイスと定義する。   In many applications such as quantum key distribution, it is desirable that the generated correlated photon pair components are output in a spatially separated manner. This is executed in the light separation circuit 34. Here, a nonlinear optical device that realizes type-I phase matching in which the correlation photon pair of the generated signal light and idler light has the same polarization direction is defined as a type-I type second-order nonlinear optical device. On the other hand, a nonlinear optical device that realizes type-II type phase matching in which a correlation photon pair of generated signal light and idler light is orthogonally polarized is defined as a type-II type second-order nonlinear optical device.

第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光が直交している。従って、光分離回路34として偏光ビームスプリッタを利用することができる。一方、第2の非線形光学デバイス31がtype-I型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光方向が同じである。このようなときは、シグナル光子とアイドラー光子として、式(24)あるいは式(25)を満足する異なる波長の組み合わせを選び、光分離回路34としていわゆるAWGフィルタなどのWDM(Wavelength Division Multiplexing)フィルタを利用して波長分離すればよい。あるいはまた、図11に示したように2つの光ハイパスフィルタを組み合わせて使用すればよい。   When the second nonlinear optical device 31 is a type-II type second-order nonlinear optical device, the polarization of the signal photon and the idler photon is orthogonal to each other. Therefore, a polarization beam splitter can be used as the light separation circuit 34. On the other hand, when the second nonlinear optical device 31 is a type-I type second-order nonlinear optical device, the signal photon and the idler photon have the same polarization direction. In such a case, a combination of different wavelengths satisfying the equation (24) or the equation (25) is selected as the signal photon and the idler photon, and a WDM (Wavelength Division Multiplexing) filter such as a so-called AWG filter is used as the optical separation circuit 34. What is necessary is just to separate wavelength using. Alternatively, two optical high-pass filters may be used in combination as shown in FIG.

このように発生させた相関光子対を利用して、量子もつれ光子対も発生できる。例えば、図10に示した構成と同じ構成において、波長変換光強度、すなわちインコヒーレント光源強度を適度に設定すれば、上述した非特許文献1に開示されているように時間位置量子もつれ光子対を発生できる。あるいはまた、第2の非線形光学デバイス31としてtype-II型の2次非線形光学デバイスを利用し、またシグナル光子とアイドラー光子が同じ波長である縮退SPDCを利用し、また光分離回路34として偏光無依存のハーフミラーを利用すれば、文献B(Go Fujii, Naoto Namekata, Masayuki Motoya, Sunao Kurimura, and Shuichiro Inoue, "Bright narrowband source of photon pairs at optical telecommunication wavelengths using a type-II periodically poled lithium niobate waveguide", Optics Express, vol. 15, No. 20, pp. 12769-12776 (2007).)に開示されているように偏光量子もつれ光子対を発生できる。文献Bには、光導波路型PPLNによって非線形光学テンソル成分d24を利用するtype-IIの擬似位相整合に基づく高輝度の狭波長帯域の光子対の発生光源が開示されている。 Using the correlation photon pair generated in this way, a entangled photon pair can also be generated. For example, in the same configuration as that shown in FIG. 10, if the wavelength-converted light intensity, that is, the incoherent light source intensity is appropriately set, the time-position quantum entangled photon pair is changed as disclosed in Non-Patent Document 1 described above. Can occur. Alternatively, a type-II type second-order nonlinear optical device is used as the second nonlinear optical device 31, degenerate SPDC in which the signal photon and idler photon have the same wavelength is used, and no polarization is generated as the optical separation circuit 34. If you use a dependent half mirror, Reference B (Go Fujii, Naoto Namekata, Masayuki Motoya, Sunao Kurimura, and Shuichiro Inoue, "Bright narrowband source of photon pairs at optical telecommunication wavelengths using a type-II periodically poled lithium niobate waveguide" , Optics Express, vol. 15, No. 20, pp. 12769-12776 (2007).). Document B discloses a light source for generating a high-brightness narrow wavelength band photon pair based on a type-II pseudo-phase matching using a nonlinear optical tensor component d 24 by an optical waveguide type PPLN.

また偏光量子もつれ光子対を発生するのに、図12〜図14に示すサニャックループ干渉計を構成してもよい。   Further, the Sagnac loop interferometer shown in FIGS. 12 to 14 may be configured to generate the polarization entangled photon pair.

<偏光量子もつれ光子対発生装置>
≪1≫
図12を参照して、第2の非線形光学デバイス31としてtype-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例について説明する。
<Polarized quantum entangled photon pair generator>
≪1≫
With reference to FIG. 12, a configuration example of a polarization entangled photon pair generation apparatus using a type-I type second-order nonlinear optical device as the second nonlinear optical device 31 will be described.

まず、図12に示す偏光量子もつれ光子対発生装置の概要を説明すると、以下のとおりである。   First, the outline of the polarization entangled photon pair generating device shown in FIG. 12 will be described as follows.

このtype-I型の非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32と、type-I型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光を除去する光リジェクションフィルタ33と、第2の非線形光学デバイス31が発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分に空間分離して出力する光分離回路34とSFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、光合分波器の一種であるダイクロイックフィルタ40と、偏光ビームスプリッタ41と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器42を備えている。   The polarization entangled photon pair generator using this type-I type nonlinear optical device transmits only the first or second light source device (light source device 30) of the present invention and the SFG light output from the light source device 30. Optical high-pass filter 32, type-I type second nonlinear optical device 31, optical rejection filter 33 that removes SFG light, and correlated photon pairs generated by second nonlinear optical device 31 as signal light components And an optical separation circuit 34 that spatially separates and outputs the idler light component, a polarization rotator 39 that rotates the polarization of the SFG light by 45 degrees, a dichroic filter 40 that is a kind of optical multiplexer / demultiplexer, a polarization beam splitter 41, A 90-degree polarization rotator 42 that rotates the polarization of input light by 90 degrees is provided.

ダイクロイックフィルタ40は、第1のポート40-1から入力するSFG光を第2のポート40-2に出力し、第2のポート40-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート40-3に出力する。   The dichroic filter 40 outputs SFG light input from the first port 40-1 to the second port 40-2, and a correlated photon composed of a signal light component and an idler light component input from the second port 40-2. The pair component is output to the third port 40-3.

偏光ビームスプリッタ41は、第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の相関光子対が各々第2ポート41-2、第3のポート41-3へと入力されると第1のポート41-1へと偏光合成して出力する。   The polarization beam splitter 41 separates and outputs the SFG light input from the first port 41-1 to polarization components orthogonal to each other to the second and third ports (41-2, 41-3), When a correlated photon pair having the same polarization direction as the polarization components separated from each other is input to the second port 41-2 and the third port 41-3, they are combined into the first port 41-1. Output.

そして、偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3のポート41-3を結ぶループ経路(サニャックループ経路)に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1に偏光回転器39が接続され、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1が接続され、ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3に光リジェクションフィルタ33が接続されている。   Then, the second nonlinear optical device 31 and the 90-degree polarization rotator 42 are arranged on the loop path (Sagnac loop path) connecting the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41. The polarization rotator 39 is connected to the first port 40-1 of the dichroic filter 40, the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41 is connected to the second port 40-2 of the dichroic filter 40, and the dichroic The optical rejection filter 33 is connected to the third port 40-3 of the filter 40.

光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1、第2のポート40-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート40-1に入力される。   The output light from the light source device 30 passes through the optical high-pass filter 32 and the polarization rotator 39, passes through the first port 40-1 and the second port 40-2 of the dichroic filter 40, and is polarized as a 45-degree polarized light. The signal is input to the first port 40-1 of the splitter 41.

偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。   The first and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the Sagnac loop path output from the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41 are the second nonlinear optics. First and second correlated photon pairs that are input bidirectionally to the device 31 and propagate in the Sagnac loop path clockwise and counterclockwise, respectively, consisting of signal light and idler light by parametric fluorescence are generated in both directions.

第1及び第2の相関光子対が偏光ビームスプリッタ41において偏光合成され第1のポート40-1に出力され、偏光合成された相関光子対がダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2、第3のポート40-3、光リジェクションフィルタ33、光分離回路34を経過して量子もつれ光子対として発生する。   The first and second correlated photon pairs are polarized and combined in the polarization beam splitter 41 and output to the first port 40-1, and the polarized and combined correlated photon pairs are output to the second port 40-2 and the second port 40-2 of the dichroic filter 40. After passing through the third port 40-3, the optical rejection filter 33, and the optical separation circuit 34, a quantum entangled photon pair is generated.

上述したように、光源装置30からの波長変換光は光ハイパスフィルタ32を通過後、偏光回転器39によって斜め45度直線偏光に変換され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1に入力される。ダイクロイックフィルタ40において、光周波数f0近傍の波長変換光成分は第1のポート40-1から入力され第2のポート40-2から出力される。一方、相関光子対成分は、第2のポート40-2から入力され第3のポート40-3から出力される。このようなダイクロイックフィルタ40は、SPDCを利用する場合は、市販の誘電体多層膜フィルタの技術を利用して実現できる。また、SFWMを利用する場合は、上述したAWGフィルタ型や透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタ型の光リジェクションフィルタ33を利用して実現できる。 As described above, the wavelength-converted light from the light source device 30 passes through the optical high-pass filter 32, is then converted into 45-degree linearly polarized light by the polarization rotator 39, and is input to the first port 40-1 of the dichroic filter 40. The In the dichroic filter 40, the wavelength conversion light component of the optical frequency f 0 near is outputted from the second port 40-2 is input from the first port 40-1. On the other hand, the correlated photon pair component is input from the second port 40-2 and output from the third port 40-3. Such a dichroic filter 40 can be realized using a technique of a commercially available dielectric multilayer filter when SPDC is used. In addition, when SFWM is used, it can be realized by using the above-described AWG filter type or an optical bandpass filter type optical rejection filter 33 that can output both transmitted light and reflected light.

ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2から出力される波長変換光は、次に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力される。偏光ビームスプリッタ41において、第1のポート41-1から入力された光周波数f0近傍の波長変換光成分のうち、p偏光成分は第2のポート41-2に出力され、それと偏光直交するs偏光成分は第3のポート41-3に出力される。ここでは、p偏光成分は第2の非線形光学デバイス31において最も強くSPDCないしはSFWMを生じさせる励起光偏光方向とする。 The wavelength-converted light output from the second port 40-2 of the dichroic filter 40 is then input to the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41. In the polarization beam splitter 41, among the wavelength converted light component of the optical frequency f 0 near input from the first port 41-1, p polarized light component is output to the second port 41-2, therewith s polarizing orthogonal The polarization component is output to the third port 41-3. Here, the p-polarized component is the excitation light polarization direction that causes the strongest SPDC or SFWM in the second nonlinear optical device 31.

同様に偏光ビームスプリッタ41において、第2のポート41-2から入力された相関光子対成分のうち、p偏光成分は第1のポート41-1に出力される。またそれと偏光直交するs偏光成分は第3のポート41-3に入力されると第1のポート41-1に出力される。このような偏光ビームスプリッタ41は誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。また90度偏光回転器42においては、波長変換光および相関光子対光の偏光を90度回転する。このような90度偏光回転器42として、偏光面保持ファイバの光学軸を90回転して融着接合したものを利用することが好適である。   Similarly, in the polarization beam splitter 41, of the correlated photon pair components input from the second port 41-2, the p-polarized component is output to the first port 41-1. Further, when the s-polarized light component orthogonal to the polarization is input to the third port 41-3, it is output to the first port 41-1. Such a polarization beam splitter 41 can be realized by using a technique such as a dielectric multilayer filter. The 90-degree polarization rotator 42 rotates the polarization of the wavelength converted light and the correlated photon pair light by 90 degrees. As such a 90-degree polarization rotator 42, it is preferable to use a fusion-bonded one obtained by rotating the optical axis of the polarization plane holding fiber by 90 degrees.

偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2から出力されたp偏光の波長変換光は、第2の非線形光学デバイス31においてSPDCあるいはSFWMによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は90度偏光回転器42を経過してs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3に入力され、第1のポート41-1に出力される。そして、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に入力され、第3のポート40-3から出力される。一方、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3から出力されたs偏光の波長変換光は、90度偏光回転器42を経過してp偏光に変換され第2の非線形光学デバイス31においてSPDCあるいはSFWMによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2に入力され、第1のポート41-1に出力される。そして、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に入力され、第3のポート40-3から出力される。   The p-polarized wavelength-converted light output from the second port 41-2 of the polarization beam splitter 41 generates a p-polarized correlated photon pair by SPDC or SFWM in the second nonlinear optical device 31. This correlated photon pair passes through the 90-degree polarization rotator 42 and is converted into s-polarized light, input to the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41, and output to the first port 41-1. Then, the signal is input to the second port 40-2 of the dichroic filter 40 and output from the third port 40-3. On the other hand, the wavelength-converted light of s-polarized light output from the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41 passes through a 90-degree polarization rotator 42 and is converted to p-polarized light, and is converted into SPDC in the second nonlinear optical device 31. Alternatively, a p-polarized correlated photon pair is generated by SFWM. This correlated photon pair is input to the second port 41-2 of the polarization beam splitter 41 and output to the first port 41-1. Then, the signal is input to the second port 40-2 of the dichroic filter 40 and output from the third port 40-3.

この結果、ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3からは、s偏光の相関光子対とp偏光の相関光子対が出力される。波長変換光の強度(すなわち、インコヒーレント光源の強度)を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。その後、光リジェクションフィルタ33で波長変換光成分等を除去し、AWGフィルタなどの光分離回路34を用いてこれら偏光量子もつれ光子対を空間的に分離して、シグナル光子及びアイドラー光子を出力すればよい。   As a result, the s-polarized correlated photon pair and the p-polarized correlated photon pair are output from the third port 40-3 of the dichroic filter 40. By appropriately adjusting the intensity of the wavelength-converted light (that is, the intensity of the incoherent light source), it is possible to realize these superposition states, that is, polarization entangled states. After that, the wavelength conversion light component and the like are removed by the optical rejection filter 33, and the polarization quantum entangled photon pair is spatially separated by using an optical separation circuit 34 such as an AWG filter, and a signal photon and an idler photon are output. That's fine.

≪2≫
非線形光学デバイスにおいて例えばp偏光の励起光に対してs偏光の相関光子対成分が生じる場合もある。このような例は、SPDCにおいて2次非線形光学定数を与える3階の極性テンソルのd31成分を利用した場合などに生じる。このようなときは図13のような構成を採用する。
≪2≫
In a non-linear optical device, for example, an s-polarized correlated photon pair component may be generated for p-polarized excitation light. Such an example occurs when the d 31 component of the third-order polar tensor that gives the second-order nonlinear optical constant is used in SPDC. In such a case, a configuration as shown in FIG. 13 is adopted.

図13に示す偏光量子もつれ光子対発生装置は、type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置である。この偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32と、type-I型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光を除去する光リジェクションフィルタ33と、第2の非線形光学デバイス31が発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路34と、SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、偏光ビームスプリッタ41と、90度偏光回転器42を備えている。偏光ビームスプリッタ41は、その第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2のポート41-2、第3のポート41-3へと入力されると第4のポート41-4へと偏光合成して出力する。   The polarization entangled photon pair generator shown in FIG. 13 is a polarization entangled photon pair generator using a type-I type second-order nonlinear optical device. This polarization quantum entangled photon pair generating device includes a first or second light source device (light source device 30) of the present invention, an optical high-pass filter 32 that transmits only SFG light output from the light source device 30, and a type-I type The second nonlinear optical device 31, the optical rejection filter 33 that removes SFG light, and the correlated photon pair generated by the second nonlinear optical device 31 are spatially separated into a signal light component and an idler light component and output. And a polarization rotator 39 that rotates the polarization of the SFG light by 45 degrees, a polarization beam splitter 41, and a 90-degree polarization rotator. The polarization beam splitter 41 separates and outputs the SFG light input from the first port 41-1 to polarization components orthogonal to each other to the second and third ports (41-2, 41-3). When a correlated photon pair having a polarization direction orthogonal to the polarization components separated by polarization is input to the second port 41-2 and the third port 41-3, the pair of polarized photons is polarized to the fourth port 41-4. Combine and output.

偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3ポート41-3を結ぶサニャックループ経路に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置されている。   In the Sagnac loop path connecting the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41, the second nonlinear optical device 31 and the 90-degree polarization rotator 42 are arranged.

偏光ビームスプリッタ41の第1ポート41-1に偏光回転器39が接続され、偏光ビームスプリッタ41の第4ポート41-4に光リジェクションフィルタ33が接続されている。   The polarization rotator 39 is connected to the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41, and the optical rejection filter 33 is connected to the fourth port 41-4 of the polarization beam splitter 41.

光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力され、第1および第2のSFG光に分割されて第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力される。偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光は、第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。そして、第1及び第2の相関光子対が偏光ビームスプリッタ41において偏光合成され第4のポート41-4に出力され偏光合成された相関光子対が光リジェクションフィルタ33、光分離回路34を経過して量子もつれ光子対として出力される。   After the output light from the light source device 30 passes through the optical high-pass filter 32 and the polarization rotator 39, it is input to the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41 as 45-degree polarized light, and the first and second SFG lights And output from the second port 41-2 and the third port 41-3. The first and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the Sagnac loop path output from the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41 are second nonlinear First and second correlated photon pairs, which are input bidirectionally into the optical device 31 and propagate in the Sagnac loop path clockwise and counterclockwise, respectively, consisting of signal light and idler light by parametric fluorescence, are generated bidirectionally. Then, the first and second correlated photon pairs are combined in the polarization beam splitter 41 and output to the fourth port 41-4, and the combined polarization photons pass through the optical rejection filter 33 and the optical separation circuit 34. And output as a entangled photon pair.

すなわちこの場合、偏光ビームスプリッタ41として4つの入出力ポートを有する偏光ビームスプリッタを利用する。すなわち、上述した動作に加えて、偏光ビームスプリッタ41において、第2のポート41-2から入力された相関光子対成分のうち、s偏光成分は第4のポート41-4に出力される。またそれと偏光直交するp偏光成分は第3のポート41-3に入力されると第4のポート41-4に出力される。このような偏光ビームスプリッタ41もまた、誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。   That is, in this case, a polarizing beam splitter having four input / output ports is used as the polarizing beam splitter 41. That is, in addition to the operation described above, in the polarization beam splitter 41, the s-polarized component of the correlated photon pair component input from the second port 41-2 is output to the fourth port 41-4. Further, when the p-polarized light component orthogonal to the polarization is input to the third port 41-3, it is output to the fourth port 41-4. Such a polarization beam splitter 41 can also be realized by using a technique such as a dielectric multilayer filter.

このとき、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3、第2のポート41-2に入力されるそれぞれp偏光、s偏光の相関光子対は第4のポート41-4に出力される。従って、光リジェクションフィルタ33および光分離回路34は偏光ビームスプリッタの第4のポート41-4側に接続すればよい。このような場合、相関光子対成分はダイクロイックフィルタ40を経過することがないため、ダイクロイックフィルタ40は不要となる。   At this time, correlated photon pairs of p-polarized light and s-polarized light input to the third port 41-3 and the second port 41-2 of the polarization beam splitter 41 are output to the fourth port 41-4. Therefore, the optical rejection filter 33 and the optical separation circuit 34 may be connected to the fourth port 41-4 side of the polarization beam splitter. In such a case, since the correlated photon pair component does not pass through the dichroic filter 40, the dichroic filter 40 becomes unnecessary.

≪3≫
第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の2次非線形光学デバイスである場合、図14のような構成を利用すればよい。ここでは、偏光ビームスプリッタ41として上述した4つの入出力ポートを有するものを利用する。
≪3≫
When the second nonlinear optical device 31 is a type-II type second-order nonlinear optical device, the configuration shown in FIG. 14 may be used. Here, the polarization beam splitter 41 having the above-described four input / output ports is used.

図14に示す偏光量子もつれ光子対発生装置は、type-II型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置である。この偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32、第1の光リジェクションフィルタ33-1及び第2の光リジェクションフィルタ33-2と、type-II型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、ダイクロイックフィルタ40と、偏光ビームスプリッタ41と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器42を備えている。   The polarization entangled photon pair generator shown in FIG. 14 is a polarization entangled photon pair generator using a type-II type second-order nonlinear optical device. This polarization quantum entangled photon pair generating device includes a first or second light source device (light source device 30) of the present invention, an optical high-pass filter 32 that transmits only SFG light output from the light source device 30, and a first optical reject. Filter 33-1 and second optical rejection filter 33-2, type-II type second nonlinear optical device 31, polarization rotator 39 that rotates the polarization of SFG light by 45 degrees, and dichroic filter 40 A polarization beam splitter 41 and a 90-degree polarization rotator 42 that rotates the polarization of the input light by 90 degrees.

ダイクロイックフィルタ40は、第1のポート40-1から入力されるSFG光を第2のポート40-2に出力し、第2のポート40-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート40-3に出力する。   The dichroic filter 40 outputs the SFG light input from the first port 40-1 to the second port 40-2, and the correlation composed of the signal light component and the idler light component input from the second port 40-2. The photon pair component is output to the third port 40-3.

偏光ビームスプリッタ41は、第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2、第3のポート(41-2、41-3)へと入力されると第1のポート41-1及び第4のポート41-4へ偏光合成して出力する。   The polarization beam splitter 41 separates and outputs the SFG light input from the first port 41-1 to polarization components orthogonal to each other to the second and third ports (41-2, 41-3), When a correlated photon pair having a polarization direction orthogonal to the polarization-separated polarization component is input to the second and third ports (41-2, 41-3), respectively, the first port 41-1 and the fourth port Output to the port 41-4.

偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3のポート41-3を結ぶサニャックループ経路に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート41-1に偏光回転器39が接続される。   The second nonlinear optical device 31 and the 90-degree polarization rotator 42 are arranged in the Sagnac loop path connecting the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41, and the second dichroic filter 40 The polarization rotator 39 is connected to the 1 port 41-1.

ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1が接続され、第3のポート40-3に第1の光リジェクションフィルタ33-1が接続され、偏光ビームスプリッタ41の第4のポート41-4に第2の光リジェクションフィルタ33-2が接続される。   The first port 41-1 of the polarization beam splitter 41 is connected to the second port 40-2 of the dichroic filter 40, the first optical rejection filter 33-1 is connected to the third port 40-3, The second optical rejection filter 33-2 is connected to the fourth port 41-4 of the polarization beam splitter 41.

光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1、第2のポート40-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力される。   The output light from the light source device 30 passes through the optical high-pass filter 32 and the polarization rotator 39, passes through the first port 40-1 and the second port 40-2 of the dichroic filter 40, and is polarized as a 45-degree polarized light. The signal is input to the first port 41-1 of the splitter 41.

偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。   The first and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the Sagnac loop path output from the second port 41-2 and the third port 41-3 of the polarization beam splitter 41 are the second nonlinear optics. First and second correlated photon pairs that are input bidirectionally to the device 31 and propagate in the Sagnac loop path clockwise and counterclockwise, respectively, consisting of signal light and idler light by parametric fluorescence are generated in both directions.

双方向に発生した相関光子対が偏光ビームスプリッタ41においてそれぞれシグナル光成分、アイドラー光成分に偏光分離され、それぞれ第1のポート41-1、第4のポート41-4に出力され、第1の光リジェクションフィルタ33-1および第2の光リジェクションフィルタ33-2から量子もつれ光子対が出力される。偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1から出力されるシグナル光成分は、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2へ入力され第3のポート40-3から出力されて第1の光リジェクションフィルタ33-1に入力される。   Correlated photon pairs generated in both directions are polarized and separated into a signal light component and an idler light component in the polarization beam splitter 41, respectively, and output to the first port 41-1 and the fourth port 41-4, respectively. A quantum entangled photon pair is output from the optical rejection filter 33-1 and the second optical rejection filter 33-2. The signal light component output from the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41 is input to the second port 40-2 of the dichroic filter 40 and output from the third port 40-3 to output the first light. Input to the rejection filter 33-1.

上述したように、第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の非線形光学デバイスである場合、相関光子対はs偏光とp偏光の光子対となる。仮にシグナル光をp偏光、アイドラー光をs偏光としたとき、図14においてサニャックループ経路の時計回りに伝搬する波長変換光によって生じるSPDCあるいはSFWM光に対して、シグナル光は偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1にs偏光として、アイドラー光は第4のポート41-4にp偏光として出力される。一方、サニャックループ経路の反時計回りに伝搬する波長変換光によって生じるSPDCあるいはSFWM光に対して、シグナル光は偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1にp偏光として、アイドラー光は第4のポート41-4にs偏光として出力される。同様に波長変換光の強度(すなわち、インコヒーレント光源の強度)を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。この場合、シグナル光とアイドラー光は偏光ビームスプリッタ41の異なるポートに出力するので、それらを空間分離出力するための光分離回路34は基本的には不要である。   As described above, when the second nonlinear optical device 31 is a type-II nonlinear optical device, the correlated photon pair is an s-polarized and p-polarized photon pair. Assuming that the signal light is p-polarized light and the idler light is s-polarized light, the signal light is the first of the polarization beam splitter 41 compared to the SPDC or SFWM light generated by the wavelength converted light propagating clockwise in the Sagnac loop path in FIG. The first port 41-1 is output as s-polarized light, and the idler light is output as p-polarized light to the fourth port 41-4. On the other hand, for SPDC or SFWM light generated by wavelength converted light propagating counterclockwise in the Sagnac loop path, the signal light is p-polarized at the first port 41-1 of the polarization beam splitter 41, and the idler light is the fourth Is output as s-polarized light to port 41-4. Similarly, if the intensity of the wavelength-converted light (that is, the intensity of the incoherent light source) is appropriately adjusted, these superposition states, that is, polarization entangled states can be realized. In this case, since the signal light and the idler light are output to different ports of the polarization beam splitter 41, the light separation circuit 34 for spatially separating and outputting them is basically unnecessary.

この発明の相関光子対発生装置、及び偏光量子もつれ光子対発生装置の更なる効果は、時間的に識別不可能な光子対(あるいは量子もつれ光子対)の発生が容易になる点にある。時間的に識別不可能な光子対発生は、例えばベル測定を利用した量子テレポーテーションの実現など、様々な量子信号処理回路に必要不可欠な技術である。   A further effect of the correlated photon pair generating apparatus and polarized quantum entangled photon pair generating apparatus of the present invention is that it is easy to generate photon pairs (or quantum entangled photon pairs) that cannot be distinguished in time. Generation of photon pairs that cannot be discriminated in time is an indispensable technique for various quantum signal processing circuits, for example, realization of quantum teleportation using bell measurement.

自然パラメトリック下方変換によって発生する4光子もつれ状態について報告している文献C(Hugues de Riedmatten, Valerio Scarani, Ivan Marcikic, Antonio, Acin, Wolfgang Tittel, Hugo Zbinden and Nicolas Gisin, "Two independent photon pairs versus four-photon entangled states in parametric down conversion", J. Mod. Opt. 51, 1637 (2004).)によれば、時間的に識別不可能な光子対(あるいは量子もつれ光子対)を発生するためには、SPDCあるいはSFWMを生じさせる励起光のコヒーレンス時間が、SPDCあるいはSFWMによる相関光子対のコヒーレンス時間と同程度に短くなる必要がある。   Reference C (Hugues de Riedmatten, Valerio Scarani, Ivan Marcikic, Antonio, Acin, Wolfgang Tittel, Hugo Zbinden and Nicolas Gisin, "Two independent photon pairs versus four- According to photon entangled states in parametric down conversion ", J. Mod. Opt. 51, 1637 (2004).) To generate photon pairs (or entangled photon pairs) that are indistinguishable in time, The coherence time of the excitation light that causes SPDC or SFWM needs to be as short as the coherence time of the correlated photon pair by SPDC or SFWM.

SPDCあるいはSFWM相関光子対のコヒーレンス時間は、SPDC(あるいはSFWM)によって発生する相関光子対の全スペクトル帯域幅、もしくは空間分離等などのために光バンドパスフィルタで帯域制限を課した場合、光バンドパスフィルタの透過帯域幅の逆数で与えられる。SPDC(あるいはSFWM)スペクトル幅、もしくは光バンドパスフィルタによって実現可能なスペクトル幅の最小値は、従来技術を参照するとせいぜいサブnm〜数nm程度である。これは1.5μm波長帯においては、光周波数にして数十GHz以上に相当する。   The coherence time of an SPDC or SFWM correlated photon pair is the optical band when the band limitation is imposed by an optical bandpass filter for the entire spectral bandwidth of the correlated photon pair generated by SPDC (or SFWM) or for spatial separation, etc. It is given by the reciprocal of the transmission bandwidth of the pass filter. The minimum value of the spectral width that can be realized by the SPDC (or SFWM) spectral width or the optical bandpass filter is at most about sub-nm to several nanometers with reference to the prior art. This corresponds to an optical frequency of several tens of GHz or more in the 1.5 μm wavelength band.

一方、励起光のコヒーレンス時間は、連続レーザ光の場合、その線幅(一般的に数MHz以下)の逆数であるため、一般に連続レーザ光励起で上記の条件を満足することは難しい。そのため従来、時間的に識別不可能な光子対(さらには量子もつれ光子対)を発生するためには、レーザ光としてパルスレーザ光、主としてパルス幅がフェムト秒領域に達する極短パルスレーザ光を利用する場合が多かった。このような極短パルスレーザ光源及びパルスレーザ光源は一般に、大型で高価な実験設備となる。   On the other hand, since the coherence time of pumping light is the reciprocal of the line width (generally several MHz or less) in the case of continuous laser light, it is generally difficult to satisfy the above conditions with pumping of continuous laser light. Therefore, conventionally, in order to generate photon pairs that are indistinguishable in time (and quantum entangled photon pairs), a pulsed laser beam, mainly an ultrashort pulsed laser beam whose pulse width reaches the femtosecond region, is used as the laser beam. There were many cases to do. Such ultrashort pulse laser light sources and pulse laser light sources are generally large and expensive experimental equipment.

一方、この発明の相関光子対発生装置、さらには量子もつれ光子対発生装置の場合、励起光のコヒーレンス時間は、例えば第1の光源装置の場合、SHGバンド幅の逆数で与えられる。その値は実証実験例に示すように数十GHz程度であり、連続レーザ光の線幅と比較して格段に広い。そしてこのような帯域の光バンドパスフィルタは既存の光フィルタ技術によって十分実現可能である。非線形光学デバイスのデバイス長を短くするとSHGバンド幅はさらに広くなるため、実現はより容易になる。   On the other hand, in the case of the correlated photon pair generator of the present invention, and further the entangled photon pair generator, the coherence time of the excitation light is given by the reciprocal of the SHG bandwidth in the case of the first light source device, for example. The value is about several tens of GHz as shown in the demonstration experiment example, which is much wider than the line width of continuous laser light. An optical bandpass filter having such a band can be sufficiently realized by existing optical filter technology. Shortening the device length of the nonlinear optical device makes the SHG bandwidth even wider, making it easier to implement.

≪4≫
第1の相関光子対発生装置によれば、パルス光状の励起光源を利用することなく、連続光状態のインコヒーレント光源によって、時間的に識別不可能な光子対(さらには量子もつれ光子対)を発生することができる。すなわち、第1の相関光子対発生装置によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、この発明の第1の光源装置あるいは第2の光源装置から出力されるインコヒーレント光を励起光として利用した、低コスト、高変換効率な相関光子対発生装置、及び量子もつれ光子対発生装置を提供することができる。さらには時間的に識別不可能な相関光子対及び量子もつれ光子対を、パルス光源を利用することなく容易に発生することができる。
≪4≫
According to the first correlated photon pair generator, a photon pair (and also a entangled photon pair) that cannot be distinguished temporally by an incoherent light source in a continuous light state without using a pulsed light-like excitation light source. Can be generated. That is, according to the first correlated photon pair generator, the following effects can be expected. That is, a low-cost, high-conversion-efficiency correlated photon pair generator and a entangled photon pair generator using incoherent light output from the first light source device or the second light source device of the present invention as excitation light Can be provided. Furthermore, correlated photon pairs and entangled photon pairs that cannot be distinguished in time can be easily generated without using a pulse light source.

<第2の相関光子対発生装置>
≪1≫
図15を参照して、第2の相関光子対発生装置の構成を説明する。第2の相関光子対発生装置の第1の相関光子対発生装置との相違点は、SFGによる波長変換光発生とSPDCを単一の2次非線形光学デバイスで生じさせる点にある。
<Second correlated photon pair generator>
≪1≫
The configuration of the second correlated photon pair generating device will be described with reference to FIG. The difference between the second correlated photon pair generating device and the first correlated photon pair generating device is that wavelength-converted light generation by SFG and SPDC are generated by a single second-order nonlinear optical device.

第2の相関光子対発生装置は、光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光源52と、光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタ53と、2次非線形光学デバイス51と、光ローパスフィルタ54と、光リジェクションフィルタ55と、光分離回路56とを備えている。 Second correlation photon pair generating device, the incoherent light source 52 including the optical frequency f 0/2 near the frequency components, the optical bandpass filter 53 that transmits the optical frequency f 0/2 near the optical component only, A secondary nonlinear optical device 51, an optical low-pass filter 54, an optical rejection filter 55, and an optical separation circuit 56 are provided.

2次非線形光学デバイス51は、位相整合波長を2c/f0としてインコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、SPDCを発現する。光ローパスフィルタ54は、光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する。光リジェクションフィルタ55は、光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分を除去しSPDC光子対の波長成分のみを透過する。光分離回路56は、SPDCによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対をそれぞれ空間分離して出力する。 The second-order nonlinear optical device 51 generates SFG light from incoherent light with a phase matching wavelength of 2c / f 0 and expresses SPDC. Light low-pass filter 54, an optical frequency f 0 near the optical components are removed, it transmits a light component including the optical frequency f 0/2 wavelength components of SPDC photon pairs in the vicinity. Light rejection filter 55 transmits only the wavelength component of the SPDC photon pair to remove the optical frequency f 0/2 near the incoherent light component. The light separation circuit 56 spatially separates and outputs correlated photon pairs composed of signal photons and idler photons generated by SPDC.

インコヒーレント光源52からの出力光は光バンドパスフィルタ53によって光周波数f0/2近傍の光成分に帯域制限されたのちに2次非線形光学デバイス51へと入力される。2次非線形光学デバイス51において、入力されたインコヒーレント光成分を励起光とするSFGが生じ、短波長光が生じる。それとともに、この短波長光を励起光としてSPDCが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。2次非線形光学デバイス51からの出力光のうち、相関光子対波長成分以外の不要な波長成分は光ローパスフィルタ54および光リジェクションフィルタ55によって除去され、その後、相関光子対は光分離回路56においてシグナル光子成分、アイドラー光子成分に空間分離されて出力される。 Output light from the incoherent light source 52 is input to the second-order nonlinear optical device 51 after being band-limited to an optical frequency f 0/2 near the optical components by optical bandpass filter 53. In the second-order nonlinear optical device 51, SFG is generated using the input incoherent light component as excitation light, and short wavelength light is generated. At the same time, SPDC is generated using this short wavelength light as excitation light, and a correlated photon pair consisting of a signal photon and an idler photon is generated. Of the output light from the second-order nonlinear optical device 51, unnecessary wavelength components other than the correlated photon pair wavelength component are removed by the optical low-pass filter 54 and the optical rejection filter 55, and then the correlated photon pair is separated by the optical separation circuit 56. The signal photon component and the idler photon component are output after being spatially separated.

なお、図15に示すインコヒーレント光源52と光バンドパスフィルタ53から構成されている部分を、光増幅器と光バンドパスフィルタを複数個カスケード接続させた構成とすることもできる。   Note that the portion constituted by the incoherent light source 52 and the optical bandpass filter 53 shown in FIG. 15 may be configured by cascading a plurality of optical amplifiers and optical bandpass filters.

ここで、図15に示す第2の相関光子対発生装置の動作の説明をする。インコヒーレント光源52から出力される励起光は、光バンドパスフィルタ53を経過して2次非線形光学デバイス51へと入力される。光バンドパスフィルタ53は、インコヒーレント光源52が一般的に有する広い光スペクトルのうち、光周波数f0/2近傍の光成分のみを取り出すことで、2次非線形光学デバイス51に入力されるインコヒーレント光の帯域制限をする。これは、上述した第1の相関光子対発生装置において発生する相関光子対の波長成分は、インコヒーレント光源52の波長成分と非常に近いため、2次非線形光学デバイス51に入力されるインコヒーレント光の光スペクトルが広いままだと、相関光子対成分とインコヒーレント光成分との分離が不可能になるためである。このような光バンドパスフィルタは誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。 Here, the operation of the second correlated photon pair generator shown in FIG. 15 will be described. The excitation light output from the incoherent light source 52 passes through the optical bandpass filter 53 and is input to the second-order nonlinear optical device 51. Optical bandpass filter 53, of the broad light spectrum with incoherent light source 52 to the common practice is to extract only the optical frequency f 0/2 optical component near incoherent inputted to second-order nonlinear optical device 51 Limit the optical bandwidth. This is because the wavelength component of the correlated photon pair generated in the first correlated photon pair generator described above is very close to the wavelength component of the incoherent light source 52, so that the incoherent light input to the second-order nonlinear optical device 51 is This is because the correlation photon pair component and the incoherent light component cannot be separated if the optical spectrum remains wide. Such an optical bandpass filter is commercialized using a dielectric multilayer filter or the like.

2次非線形光学デバイス51において、このインコヒーレント光成分を励起光とするSFGが生じ、光周波数f0のSFG光が生じる。同時にこのSFG光を励起光として、同一の2次非線形光学デバイス51内でSPDCが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。このようなカスケード2次非線形光学効果が生じうることは、本願発明者等が、PPLNリッジ導波路型非線形光学デバイスで発現するカスケードχ(2)過程を利用して光通信波長帯域での偏光量子もつれ光子対の発生について報告した文献D(Shin Arahira, Naoto Namekata, Tadashi Kishimoto, Hiroki Yaegashi, and Shuichiro Inoue, “Generation of polarization entangled photon pairs at telecommunication wavelength using cascaded χ(2) processes in a periodically poled LiNbO3 ridge waveguide" Optics Express vol. 19, No. 17, pp. 16032-16043, (2011).)等で明らかにしている。 In second-order nonlinear optical device 51, SFG that the incoherent light component and the pumping light is generated, SFG light of optical frequency f 0 is generated. At the same time, SPDC is generated in the same second-order nonlinear optical device 51 using this SFG light as excitation light, and a correlated photon pair consisting of a signal photon and an idler photon is generated. Such a cascaded second-order nonlinear optical effect can occur because the inventors of the present application use a cascade χ (2) process that appears in a PPLN ridge waveguide nonlinear optical device to apply polarization quantum in the optical communication wavelength band. Reference D (Shin Arahira, Naoto Namekata, Tadashi Kishimoto, Hiroki Yaegashi, and Shuichiro Inoue, “Generation of polarization entangled photon pairs at telecommunication wavelength using cascaded χ (2) processes in a periodically poled LiNbO 3 ridge waveguide "Optics Express vol. 19, No. 17, pp. 16032-16043, (2011)).

シグナル光の光周波数fs、アイドラー光の光周波数fiは、SPDC過程におけるエネルギー保存則を規定する式(24)を満足し、シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯(fs≒fi)にあるとき、式(24)からシグナル光、アイドラー光の光周波数はインコヒーレント光源の光周波数f0/2と一致もしくは極めて近くなる。従って、光バンドパスフィルタ53による入力インコヒーレント光の帯域制限は必要である。 The optical frequency f s of the signal light and the optical frequency f i of the idler light satisfy the equation (24) that defines the energy conservation law in the SPDC process, and the signal photon and the idler photon are in the same wavelength band (f s ≒ f i ) when in the signal light from the equation (24), the optical frequency of the idler light match or become very close to the optical frequency f 0/2 of the incoherent light source. Therefore, it is necessary to limit the bandwidth of the input incoherent light by the optical bandpass filter 53.

このような帯域制限をした結果、一般に入力インコヒーレント光の強度は低下し、この結果、実用に足るSPDC光子対の光子対数を得るのが困難になる場合も予想される。このようなときは、上述の第1の相関光子対発生装置を説明する際に示したように、光バンドパスフィルタ53の前後においてさらに光増幅器や光バンドパスフィルタを追加して挿入すればよい。これら光増幅器や光バンドパスフィルタは、複数個利用しても同様の効果が得られる。   As a result of such band limitation, the intensity of input incoherent light generally decreases, and as a result, it may be difficult to obtain the number of SPDC photon pairs that are sufficient for practical use. In such a case, an optical amplifier or an optical bandpass filter may be additionally inserted before and after the optical bandpass filter 53 as shown in the description of the first correlated photon pair generation device described above. . Even if a plurality of these optical amplifiers and optical bandpass filters are used, the same effect can be obtained.

2次非線形光学デバイス51からの出力光は、まず光ローパスフィルタ54を経過する。その際、SPDCの励起光として使用したSFG光成分は除去され、結果、光ローパスフィルタ54からは、インコヒーレント光成分と相関光子対成分のみが出力される。   The output light from the secondary nonlinear optical device 51 first passes through the optical low-pass filter 54. At this time, the SFG light component used as the SPDC excitation light is removed, and as a result, only the incoherent light component and the correlated photon pair component are output from the optical low-pass filter 54.

次に、光リジェクションフィルタ55において、インコヒーレント光成分を除去し、相関光子対成分のみを透過する。このような光リジェクションフィルタとして好適なものの一例は、いわゆるAWGフィルタである。すなわち、AWGフィルタの有する複数の出力ポートのうちの2つを、式(24)を満足するシグナル光波長、アイドラー光波長となるように設定すればよい。そしてインコヒーレント光成分は別の出力ポートに出力される、または出力ポートに結合されることなく減衰されるように設定すればよい。   Next, the optical rejection filter 55 removes the incoherent light component and transmits only the correlated photon pair component. An example of such a suitable optical rejection filter is a so-called AWG filter. That is, it is only necessary to set two of the plurality of output ports of the AWG filter so that the signal light wavelength and the idler light wavelength satisfy Expression (24). The incoherent light component may be set so as to be output to another output port or attenuated without being coupled to the output port.

また、透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタもまた光リジェクションフィルタ55として好適である。透過中心波長を光周波数f0/2に設定し、透過バンド幅を光バンドパスフィルタ53のそれよりも広く設定すれば、その反射出力にはインコヒーレント光成分が含まれず、相関光子対成分のみが出力される。このような光リジェクションフィルタ55は、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。 An optical bandpass filter that can output both transmitted light and reflected light is also suitable as the optical rejection filter 55. If the transmission center wavelength is set to the optical frequency f 0/2 and the transmission bandwidth is set wider than that of the optical bandpass filter 53, the reflected output does not include the incoherent light component, only the correlated photon pair component Is output. Such an optical rejection filter 55 is commercially available using a dielectric multilayer filter or the like.

また、FBGも、このような光リジェクションフィルタ55として利用できる。すなわち、ブラッグ波長が位相整合波長であるFBGを用意すれば、入力光のうちインコヒーレント光成分は反射されるのに対して、相関光子対成分を透過出力させることができる。   An FBG can also be used as such an optical rejection filter 55. That is, if an FBG whose Bragg wavelength is a phase matching wavelength is prepared, an incoherent light component of input light is reflected, whereas a correlated photon pair component can be transmitted and output.

なお、上述のような光リジェクションフィルタを複数個接続して使用してもよい。また、多くの応用例において、発生した相関光子対成分は互いに空間分離して出力されるほうが望ましい。これは光分離回路56において実行される。   A plurality of optical rejection filters as described above may be connected and used. Further, in many applications, it is desirable that the generated correlated photon pair components are output after being spatially separated from each other. This is executed in the light separation circuit 56.

2次非線形光学デバイス51がType-II型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光が直交している。従って、光分離回路56として偏光ビームスプリッタを利用することができる。   When the second-order nonlinear optical device 51 is a Type-II type second-order nonlinear optical device, the signal photon and the idler photon are orthogonal to each other in polarization. Therefore, a polarization beam splitter can be used as the light separation circuit 56.

一方、2次非線形光学デバイス51がtype-I型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光方向が同じである。このようなときは、シグナル光子とアイドラー光子として、式(24)を満足する異なる波長の組み合わせを選び、光分離回路56としていわゆるAWGフィルタなどの、光合分波器の一種であるWDM(Wavelength Division Multiplexing)フィルタを利用して波長分離すればよい。またこのような場合、一つのAWGフィルタで光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の役割を担わせることも可能である。   On the other hand, when the second-order nonlinear optical device 51 is a type-I type second-order nonlinear optical device, the signal photon and the idler photon have the same polarization direction. In such a case, a combination of different wavelengths satisfying Equation (24) is selected as the signal photon and idler photon, and WDM (Wavelength Division), which is a type of optical multiplexer / demultiplexer such as a so-called AWG filter, is used as the optical separation circuit 56. Multiplexing) may be used for wavelength separation. In such a case, it is also possible to play the roles of the optical rejection filter 55 and the optical separation circuit 56 with a single AWG filter.

≪2≫
光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の部分を、2つの光ハイパスフィルタで構成することも可能である。図16を参照して、第2の相関光子対発生装置において、光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の部分を2つの光ハイパスフィルタで構成した場合について説明する。
≪2≫
It is also possible to configure the optical rejection filter 55 and the optical separation circuit 56 with two optical high-pass filters. Referring to FIG. 16, in the second correlated photon pair generation apparatus, a case where the optical rejection filter 55 and the optical separation circuit 56 are configured by two optical high-pass filters will be described.

第1の光ハイパスフィルタ57は、光バンドパスフィルタ53で決まる透過インコヒーレント光帯域よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する。また第2の光ハイパスフィルタ58は、光バンドパスフィルタ53で決まる透過インコヒーレント光帯域よりも低周波数側の光を選択的に反射する。このような第1及び第2の光ハイパスフィルタは、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。   The first optical high-pass filter 57 selectively transmits light on a higher frequency side than the transmission incoherent light band determined by the optical band-pass filter 53 and reflects other light components. The second optical high-pass filter 58 selectively reflects light on the lower frequency side than the transmission incoherent light band determined by the optical band-pass filter 53. As such first and second optical high-pass filters, those using a dielectric multilayer filter or the like are commercially available.

光ローパスフィルタ54からの出力光は、まず第1の光ハイパスフィルタ57に入力される。その透過光には、インコヒーレント光成分は含まれず、相関光子対のうち高周波数成分(シグナル光成分とする)のみが選択的に出力される。第1の光ハイパスフィルタ57の反射光(インコヒーレント光成分含む)は、次に第2の光ハイパスフィルタ58に入力される。そしてその反射光には、インコヒーレント光成分は含まれず、相関光子対のうち低周波数成分(アイドラー光とする)のみが選択的に出力される。この結果、第1の光ハイパスフィルタ57の透過出力からシグナル光成分が、また第2の光ハイパスフィルタ58の反射出力からアイドラー光成分が、インコヒーレント光成分を含まずに空間分離されて出力される。必要に応じてそれぞれの出力端に別途光バンドパスフィルタ59、60を追加接続して帯域制限する構成としてもよい。   The output light from the optical low pass filter 54 is first input to the first optical high pass filter 57. The transmitted light does not include an incoherent light component, and only a high frequency component (referred to as a signal light component) of the correlated photon pair is selectively output. The reflected light (including the incoherent light component) of the first optical high-pass filter 57 is then input to the second optical high-pass filter 58. The reflected light does not contain an incoherent light component, and only the low frequency component (assumed idler light) of the correlated photon pair is selectively output. As a result, the signal light component from the transmission output of the first optical high-pass filter 57 and the idler light component from the reflection output of the second optical high-pass filter 58 are spatially separated and output without including the incoherent light component. The A configuration may be adopted in which optical bandpass filters 59 and 60 are additionally connected to the respective output terminals as necessary to limit the band.

このように発生させた相関光子対を利用して、量子もつれ光子対も発生できる。例えば、図15と同じ構成の第2の相関光子対発生装置において、インコヒーレント光源強度を適度に設定すれば、時間位置量子もつれ光子対を発生できる。また図12に示す第1の相関光子対発生装置のように、サニャックループ干渉計を構成することで偏光量子もつれ光子対を発生することもできる。   Using the correlation photon pair generated in this way, a entangled photon pair can also be generated. For example, in the second correlated photon pair generation device having the same configuration as that of FIG. 15, if the incoherent light source intensity is appropriately set, a time-position quantum entangled photon pair can be generated. Also, a polarization entangled photon pair can be generated by configuring a Sagnac loop interferometer as in the first correlated photon pair generating apparatus shown in FIG.

≪3≫
次に、図17を参照して、非線形光学デバイスとしてtype-I型の2次非線形光学デバイスを利用した第2の相関光子対発生装置である、偏光量子もつれ光子対発生装置について説明する。
≪3≫
Next, a polarization entangled photon pair generating device, which is a second correlated photon pair generating device using a type-I type second-order nonlinear optical device as a nonlinear optical device, will be described with reference to FIG.

この偏光量子もつれ光子対発生装置は、光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光源52と、位相整合波長λPMW(=2c/f0)近傍の波長成分を透過する光バンドパスフィルタ53と、type-I型の2次非線形光学デバイス51と、λPMW/2近傍の波長成分の和周波光を除去する光ローパスフィルタ54と、光リジェクションフィルタ55と、光分離回路56と、偏光子61と、偏光回転器62と、光合分波器の一種であるWDMフィルタ63と、偏光ビームスプリッタ64と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器65とを備えている。 The polarization entangled photon pair generating device, the incoherent light source 52 including the optical frequency f 0/2 near the frequency component, the phase matching wavelength λ PMW (= 2c / f 0 ) optical bandpass that transmits the wavelength component near A filter 53, a type-I type second-order nonlinear optical device 51, an optical low-pass filter 54 that removes the sum frequency light of the wavelength component in the vicinity of λ PMW / 2, an optical rejection filter 55, and an optical separation circuit 56 A polarizer 61, a polarization rotator 62, a WDM filter 63 that is a kind of optical multiplexer / demultiplexer, a polarization beam splitter 64, and a 90-degree polarization rotator 65 that rotates the polarization of input light by 90 degrees. Yes.

光リジェクションフィルタ55は、光バンドパスフィルタ53を透過するインコヒーレント光成分を除去する。光分離回路56は、2次非線形光デバイス51が発生するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する。偏光回転器62は、偏光子61を透過したインコヒーレント光成分の偏光を45度回転する。WDMフィルタ63は、第1のポート63-1、第2のポート63-2、及び第3のポート63-3を備え、第1のポート63-1から入力するインコヒーレント光成分を第2のポート63-2に出力し、第2のポート63-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート63-3に出力する。偏光ビームスプリッタ64は、第1のポート64-1、第2のポート64-2、及び第3のポート64-3を備え、第1のポート64-1から入力された光を第2、第3のポート(64-2、46-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の光が各々第2、第3のポート(64-2、46-3)へと入力されると第1のポート64-1へと偏光合成して出力する。   The optical rejection filter 55 removes incoherent light components that pass through the optical bandpass filter 53. The light separation circuit 56 spatially separates the correlated photon pair composed of the signal light component and the idler light component generated by the secondary nonlinear optical device 51 into the signal light component and the idler light component, and outputs them. The polarization rotator 62 rotates the polarization of the incoherent light component transmitted through the polarizer 61 by 45 degrees. The WDM filter 63 includes a first port 63-1, a second port 63-2, and a third port 63-3, and the incoherent light component input from the first port 63-1 is converted to the second port 63-1. A correlated photon pair component consisting of a signal light component and an idler light component input to the port 63-2 and input from the second port 63-2 is output to the third port 63-3. The polarization beam splitter 64 includes a first port 64-1, a second port 64-2, and a third port 64-3, and the light input from the first port 64-1 is second and second. The three polarized light components are separated and output to the three ports (64-2, 46-3), and light having the same polarization direction as the polarized light components separated and polarized is output to the second and third ports (64, 64-3). -2, 46-3), the light is combined and output to the first port 64-1.

そして、偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2と第3のポート64-3を結ぶサニャックループ経路に2次非線形光学デバイス51、及び90度偏光回転器65が配置され、WDMフィルタ63の第1のポート63-1とインコヒーレント光源52の間に光バンドパスフィルタ53、偏光子61、偏光回転器62が接続されている。偏光回転器62からの光出力は、WDMフィルタ63に入力される。WDMフィルタ63の動作は先に述べた透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタを利用した光リジェクションフィルタ55と同様な動作を行う。すなわち、光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分は第1のポート63-1から入力され第2のポート63-2から出力され(透過)、一方、SPDC相関光子対に相当する光周波数f0/2近傍の成分は、第2のポート63-2から入力され第3のポート63-3から出力される(反射)。このようなWDMフィルタ63は市販の光バンドフィルタの技術を利用して実現できる。またWDMフィルタ63は、サニャックループ干渉計から出力される入力インコヒーレント光成分を除去する役割も果たすため、先の説明での光リジェクションフィルタ55の役割も併せ持つ。 Then, the second-order nonlinear optical device 51 and the 90-degree polarization rotator 65 are arranged in the Sagnac loop path connecting the second port 64-2 and the third port 64-3 of the polarization beam splitter 64, and the WDM filter 63 An optical bandpass filter 53, a polarizer 61, and a polarization rotator 62 are connected between the first port 63-1 and the incoherent light source 52. The light output from the polarization rotator 62 is input to the WDM filter 63. The operation of the WDM filter 63 is the same as that of the optical rejection filter 55 using the optical bandpass filter that can output both transmitted light and reflected light described above. That is, incoherent light component of the optical frequency f 0/2 vicinity is outputted from the second port 63-2 is input from the first port 63-1 (transmission), while the optical frequency corresponding to the SPDC correlated photon pairs component of f 0/2 vicinity is inputted from the second port 63-2 is output from the third port 63-3 (reflection). Such a WDM filter 63 can be realized by using a commercially available optical band filter technology. The WDM filter 63 also serves to remove the input incoherent light component output from the Sagnac loop interferometer, and thus also serves as the optical rejection filter 55 described above.

また、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1が接続され、WDMフィルタ63の第3のポート63-3に光ローパスフィルタ54が接続されている。WDMフィルタ63の第2のポート63-2から出力されるインコヒーレント光は、次に偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1に入力される。偏光ビームスプリッタ64において、第1のポート64-1から入力された光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分のうち、例えばp偏光成分は第2のポート64-2に出力され、それと偏光直交するs偏光成分は第3のポート64-3に出力される。ここでは、p偏光成分は2次非線形光学デバイス51において最も強くSFG及びSPDCを生じさせる励起光偏光方向とする。 Further, the first port 64-1 of the polarization beam splitter 64 is connected to the second port 63-2 of the WDM filter 63, and the optical low-pass filter 54 is connected to the third port 63-3 of the WDM filter 63. Yes. The incoherent light output from the second port 63-2 of the WDM filter 63 is then input to the first port 64-1 of the polarization beam splitter 64. In the polarization beam splitter 64, among the optical frequency f 0/2 near the incoherent light component input from the first port 64-1, for example, p-polarized light component is output to the second port 64-2, the same polarization The orthogonal s-polarized components are output to the third port 64-3. Here, it is assumed that the p-polarized component is the excitation light polarization direction that causes SFG and SPDC most strongly in the second-order nonlinear optical device 51.

同様に偏光ビームスプリッタ64において、第2のポート64-2から入力された光周波数f0/2近傍のSPDC相関光子対成分のうち、p偏光成分は第1のポート64-1に出力される。またそれと偏光直交するs偏光成分は第3のポート64-3に入力されると第1のポート64-1に出力される。このような偏光ビームスプリッタ64は誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。 Similarly, in the polarization beam splitter 64, among the optical frequency f 0/2 near the SPDC correlated photon pairs component input from the second port 64-2, p-polarized light component is output to the first port 64-1 . In addition, when the s-polarized light component orthogonal to the polarization is input to the third port 64-3, it is output to the first port 64-1. Such a polarizing beam splitter 64 can be realized by using a technique such as a dielectric multilayer filter.

また90度偏光回転器65においては、光周波数f0/2近傍の入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対の偏光を90度回転する。このような90度偏光回転器65として、本発明の実施例と同様に偏光面保持ファイバの光学軸を90回転して融着接合したものを利用できる。さらにまたこの場合、入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対は同じ波長領域にあるため、1/2波長版を利用することもできる。 In addition 90 degree polarization rotator 65, the optical frequency f 0/2 near the input incoherent light and SPDC correlated photon pairs polarization rotated 90 degrees. As such a 90-degree polarization rotator 65, a fusion-bonded member obtained by rotating the optical axis of the polarization plane holding fiber by 90 can be used as in the embodiment of the present invention. Furthermore, in this case, since the input incoherent light and the SPDC correlated photon pair are in the same wavelength region, a half wavelength version can be used.

インコヒーレント光源52からの出力光は、光バンドパスフィルタ53、偏光子61、偏光回転器62を経過後、WDMフィルタ63の第1のポート63-1、第2のポート63-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1に入力される。すなわち、インコヒーレント光源52からの出力光は光バンドパスフィルタ53で帯域制限されたのち、偏光子61で直線偏光に変換され、偏光回転器62で斜め45度直線偏光に変換される。   The output light from the incoherent light source 52 passes through the first band 63-1 and the second port 63-2 of the WDM filter 63 after passing through the optical bandpass filter 53, the polarizer 61, and the polarization rotator 62. The 45-degree polarized light is input to the first port 64-1 of the polarization beam splitter 64. That is, the output light from the incoherent light source 52 is band-limited by the optical bandpass filter 53, converted to linearly polarized light by the polarizer 61, and converted to 45-degree obliquely polarized light by the polarization rotator 62.

偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2から出力されたp偏光の入力インコヒーレント光は、2次非線形光学デバイス51においてSFGを発生し、それに伴いSPDCによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は90度偏光回転器65を経過してs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ64の第3のポート64-3に入力され、第1のポート64-1に出力される。そして、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に入力され、結果、第3のポート63-3から出力される。   The p-polarized input incoherent light output from the second port 64-2 of the polarization beam splitter 64 generates SFG in the second-order nonlinear optical device 51, and accordingly generates a p-polarized correlated photon pair by SPDC. . This correlated photon pair passes through the 90-degree polarization rotator 65 and is converted into s-polarized light, which is input to the third port 64-3 of the polarization beam splitter 64 and output to the first port 64-1. Then, the signal is input to the second port 63-2 of the WDM filter 63 and, as a result, output from the third port 63-3.

一方、偏光ビームスプリッタ64の第3のポート64-3から出力されたs偏光の入力インコヒーレント光は、90度偏光回転器65を経過してp偏光に変換され2次非線形光学デバイス51において同じくSFGを発生し、それに伴いSPDCによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2に入力され、第1のポート64-1に出力される。そして、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に入力され、結果、第3のポート63-3から出力される。   On the other hand, the s-polarized input incoherent light output from the third port 64-3 of the polarization beam splitter 64 passes through the 90-degree polarization rotator 65 and is converted to p-polarized light, and the second-order nonlinear optical device 51 similarly SFG is generated, and as a result, a p-polarized correlated photon pair is generated by SPDC. The correlated photon pair is input to the second port 64-2 of the polarization beam splitter 64 and output to the first port 64-1. Then, the signal is input to the second port 63-2 of the WDM filter 63 and, as a result, output from the third port 63-3.

偏光子61は、例えば偏光無依存EDFAのような不定偏光のインコヒーレント光源を利用した場合に、一定の直線偏光成分のみを利用するために挿入されている。これは、直交偏光間には可干渉性を持たないためで、このような操作は、発生させる量子もつれ光子対のコヒーレンスを良化するために必要である。一方、インコヒーレント光源52からの出力光がLED光源のように直線偏光に近い場合には、偏光子61はなくてもよい。   The polarizer 61 is inserted to use only a certain linearly polarized light component when using an incoherent light source of indefinite polarization such as a polarization-independent EDFA. This is because there is no coherence between orthogonal polarizations, and such an operation is necessary to improve the coherence of the entangled photon pair to be generated. On the other hand, when the output light from the incoherent light source 52 is close to linearly polarized light like an LED light source, the polarizer 61 is not necessary.

偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2、第3のポート64-3から出力されたループ経路を右回りおよび左回りに伝搬するインコヒーレント光成分が、2次非線形光学デバイス51に双方向に入力され、2次非線形光学デバイス51において光バンドパスフィルタ53を通過するインコヒーレント光成分に対するSFG光が発生するとともに、このSFG光に対するパラメトリック下方変換によりシグナル光とアイドラー光とからなる相関光子対を双方向に発生する。双方向に発生した相関光子対が偏光ビームスプリッタ64において偏光合成され第1のポート64-1に出力され、偏光合成された相関光子対がWDMフィルタ63の第2のポート63-2、第3のポート63-3、光ローパスフィルタ54、光リジェクションフィルタ55、光分離回路56を経過して量子もつれ光子対として発生する。   The incoherent light component propagating clockwise and counterclockwise through the loop path output from the second port 64-2 and the third port 64-3 of the polarization beam splitter 64 is bidirectional to the second-order nonlinear optical device 51. SFG light for the incoherent light component passing through the optical bandpass filter 53 in the second-order nonlinear optical device 51 is generated, and a correlated photon pair consisting of signal light and idler light by parametric down-conversion to this SFG light Occurs in both directions. The correlated photon pair generated in both directions is polarized and synthesized by the polarization beam splitter 64 and output to the first port 64-1, and the correlated photon pair synthesized by polarization is the second port 63-2 and third of the WDM filter 63. After passing through the port 63-3, the optical low-pass filter 54, the optical rejection filter 55, and the optical separation circuit 56, a quantum entangled photon pair is generated.

結果として、WDMフィルタ63の第3のポート63-3からは、光周波数f0/2近傍のs偏光の相関光子対とp偏光の相関光子対が出力される。入力インコヒーレント光源の強度を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。その後、光ローパスフィルタ54でSFG光成分を除去し、またWDMフィルタ63での入力インコヒーレント光の除去が不十分である場合には適宜追加の光リジェクションフィルタ55を通過し、その後AWGフィルタなどの光分離回路56を用いてシグナル光成分、アイドラー光成分を空間分離出力して実用に供することができる。 As a result, the third port 63-3 of the WDM filter 63, an optical frequency f 0/2 near the s-polarized correlated photon pairs correlated photon pairs and p-polarized light is outputted. If the intensity of the input incoherent light source is appropriately adjusted, these superposition states, that is, polarization entangled states can be realized. After that, the SFG light component is removed by the optical low-pass filter 54, and if the input incoherent light is not sufficiently removed by the WDM filter 63, it passes through the additional optical rejection filter 55 as appropriate, and then the AWG filter, etc. Thus, the signal light component and the idler light component can be spatially separated and output for practical use.

図17を参照して説明した偏光量子もつれ光子対発生装置は、上述したように、非線形光学デバイスは一つの2次非線形光学デバイスを備えるだけで済む。そのため、装置を低コスト化・小型化できる。また、短波長のSFG光成分は2次非線形光学デバイス51自身で発生するため、それ以外の光学経路で短波長光を伝搬させたり光結合させたりする必要がない。そのため、例えばWDMフィルタ63や偏光ビームスプリッタ64、90度偏光回転器65は、光周波数f0/2近傍の入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対の波長領域でだけ動作するものでよく、波長変換光波長での動作は必要としない。そのため、より低コストでかつ、挿入損失が小さい高性能な装置構成が可能となる。 In the polarization entangled photon pair generating apparatus described with reference to FIG. 17, the nonlinear optical device only needs to include one second-order nonlinear optical device, as described above. As a result, the cost and size of the apparatus can be reduced. In addition, since the short-wavelength SFG light component is generated by the second-order nonlinear optical device 51 itself, it is not necessary to propagate or couple the short-wavelength light through other optical paths. Therefore, for example, the WDM filter 63 and the polarizing beam splitter 64,90 degree polarization rotator 65 may be those that operate only in the wavelength region of the optical frequency f 0/2 near the input incoherent light and SPDC correlated photon pairs, the wavelength conversion Operation at the optical wavelength is not required. Therefore, a high-performance device configuration with lower cost and lower insertion loss is possible.

<時間位置量子もつれ光子対発生装置>
図12、図13、図14、図17、及び図18を参照して、上述の第1あるいは第2の相関光子対発生装置(偏光量子もつれ光子対発生装置)に、モード変換器70を更に備えることによって構成される相関光子対発生装置(時間位置量子もつれ光子対発生装置)について説明する。
<Time-entangled entangled photon pair generator>
Referring to FIG. 12, FIG. 13, FIG. 14, FIG. 17, and FIG. 18, a mode converter 70 is further added to the first or second correlated photon pair generator (polarized quantum entangled photon pair generator) described above. A correlated photon pair generating device (time position entangled photon pair generating device) configured by providing the device will be described.

モード変換器70は、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させる。この相対的な遅延時間差を発生させる機構として、例えば、光子を偏光面が互いに直交する関係に分離する偏光ビームスプリッタと、偏光面が互いに直交する関係にある光子を合わせるハーフミラーとの間に2光路を併設し、この2光路で生じる光時間遅延が異なるように設定されている。   The mode converter 70 is in a state where a plurality of photons present in the photon pair are distributed in a time slot, and a correlated photon pair is correlated with the time position between the photon pairs. A relative delay time difference is generated between optical paths between two photons whose polarization planes are orthogonal to each other. As a mechanism for generating this relative delay time difference, for example, a polarization beam splitter that separates photons into a relationship in which the planes of polarization are orthogonal to each other and a half mirror that combines photons in which the planes of polarization are orthogonal to each other are used. An optical path is provided, and the optical time delay generated in the two optical paths is set to be different.

モード変換器70は、図12〜図14に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合は、光リジェクションフィルタ33(図14では第1の光リジェクションフィルタ33-1又は第2の光リジェクションフィルタ33-2)の前段もしくは後段に挿入する。あるいはまた、モード変換器70は図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合は、光ローパスフィルタ54の前段もしくは後段に挿入する。   When the mode converter 70 is added to the polarization entangled photon pair generating device shown in FIGS. 12 to 14, the optical rejection filter 33 (in FIG. 14, the first optical rejection filter 33-1 or the second optical Insert into the front or back of the rejection filter 33-2). Alternatively, when the mode converter 70 is added to the polarization quantum entangled photon pair generating device shown in FIG.

図18を参照してモード変換器70の構成及びその動作について説明する。なお、図18に示すモード変換器70は、図12に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合を想定して、モード変換器70をダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3と光リジェクションフィルタ33の間に配置した場合を図示している。図13、図14及び図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合も、モード変換器70の構成は同様である。   The configuration and operation of mode converter 70 will be described with reference to FIG. 18 is added to the polarization entangled photon pair generating device shown in FIG. 12, the mode converter 70 is connected to the third port 40-3 of the dichroic filter 40 and the optical converter. The case where it arrange | positions between the rejection filters 33 is shown in figure. The configuration of the mode converter 70 is the same when it is added to the polarization entangled photon pair generating device shown in FIG. 13, FIG. 14 and FIG.

モード変換器70は、光子を偏光面が互いに直交する関係に分離する第2の偏光ビームスプリッタ71と、相対的な遅延時間差を発生させる第2の90度偏光回転器72と、偏光面が互いに直交する関係にある光子を合わせるハーフミラー73とを備えている。ハーフミラー73は、少なくとも3つの入出力ポート73-1〜73-3を有するハーフミラーである。ここで第4のポートに相当するポート73-4は実用に供しないが、図18は説明の便宜上図示してある。   The mode converter 70 includes a second polarization beam splitter 71 that separates photons into a relationship in which the planes of polarization are orthogonal to each other, a second 90-degree polarization rotator 72 that generates a relative delay time difference, and a plane of polarization that is mutually And a half mirror 73 for aligning photons that are orthogonal to each other. The half mirror 73 is a half mirror having at least three input / output ports 73-1 to 73-3. Here, the port 73-4 corresponding to the fourth port is not practically used, but FIG. 18 is shown for convenience of explanation.

第2の偏光ビームスプリッタ71は、第1のポート71-1から入力された相関光子対を第2、第3のポート(71-2、71-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力する。第2の90度偏光回転器72は、相関光子対の偏光を90度回転する。ハーフミラー73は、第1のポート73-1から入力された相関光子対を第2、第4のポート(73-2、73-4)へ等分岐し、第3のポート73-3から入力された相関光子対を第2、第4のポート(73-2、73-4)へ等分岐する。   The second polarization beam splitter 71 converts the correlated photon pair input from the first port 71-1 to the second and third ports (71-2, 71-3) into polarization components that are orthogonal to each other. Separate output. The second 90 degree polarization rotator 72 rotates the polarization of the correlated photon pair by 90 degrees. The half mirror 73 equally branches the correlated photon pair input from the first port 73-1 to the second and fourth ports (73-2 and 73-4) and inputs from the third port 73-3 The correlated photon pair thus made is equally branched to the second and fourth ports (73-2, 73-4).

第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1とが接続され、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2と第2の90度偏光回転器72とハーフミラー73の第3のポート73-3とがこの順番に接続されている。第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1との間の光路で生じる光遅延時間と、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2とハーフミラー73の第3のポート73-3との間の光路で生じる光遅延時間差が異なるように設定されている。   The third port 71-3 of the second polarizing beam splitter 71 and the first port 73-1 of the half mirror 73 are connected, and the second port 71-2 and the second port of the second polarizing beam splitter 71 are connected. The 90-degree polarization rotator 72 and the third port 73-3 of the half mirror 73 are connected in this order. The optical delay time generated in the optical path between the third port 71-3 of the second polarizing beam splitter 71 and the first port 73-1 of the half mirror 73, and the second of the second polarizing beam splitter 71 The optical delay time difference generated in the optical path between the port 71-2 and the third port 73-3 of the half mirror 73 is set to be different.

すなわち、第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1を結ぶ光路と、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2と第2の90度偏光回転器72を経由してハーフミラー73の第3のポート73-3を結ぶ光路との間には、相対的な遅延時間差τがつけられている。   That is, the optical path connecting the third port 71-3 of the second polarizing beam splitter 71 and the first port 73-1 of the half mirror 73, and the second port 71-2 of the second polarizing beam splitter 71 A relative delay time difference τ is provided between the optical path connecting the third port 73-3 of the half mirror 73 via the second 90-degree polarization rotator 72.

ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3から出力される偏光量子もつれ光子対は、第2の偏光ビームスプリッタ71の第1のポート71-1に入力され、偏光分離されて第2のポート71-2、第3のポート71-3へ出力される。第3のポート71-3からの出力光は、そのままハーフミラー73の第1のポート73-1に入力され、第2のポート73-2および第4のポート73-4に分岐出力される。一方、第2のポート71-2からの出力光は、第2の90度偏光回転器72において偏光が90度回転されたのち、ハーフミラー73の第3のポート73-3に入力され、第2のポート73-2および第4のポート73-4に分岐出力される。   The polarization entangled photon pair output from the third port 40-3 of the dichroic filter 40 is input to the first port 71-1 of the second polarization beam splitter 71, and is polarized and separated to the second port 71. -2 is output to the third port 71-3. The output light from the third port 71-3 is input as it is to the first port 73-1 of the half mirror 73, and is branched and output to the second port 73-2 and the fourth port 73-4. On the other hand, the output light from the second port 71-2 is input to the third port 73-3 of the half mirror 73 after the polarization is rotated by 90 degrees in the second 90-degree polarization rotator 72, The output is branched to the second port 73-2 and the fourth port 73-4.

ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3は、図13に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に対しては偏光ビームスプリッタ41の第4のポート41-4の出力端に相当し、図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に対してはWDMフィルタ63の第3のポート63-3の出力端に相当する。   The third port 40-3 of the dichroic filter 40 corresponds to the output end of the fourth port 41-4 of the polarization beam splitter 41 for the polarization entangled photon pair generator shown in FIG. This corresponds to the output terminal of the third port 63-3 of the WDM filter 63 for the polarization entangled photon pair generator shown.

ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3から出力される偏光量子もつれ光子対は、第2の偏光ビームスプリッタ71の第1のポート71-1に入力され、偏光分離される。結果、p偏光の相関光子対は第3のポート71-3へと出力され、一方、s偏光の相関光子対は第2のポート71-2へ出力される。第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3から出力される相関光子対は、ハーフミラー73の第1のポート73-1に入力され、第2のポート73-2及び第4のポート73-4にp偏光のまま分岐出力される。一方、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2から出力されるs偏光の相関光子対は、第2の90度偏光回転器72において偏光がp偏光へと変換されたのち、ハーフミラー73の第3のポート73-3に入力され、第2のポート73-2及び第4のポート73-4にp偏光のまま分岐出力される。   The polarization quantum entangled photon pair output from the third port 40-3 of the dichroic filter 40 is input to the first port 71-1 of the second polarization beam splitter 71 and subjected to polarization separation. As a result, the p-polarized correlated photon pair is output to the third port 71-3, while the s-polarized correlated photon pair is output to the second port 71-2. The correlated photon pair output from the third port 71-3 of the second polarization beam splitter 71 is input to the first port 73-1 of the half mirror 73, and the second port 73-2 and the fourth port The output is split and output as p-polarized light to port 73-4. On the other hand, the s-polarized correlated photon pair output from the second port 71-2 of the second polarizing beam splitter 71 is converted into p-polarized light by the second 90-degree polarization rotator 72, The signal is input to the third port 73-3 of the half mirror 73, and is branched and output to the second port 73-2 and the fourth port 73-4 as p-polarized light.

ここで、ハーフミラー73の第2のポート73-2からの出力に着目する。ハーフミラー73の第2のポート73-2は光リジェクションフィルタ33と光分離回路34に結合される。ここで、光分離回路34の2つの出力ポートから光子が同時に出力されたとした場合、それは、以下に示す(1)又は(2)のいずれかとなる。すなわち、
(1)p偏光の相関光子対が、第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1を経過したのち、ハーフミラー73の第2のポート73-2へp偏光としてと出力されたか、
(2)s偏光の相関光子対が、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2、第2の90度偏光回転器72、ハーフミラー73の第3のポート73-3を経過したのち、ハーフミラー73の第3のポート73-2へp偏光として出力されたか
のいずれかとなる。
Here, attention is focused on the output from the second port 73-2 of the half mirror 73. The second port 73-2 of the half mirror 73 is coupled to the light rejection filter 33 and the light separation circuit 34. Here, when photons are simultaneously output from the two output ports of the light separation circuit 34, it is either (1) or (2) shown below. That is,
(1) After the correlated photon pair of p-polarized light passes through the third port 71-3 of the second polarization beam splitter 71 and the first port 73-1 of the half mirror 73, the second pair of the half mirror 73 Was output as p-polarized light to port 73-2?
(2) The correlated photon pair of s-polarized light passes through the second port 71-2 of the second polarization beam splitter 71, the second 90-degree polarization rotator 72, and the third port 73-3 of the half mirror 73. After that, it is output to the third port 73-2 of the half mirror 73 as p-polarized light.

このような、シグナル光、アイドラー光が光分離回路34の2つの出力ポートから同時に出力されるという条件のもとで、(1)の場合と(2)の場合で発生するシグナル光とアイドラー光の相関光子対の間には、τの遅延時間が与えられている。   Under such a condition that the signal light and the idler light are simultaneously output from the two output ports of the light separation circuit 34, the signal light and the idler light generated in the cases (1) and (2). A delay time of τ is given between the correlated photon pairs.

インコヒーレント光源が光パルス化されており、そのパルス幅よりも遅延時間τが十分大きいならば、光分離回路34の2つの出力ポートから出力される相関光子対は、相対遅延時間ゼロの相関光子対と、相対遅延時間τの相関光子対の重ね合わせ状態となり、すなわち、条件付きの時間位置量子もつれ光子対を発生できることになる。   If the incoherent light source is optically pulsed and the delay time τ is sufficiently larger than the pulse width, the correlated photon pair output from the two output ports of the optical separation circuit 34 is a correlated photon with zero relative delay time. The pair and the correlated photon pair of relative delay time τ are superposed, that is, a conditional time-position quantum entangled photon pair can be generated.

図12、図13、図14、図17を参照して説明した相関光子対発生装置と、図10、15を参照して説明した第1及び第2の相関光子対発生装置との違いは以下のように生じる。   The difference between the correlated photon pair generating apparatus described with reference to FIGS. 12, 13, 14, and 17 and the first and second correlated photon pair generating apparatuses described with reference to FIGS. It occurs as follows.

すなわち、時間位置量子もつれにおける可干渉性は、SPDCないしはSFWMを生じる励起光源のコヒーレンス時間で決まる。図10、15で図示した第1及び第2の相関光子対発生装置から出力される時間位置量子もつれ光子対の場合、コヒーレンス時間は数十ps(SHGバンド幅の逆数)であり、すなわち、これより短い遅延時間τの遅延干渉計を利用して、例えば量子鍵配送などを行わなければならない。   That is, the coherence in time-position quantum entanglement is determined by the coherence time of the excitation light source that generates SPDC or SFWM. In the case of the time-position quantum entangled photon pair output from the first and second correlated photon pair generators shown in FIGS. 10 and 15, the coherence time is several tens of ps (reciprocal of the SHG bandwidth). For example, quantum key distribution must be performed using a delay interferometer with a shorter delay time τ.

一方、図12、図13、図14、図17を参照して説明した相関光子対発生装置から出力される時間位置量子もつれ光子対では、もとになる偏光量子もつれで発生させたp偏光の相関光子対とs偏光の相関光子対は高い可干渉性を有している。それゆえに、それを利用して発生させた時間位置量子もつれ光子対も高い可干渉性を有している。すなわち、励起光源のコヒーレンス時間にかかわらず、システム構成要件等に応じて自由に遅延時間τの設計ができる。そのため、第1及び第2の相関光子対発生装置の効果に加えて以下の効果が期待できる。すなわち、遅延時間τの設計の自由度が高く、かつ、高い可干渉性を有する時間位置量子もつれ光子対を発生できる。   On the other hand, in the time-position entangled photon pair output from the correlated photon pair generator described with reference to FIGS. 12, 13, 14, and 17, the p-polarized light generated by the original polarization entanglement Correlated photon pairs and s-polarized correlated photon pairs have high coherence. Therefore, the time-position quantum entangled photon pair generated by using it also has high coherence. That is, regardless of the coherence time of the excitation light source, the delay time τ can be freely designed according to the system configuration requirements and the like. Therefore, in addition to the effects of the first and second correlated photon pair generation devices, the following effects can be expected. That is, a time-position quantum entangled photon pair having a high degree of freedom in designing the delay time τ and having high coherence can be generated.

また時間位置量子もつれ光子対発生装置において、インコヒーレント光源はインコヒーレント光源を構成するいずれか適当な箇所に光変調器を挿入する、またはインコヒーレント光源を励起する電流や光源をパルス化するなどの手段を講ずることによって、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であるものとする。   In addition, in the time-position entangled photon pair generator, the incoherent light source inserts an optical modulator at any appropriate location constituting the incoherent light source, or pulses the current or light source that excites the incoherent light source, etc. By taking the means, it is assumed that the light source is an incoherent light source that generates incoherent light in the form of light pulses.

<相関光子対発生装置の変形例>
上述した第1及び第2の相関光子対発生装置における光バンドパスフィルタや光ローパスフィルタ等の接続順は、本発明の実施形態の構成図の順に限定されない。例えば図12〜図14において、光ハイパスフィルタ32と偏光回転器39の配置を互いに入れ替えてもよい。また図17における光バンドパスフィルタ53はインコヒーレント光源52とWDMフィルタ63の第1のポート63-1を結ぶ光路のいずれの場所に挿入されてもよい。また図15、図17における光ローパスフィルタ54と光リジェクションフィルタ55の配置を入れ代えてもよい。また図11及び図16における第1の光ハイパスフィルタ35、57及び第2の光ハイパスフィルタ36、58の順番を入れ替えてもよい。また光ハイパスフィルタの代わりに光ローパスフィルタを利用してもよい。
<Modification of correlated photon pair generator>
The connection order of the optical bandpass filter, the optical lowpass filter, and the like in the first and second correlated photon pair generation apparatuses described above is not limited to the order of the configuration diagram of the embodiment of the present invention. For example, in FIGS. 12 to 14, the arrangement of the optical high-pass filter 32 and the polarization rotator 39 may be interchanged. In addition, the optical bandpass filter 53 in FIG. 17 may be inserted in any place on the optical path connecting the incoherent light source 52 and the first port 63-1 of the WDM filter 63. Further, the arrangement of the optical low-pass filter 54 and the optical rejection filter 55 in FIGS. 15 and 17 may be interchanged. Further, the order of the first optical high-pass filters 35 and 57 and the second optical high-pass filters 36 and 58 in FIGS. 11 and 16 may be switched. An optical low-pass filter may be used instead of the optical high-pass filter.

また、図12〜図14、図17に示すサニャックループ干渉計を利用した偏光量子もつれ光子対発生装置において、偏光回転器39、62後の光の偏光状態を45度偏光として説明したが、これは左右円偏光であっても構わない。また、その後のダイクロイックフィルタや偏光ビームスプリッタの挿入損失に偏光依存性がある場合、また非線形光学デバイスへ励起光を双方向入力する際の光結合効率が非対称性である場合などにおいて、これらを補償するために、偏光回転器39、62後の光の偏光状態を45度偏光から少しはずれた状態とすることが好ましい場合もある。この場合でも本発明の効果を得ることができる。またこのような場合に対処するためには、偏光回転器39、62として、光学軸方向が可回転な1/2波長板を利用するのが最も望ましい。   In addition, in the polarization entangled photon pair generation device using the Sagnac loop interferometer shown in FIGS. May be left and right circularly polarized light. In addition, if the insertion loss of subsequent dichroic filters or polarizing beam splitters is polarization-dependent, or if the optical coupling efficiency is bi-directionally input to the nonlinear optical device, these are compensated. For this reason, it may be preferable that the polarization state of the light after the polarization rotators 39 and 62 is slightly deviated from the 45 degree polarization. Even in this case, the effect of the present invention can be obtained. In order to cope with such a case, it is most desirable to use a half-wave plate whose optical axis direction is rotatable as the polarization rotators 39 and 62.

また非線形光学デバイスとしては、必要とする波長変換光波長や量子もつれ光子対波長などに応じて、適宜最適なものを選べばよく、それらの具体なデバイスの種類や波長等は本発明の効果を限定するものではない。すなわち、導波路型デバイスであってもよいしバルク結晶でもよい。また紫外光を扱ってもよいし赤外光を扱ってもよい。   Further, as the nonlinear optical device, an optimal device may be selected as appropriate according to the required wavelength conversion light wavelength, the entangled photon pair wavelength, etc. It is not limited. That is, a waveguide type device or a bulk crystal may be used. Further, ultraviolet light or infrared light may be handled.

また本発明では周期的分極反転構造を有する疑似位相整合2次非線形光学デバイスの場合においてその動作検証実験を行ったが、本発明の効果は、例えば分極反転周期を光の伝搬方向に沿って変化させた、いわゆるチャープグレーティング構造を施した疑似位相整合2次非線形光学デバイスの場合においても、本発明の動作原理を考えれば得ることができる。   In the present invention, an operation verification experiment was performed in the case of a quasi-phase matched second-order nonlinear optical device having a periodic polarization reversal structure. The effect of the present invention is, for example, that the polarization reversal period is changed along the light propagation direction. Even in the case of the quasi phase matching second-order nonlinear optical device having a so-called chirped grating structure, the operation principle of the present invention can be considered.

また、時間位置量子もつれ光子対発生装置のように、また第1及び第2の相関光子対発生装置においても、インコヒーレント光源を構成するいずれか適当な箇所に光変調器を挿入する、またはインコヒーレント光源を励起する電流や光源をパルス化するなどの手法によって、パルス状のインコヒーレント光源を用意して、結果、パルス状の波長変換光、あるいは相関光子対、あるいは量子もつれ光子対を発生させることも、本発明の実施形態に含まれる。   In addition, as in the time-position entangled photon pair generating device, and also in the first and second correlated photon pair generating devices, an optical modulator is inserted at any appropriate location constituting the incoherent light source, or Prepare a pulsed incoherent light source using a method such as exciting the current of the coherent light source or pulsing the light source, and as a result, generate a pulsed wavelength-converted light, correlated photon pair, or entangled photon pair This is also included in the embodiment of the present invention.

1:第1の非線形光学デバイス
2、22、52:インコヒーレント光源
3、4、7、23、24:光学結合系
5:光増幅器
6、37、38、53、59、60:光バンドパスフィルタ
8:自由空間光取得装置
21:n次非線形光学デバイス
30:光源装置
31:第2の非線形光学デバイス
32:光ハイパスフィルタ
33、55:光リジェクションフィルタ
33-1:第1の光リジェクションフィルタ
33-2:第2の光リジェクションフィルタ
34、56:光分離回路
35、57:第1の光ハイパスフィルタ
36、58:第2の光ハイパスフィルタ
39、62:偏光回転器
40:ダイクロイックフィルタ
41、64、71:偏光ビームスプリッタ
42、65、72:90度偏光回転器
51:2次非線形光学デバイス
54:光ローパスフィルタ
61:偏光子
63:WDMフィルタ
70:モード変換器
73:ハーフミラー
1: First nonlinear optical device
2, 22, 52: Incoherent light source
3, 4, 7, 23, 24: Optical coupling system
5: Optical amplifier
6, 37, 38, 53, 59, 60: Optical bandpass filter
8: Free space light acquisition device
21: nth-order nonlinear optical device
30: Light source device
31: Second nonlinear optical device
32: Optical high-pass filter
33, 55: Optical rejection filter
33-1: First optical rejection filter
33-2: Second optical rejection filter
34, 56: Optical separation circuit
35, 57: First optical high-pass filter
36, 58: Second optical high-pass filter
39, 62: Polarization rotator
40: Dichroic filter
41, 64, 71: Polarizing beam splitter
42, 65, 72: 90 degree polarization rotator
51: Second-order nonlinear optical device
54: Optical low-pass filter
61: Polarizer
63: WDM filter
70: Mode converter
73: Half mirror

Claims (23)

nを2以上の整数とし、真空中の光速度をcとし、n次の光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0として、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長がλPMW(=nc/f0)であるn次非線形光学効果を有する第1の非線形光学デバイスと、
該λPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と
を備え、
前記第1の非線形光学デバイスによって、前記インコヒーレント光に対するn次のSFGにより、波長λPMW/nのSFG光を発生させることを特徴とする光源装置。
n is an integer of 2 or more, light velocity in vacuum is c, phase matching for n-th order sum frequency generation (SFG) is realized, and maximum intensity converted light is obtained. A first nonlinear optical device having an n-order nonlinear optical effect in which the optical frequency of the converted light is f 0 and the phase matching wavelength or the pseudo phase matching wavelength is λ PMW (= nc / f 0 ),
An incoherent light source that outputs incoherent light having a continuous optical frequency spectrum including the wavelength component of λ PMW ,
A light source device, wherein the first nonlinear optical device generates SFG light having a wavelength λ PMW / n by n-th order SFG for the incoherent light.
前記第1の非線形光学デバイスは、2次非線形光学デバイスであることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。   The light source apparatus according to claim 1, wherein the first nonlinear optical device is a second-order nonlinear optical device. インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であり、
当該光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)によるSHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係を満たす
ことを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
The curve giving the optical frequency spectrum of the incoherent light source is symmetric about the optical frequency axis about the optical frequency f 0/2 ,
The full width at half maximum Δf pump of the optical frequency curve and the full width at half maximum Δf SHG of the curve giving the SHG light intensity with respect to the optical frequency of the SHG light by the second harmonic generation (hereinafter referred to as SHG) are Δf pump ≦ The light source device according to claim 2, wherein a relationship of 1.2Δf SHG is satisfied.
インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であり、
当該光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)によるSHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump>0.7ΔfSHGの関係を満たす
ことを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
The curve giving the optical frequency spectrum of the incoherent light source is symmetric about the optical frequency axis about the optical frequency f 0/2 ,
The full width at half maximum Δf pump of the optical frequency curve and the full width at half maximum Δf SHG of the curve that gives the SHG light intensity with respect to the optical frequency of the SHG light by second harmonic generation (hereinafter referred to as SHG) are Δf pump > The light source device according to claim 2, wherein a relationship of 0.7Δf SHG is satisfied.
前記インコヒーレント光源は、インコヒーレント光を出力する複数の自然放出光源からの出力光を一か所に集光する構成とされており、
当該集光されたインコヒーレント光を前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source is configured to collect output light from a plurality of spontaneous emission light sources that output incoherent light in one place,
The light source apparatus according to claim 1, wherein the condensed incoherent light is input to the first nonlinear optical device.
前記インコヒーレント光源は、インコヒーレント光を出力する複数の自然放出光源を備え、
前記複数のインコヒーレント光源からの出力光を前記第1の非線形光学デバイス上の複数個所にそれぞれ照射してSFG光を出力させ、
当該複数箇所で発生したSFG光を集光して出力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a plurality of spontaneous emission light sources that output incoherent light,
Irradiating the plurality of locations on the first nonlinear optical device with output light from the plurality of incoherent light sources to output SFG light,
5. The light source device according to claim 1, wherein the SFG light generated at the plurality of locations is collected and output.
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光増幅器とを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a spontaneous emission light source and an optical amplifier,
5. The light source device according to claim 1, wherein incoherent light output from the spontaneous emission light source is amplified by the optical amplifier and then input to the first nonlinear optical device. .
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光バンドパスフィルタとを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a spontaneous emission light source and an optical bandpass filter,
The incoherent light output from the spontaneous emission light source is narrowed in the optical spectrum band by the optical bandpass filter and input to the first nonlinear optical device. The light source device according to claim 1.
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光バンドパスフィルタと光増幅器とを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a spontaneous emission light source, an optical bandpass filter, and an optical amplifier,
The incoherent light output from the spontaneous emission light source is narrowed in the optical spectrum band by the optical bandpass filter, amplified by the optical amplifier, and then input to the first nonlinear optical device, The light source device according to any one of claims 1 to 4.
前記インコヒーレント光源は、自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光バンドパスフィルタとを備え、
インコヒーレント光である前記自由空間光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a free space light acquisition device that acquires free space light and an optical bandpass filter,
The free space light, which is incoherent light, is narrowed in the optical spectrum band by the optical bandpass filter and input to the first nonlinear optical device. The light source device according to item.
前記インコヒーレント光源は、自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光バンドパスフィルタと光増幅器とを備え、
インコヒーレント光である前記自由空間光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光源装置。
The incoherent light source includes a free space light acquisition device that acquires free space light, an optical bandpass filter, and an optical amplifier,
The free-space light, which is incoherent light, is narrowed in an optical spectrum band by the optical bandpass filter, amplified by the optical amplifier, and then input to the first nonlinear optical device. Item 5. The light source device according to any one of Items 1 to 4.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分を透過することでSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
光分離回路と
を備え、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタを経過後、前記第2の非線形光学デバイスに入力され、
前記第2の非線形光学デバイスにおいて、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換、あるいは3次非線形光学効果である自然4光波混合によって発生したシグナル光成分とアイドラー光成分から成る前記相関光子対を生成し、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する前記相関光子対が前記光リジェクションフィルタ、及び前記光分離回路によってシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 11,
An optical high-pass filter that removes light components in the vicinity of the optical frequency f 0 / n of the incoherent light output from the light source device and transmits only the SFG light by transmitting the light component in the vicinity of the optical frequency f 0 ;
A second nonlinear optical device;
An optical rejection filter for removing the SFG light;
An optical separation circuit,
After the output light from the light source device passes through the optical high-pass filter, it is input to the second nonlinear optical device,
In the second nonlinear optical device, the correlated photon pair consisting of a signal light component and an idler light component generated by natural parametric down-conversion that is a second-order nonlinear optical effect or natural four-wave mixing that is a third-order nonlinear optical effect Generate
The correlated photon pair generated by the second nonlinear optical device is spatially separated into a signal light component and an idler light component by the light rejection filter and the light separation circuit, and is output. Twin generator.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分を透過することでSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次又は3次の非線形光学効果を発現する第2の非線形光学デバイスと、
波長変換光の光周波数f0よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する第1の光ハイパスフィルタと、
波長変換光の光周波数f0よりも低周波数側の光を選択的に反射する第2の光ハイパスフィルタと
を備え、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタを経過後、前記第2の非線形光学デバイスに入力され、
前記第2の非線形光学デバイスにおいて、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換、あるいは3次非線形光学効果である自然4光波混合によって発生したシグナル光成分とアイドラー光成分から成る前記相関光子対を生成し、
前記第2の非線形光学デバイスからの出力光は、前記第1の光ハイパスフィルタに入力され、前記第1の光ハイパスフィルタの反射光は、前記第2の光ハイパスフィルタに入力され、
前記第1の光ハイパスフィルタの透過出力からシグナル光成分が、前記第2の光ハイパスフィルタの反射出力からアイドラー光成分が、空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 11,
An optical high-pass filter that removes light components in the vicinity of the optical frequency f 0 / n of the incoherent light output from the light source device and transmits only the SFG light by transmitting the light component in the vicinity of the optical frequency f 0 ;
A second nonlinear optical device that exhibits a second-order or third-order nonlinear optical effect;
A first optical high-pass filter that selectively transmits light at a frequency higher than the optical frequency f 0 of the wavelength-converted light and reflects other light components;
A second optical high-pass filter that selectively reflects light at a frequency lower than the optical frequency f 0 of the wavelength-converted light,
After the output light from the light source device passes through the optical high-pass filter, it is input to the second nonlinear optical device,
In the second nonlinear optical device, the correlated photon pair consisting of a signal light component and an idler light component generated by natural parametric down-conversion that is a second-order nonlinear optical effect or natural four-wave mixing that is a third-order nonlinear optical effect Generate
Output light from the second nonlinear optical device is input to the first optical high-pass filter, and reflected light of the first optical high-pass filter is input to the second optical high-pass filter,
A correlated photon pair generating apparatus, wherein a signal light component is output from a transmission output of the first optical high-pass filter and an idler light component is output from a reflection output of the second optical high-pass filter after being spatially separated.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するtype-I型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と、
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記SFG光を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
前記光合分波器の第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の前記相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第1のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第1のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が光合分波器の第2のポート、第3のポート、前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 11,
An optical high-pass filter that transmits only SFG light output from the light source device;
A second nonlinear optical device of type-I type that exhibits a second-order nonlinear optical effect;
An optical rejection filter for removing the SFG light;
A light separation circuit that spatially separates and outputs a correlated photon pair generated by the second nonlinear optical device into a signal light component and an idler light component;
A polarization rotator that rotates the polarization of the SFG light by 45 degrees;
The SFG light that is input from the first port is output to the second port, and the optical coupling / demultiplexing that outputs the correlated photon pair component including the signal light component and the idler light component input from the second port to the third port And
Separates and outputs the SFG light input from the first port of the optical multiplexer / demultiplexer to the second and third ports into polarization components that are orthogonal to each other, and has the same polarization direction as the polarization components that have undergone polarization separation A pair of correlated photons of the polarization beam splitter that is input to the second and third ports, respectively, and combined and output to the first port;
A 90-degree polarization rotator that rotates the polarization of input light by 90 degrees,
The second nonlinear optical device and the 90-degree polarization rotator are arranged in a loop path connecting the second port and the third port of the polarization beam splitter;
The polarization rotator is connected to a first port of the optical multiplexer / demultiplexer;
A first port of the polarization beam splitter is connected to a second port of the optical multiplexer / demultiplexer;
The optical rejection filter is connected to a third port of the optical multiplexer / demultiplexer;
After the output light from the light source device passes through the optical high-pass filter and the polarization rotator, the light passes through the first port and the second port of the optical multiplexer / demultiplexer, and passes through the first port and the second port as 45-degree polarized light. Input to port 1,
First and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the loop path output from the second port and the third port of the polarization beam splitter are bidirectionally transmitted to the second nonlinear optical device. The first and second correlated photon pairs propagating clockwise and counterclockwise in the loop path, which are input and composed of signal light and idler light by parametric fluorescence, are generated in both directions,
The first and second correlated photon pairs are polarized and combined in the polarization beam splitter and output to the first port;
The correlated photon pair synthesized by polarization is output as a entangled photon pair after passing through the second port, the third port, the optical rejection filter, and the optical separation circuit of the optical multiplexer / demultiplexer. Polarized quantum entangled photon pair generator.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するtype-I型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の前記相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第4のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記偏光ビームスプリッタの第4のポートに前記光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第4のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 11,
An optical high-pass filter that transmits only SFG light output from the light source device;
A second nonlinear optical device of type-I type that exhibits a second-order nonlinear optical effect;
An optical rejection filter for removing the SFG light;
A light separation circuit that spatially separates and outputs a correlated photon pair generated by the second nonlinear optical device into a signal light component and an idler light component; a polarization rotator that rotates the polarization of the SFG light by 45 degrees;
The SFG light input from the first port is separated and output to the second and third ports as polarization components that are orthogonal to each other, and the correlated photon pair having a polarization direction orthogonal to the polarization components that have been polarized and separated A polarization beam splitter that is input to the second and third ports respectively, and is combined with the polarization and output to the fourth port;
A 90-degree polarization rotator that rotates the polarization of input light by 90 degrees,
The second nonlinear optical device and the 90-degree polarization rotator are arranged in a loop path connecting the second port and the third port of the polarization beam splitter;
The polarization rotator is connected to a first port of the polarization beam splitter;
The optical rejection filter is connected to a fourth port of the polarizing beam splitter;
After the output light from the light source device passes through the optical high-pass filter and the polarization rotator, it is input to the first port of the polarization beam splitter as 45-degree polarized light,
First and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the loop path output from the second port and the third port of the polarization beam splitter are bidirectionally transmitted to the second nonlinear optical device. The first and second correlated photon pairs propagating clockwise and counterclockwise in the loop path, which are input and composed of signal light and idler light by parametric fluorescence, are generated in both directions,
The first and second correlated photon pairs are polarized and combined in the polarization beam splitter and output to the fourth port;
The polarization entangled photon pair generating apparatus characterized in that the correlated photon pair synthesized by polarization is output as a entangled photon pair after passing through the optical rejection filter and the optical separation circuit.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するType-II型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する第1及び第2の光リジェクションフィルタと、
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記SFG光を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第4のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記第1の光リジェクションフィルタが接続され、
前記偏光ビームスプリッタの第4のポートに前記第2の光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記双方向に発生した相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいてそれぞれシグナル光成分、アイドラー光成分に偏光分離され、それぞれ第1のポート、第4のポートに出力され、
前記第1の光リジェクションフィルタおよび前記第2の光リジェクションフィルタから量子もつれ光子対が出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
The light source device according to any one of claims 1 to 11,
An optical high-pass filter that transmits only SFG light output from the light source device;
Type-II type second nonlinear optical device that expresses the second-order nonlinear optical effect;
First and second optical rejection filters for removing the SFG light;
A polarization rotator that rotates the polarization of the SFG light by 45 degrees;
The SFG light that is input from the first port is output to the second port, and the optical coupling / demultiplexing that outputs the correlated photon pair component including the signal light component and the idler light component input from the second port to the third port And
The SFG light input from the first port is separated and output to the second and third ports into polarization components that are orthogonal to each other, and a correlated photon pair having a polarization direction orthogonal to the polarization components that have undergone polarization separation is output. A polarization beam splitter that is input to the second and third ports, and is combined and output to the fourth port.
A 90-degree polarization rotator that rotates the polarization of input light by 90 degrees,
The second nonlinear optical device and the 90-degree polarization rotator are arranged in a loop path connecting the second port and the third port of the polarization beam splitter;
The polarization rotator is connected to a first port of the optical multiplexer / demultiplexer;
A first port of the polarization beam splitter is connected to a second port of the optical multiplexer / demultiplexer;
The first optical rejection filter is connected to a third port of the optical multiplexer / demultiplexer;
The second optical rejection filter is connected to a fourth port of the polarizing beam splitter;
After the output light from the light source device passes through the optical high-pass filter and the polarization rotator, the light passes through the first port and the second port of the optical multiplexer / demultiplexer, and passes through the first port and the second port as 45-degree polarized light. Input to port 1,
First and second SFG lights propagating clockwise and counterclockwise through the loop path output from the second port and the third port of the polarization beam splitter are bidirectionally transmitted to the second nonlinear optical device. The first and second correlated photon pairs propagating clockwise and counterclockwise in the loop path, which are input and composed of signal light and idler light by parametric fluorescence, are generated in both directions,
Correlated photon pairs generated in both directions are polarized and separated into signal light component and idler light component in the polarization beam splitter, respectively, and output to the first port and the fourth port, respectively.
2. A polarization entangled photon pair generating apparatus, wherein quantum entangled photon pairs are output from the first optical rejection filter and the second optical rejection filter.
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(=2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)を発生する2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
前記インコヒーレント光の光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタと、
光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する光ローパスフィルタと、
光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分を除去しSPDC光子対の波長成分のみを透過する光リジェクションフィルタと、
SPDCによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対をそれぞれ空間分離して出力する光分離回路と
を備え、
前記インコヒーレント光源からの出力光は前記光バンドパスフィルタによって光周波数f0/2近傍の光成分に帯域制限されたのちに前記2次非線形光学デバイスへと入力され、
前記2次非線形光学デバイスにおいて、入力されたインコヒーレント光成分を励起光とするSFG光を発生させ、当該SFG光を励起光としてSPDCを発現させて、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対を発生させ、
前記2次非線形光学デバイスからの出力光のうち、相関光子対波長成分以外の不要な波長成分は前記光ローパスフィルタ及び前記光リジェクションフィルタによって除去されることを特徴とする相関光子対発生装置。
Let c be the speed of light in vacuum, and f 0 represents the optical frequency of the converted light when phase matching for sum frequency generation (hereinafter abbreviated as SFG) is achieved and converted light of maximum intensity is obtained. SFG light from incoherent light is generated with a phase matching wavelength or pseudo phase matching wavelength of λ PMW (= 2c / f 0 ), and natural parametric down conversion (hereinafter referred to as SPDC) is performed. A generated second-order nonlinear optical device;
And incoherent light source for outputting incoherent light including a light frequency f 0/2 near the frequency components,
An optical bandpass filter for transmitting only the optical frequency f 0/2 near the light components of the incoherent light,
An optical low-pass filter to remove the optical frequency f 0 near the optical components, which transmit light components including the optical frequency f 0/2 near the wavelength components of the SPDC photon pairs,
A light rejection filter which transmits only the wavelength components of the SPDC photon pair to remove the optical frequency f 0/2 near the incoherent light component,
It is equipped with an optical separation circuit that spatially separates and outputs correlated photon pairs consisting of signal photons generated by SPDC and idler photons,
The output light from the incoherent light source is input to the second-order nonlinear optical device after being band-limited to an optical frequency f 0/2 near the optical component by the optical bandpass filter,
In the second-order nonlinear optical device, SFG light is generated using the input incoherent light component as excitation light, SPDC is expressed using the SFG light as excitation light, and a correlated photon pair consisting of signal photons and idler photons is generated. Generate
A correlated photon pair generation apparatus, wherein unnecessary wavelength components other than correlated photon pair wavelength components in output light from the second-order nonlinear optical device are removed by the optical low-pass filter and the optical rejection filter.
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(=2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)を発生する2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する光ローパスフィルタと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
前記インコヒーレント光の光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタで決まる透過インコヒーレント光帯域よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する第1の光ハイパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタで決まる透過インコヒーレント光帯域よりも低周波数側の光を選択的に反射する第2の光ハイパスフィルタと
を備え、
前記第1の光ハイパスフィルタの反射光は、前記第2の光ハイパスフィルタに入力され、
前記第1の光ハイパスフィルタの透過出力からシグナル光成分が、前記第2の光ハイパスフィルタの反射出力からアイドラー光成分が、空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
Let c be the speed of light in vacuum, and f 0 represents the optical frequency of the converted light when phase matching for sum frequency generation (hereinafter abbreviated as SFG) is achieved and converted light of maximum intensity is obtained. SFG light from incoherent light is generated with a phase matching wavelength or pseudo phase matching wavelength of λ PMW (= 2c / f 0 ), and natural parametric down conversion (hereinafter referred to as SPDC) is performed. A generated second-order nonlinear optical device;
An optical low-pass filter to remove the optical frequency f 0 near the optical components, which transmit light components including the optical frequency f 0/2 near the wavelength components of the SPDC photon pairs,
And incoherent light source for outputting incoherent light including a light frequency f 0/2 near the frequency components,
An optical bandpass filter for transmitting only the optical frequency f 0/2 near the light components of the incoherent light,
A first optical high-pass filter that selectively transmits light on a higher frequency side than the transmission incoherent optical band determined by the optical band-pass filter and reflects other light components;
A second optical high pass filter that selectively reflects light on a lower frequency side than the transmission incoherent optical band determined by the optical band pass filter;
The reflected light of the first optical high pass filter is input to the second optical high pass filter,
A correlated photon pair generating apparatus, wherein a signal light component is output from a transmission output of the first optical high-pass filter and an idler light component is output from a reflection output of the second optical high-pass filter after being spatially separated.
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(=2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換を発生するtype-I型の2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
光周波数f0/2近傍の波長成分を透過する光バンドパスフィルタと、
光周波数f0近傍の波長成分のSFG光を除去する光ローパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタを透過するインコヒーレント光成分を除去する光リジェクションフィルタと、
前記2次非線形光デバイスが発生するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と、
偏光子と、
前記偏光子を透過した前記インコヒーレント光成分の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記インコヒーレント光成分を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
第1のポートから入力された光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の光が各々第2、第3のポートへと入力され第1のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記2次非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートと前記インコヒーレント光源の間に前記光バンドパスフィルタ、前記偏光子、前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記光ローパスフィルタと前記光リジェクションフィルタと前記光分離回路がこの順に接続され、
前記インコヒーレント光源からの出力光が前記光バンドパスフィルタ、前記偏光子、前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力された前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬するインコヒーレント光成分が、前記2次非線形光学デバイスに双方向に入力され、前記2次非線形光学デバイスにおいてインコヒーレント光成分に対する第1及び第2のSFG光が発生するとともに、該SFG光に対するパラメトリック下方変換によりシグナル光とアイドラー光からなる第1及び第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記双方向に発生した前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第1のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が前記光合分波器の第2のポート、第3のポート、前記光ローパスフィルタ、前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
Let c be the speed of light in vacuum, and f 0 represents the optical frequency of the converted light when phase matching for sum frequency generation (hereinafter abbreviated as SFG) is achieved and converted light of maximum intensity is obtained. Type-I type second-order nonlinear optics that generates SFG light from incoherent light and generates natural parametric down-conversion with λ PMW (= 2c / f 0 ) as the phase-matching wavelength or quasi-phase-matching wavelength The device,
And incoherent light source for outputting incoherent light including a light frequency f 0/2 near the frequency components,
An optical bandpass filter that transmits a wavelength component near the optical frequency f 0/2 ,
An optical low-pass filter that removes SFG light having a wavelength component near the optical frequency f 0 ,
An optical rejection filter that removes incoherent light components that pass through the optical bandpass filter;
A light separation circuit that spatially separates and outputs a correlated photon pair composed of a signal light component and an idler light component generated by the second-order nonlinear optical device into a signal light component and an idler light component;
A polarizer,
A polarization rotator that rotates the polarization of the incoherent light component transmitted through the polarizer by 45 degrees;
The incoherent light component input from the first port is output to the second port, and the correlated photon pair component composed of the signal light component and the idler light component input from the second port is output to the third port. A duplexer,
The light input from the first port is separated and output to the second and third ports into polarization components that are orthogonal to each other, and the light having the same polarization direction as the polarization-separated polarization components is respectively output to the second and second ports. A polarization beam splitter that is input to the port of 3 and is combined with and polarized to the first port; and
A 90-degree polarization rotator that rotates the polarization of input light by 90 degrees,
The second-order nonlinear optical device and the 90-degree polarization rotator are arranged in a loop path connecting the second port and the third port of the polarization beam splitter,
The optical bandpass filter, the polarizer, and the polarization rotator are connected between the first port of the optical multiplexer / demultiplexer and the incoherent light source,
A first port of the polarization beam splitter is connected to a second port of the optical multiplexer / demultiplexer;
The optical low-pass filter, the optical rejection filter, and the optical separation circuit are connected in this order to a third port of the optical multiplexer / demultiplexer,
The output light from the incoherent light source passes through the optical bandpass filter, the polarizer, and the polarization rotator, and then passes through the first port and the second port of the optical multiplexer / demultiplexer as the 45-degree polarized light. Input to the first port of the polarizing beam splitter,
The incoherent light component propagating clockwise and counterclockwise through the loop path output from the second port and the third port of the polarization beam splitter is input bidirectionally to the second-order nonlinear optical device, and First and second SFG light for the incoherent light component is generated in the second-order nonlinear optical device, and both first and second correlated photon pairs consisting of signal light and idler light are generated by parametric down-conversion to the SFG light. Occur
The first and second correlated photon pairs generated in both directions are combined in the polarization beam splitter and output to the first port,
The correlated photon pair synthesized by polarization is output as the entangled photon pair after passing through the second port, the third port, the optical low-pass filter, the optical rejection filter, and the optical separation circuit of the optical multiplexer / demultiplexer. Polarized quantum entangled photon pair generator characterized in that
請求項14又は15に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記光リジェクションフィルタの前段もしくは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
The polarization quantum entangled photon pair generation device according to claim 14 or 15 is further overlapped with a method of distributing a plurality of photons present in a time slot to a photon pair, In order to form a correlated photon pair having a quantum correlation at the time position, a mode converter that generates a relative delay time difference between the optical paths between two photons whose polarization planes are orthogonal to each other,
The incoherent light source is an incoherent light source that generates optical pulse-shaped incoherent light,
In the mode converter, the relative delay time difference is set to be sufficiently larger than the pulse width of the incoherent light, and the time converter is connected to the front stage or the rear stage of the optical rejection filter. Quantum entangled photon pair generator.
請求項16に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記第1光リジェクションフィルタの前段あるいは後段、もしくは前記第2光リジェクションフィルタの前段あるいは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
The polarization entangled photon pair generation device according to claim 16, further comprising a method of distributing a plurality of photons present in the photon pair in time slots, and a time position between the photon pairs. A mode converter that generates a relative delay time difference between optical paths between two photons whose planes of polarization are orthogonal to each other,
The incoherent light source is an incoherent light source that generates optical pulse-shaped incoherent light,
In the mode converter, the relative delay time difference is set to be sufficiently larger than the pulse width of the incoherent light, the front stage or the rear stage of the first optical rejection filter, or the second optical rejection filter. A time-positioned entangled photon pair generator characterized by being connected to the preceding stage or the subsequent stage.
請求項19に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、
更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記光ローパスフィルタの前段もしくは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
The polarization entangled photon pair generator according to claim 19,
Furthermore, in order to form a correlated photon pair having a quantum correlation at the time position between the photon pairs in a state where the distribution method of each of the plurality of photons existing in the photon pair is superimposed on the time slot, Comprises a mode converter that generates a relative delay time difference between optical paths between two photons orthogonal to each other,
The incoherent light source is an incoherent light source that generates optical pulse-shaped incoherent light,
The mode converter is characterized in that the relative delay time difference is set to be sufficiently larger than the pulse width of the incoherent light, and is connected to a front stage or a rear stage of the optical low-pass filter. Tangle photon pair generator.
前記モード変換器は、
第1のポートから入力された前記相関光子対を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力する第2の偏光ビームスプリッタと、
前記相関光子対の偏光を90度回転する第2の90度偏光回転器と、
第1のポートから入力された前記相関光子対を第2、第4のポートへ等分岐し、第3のポートから入力された前記相関光子対を第2、第4のポートへ等分岐するハーフミラーと
を備え、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第3のポートと前記ハーフミラーの第1のポートとが接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第2のポートと前記第2の90度偏光回転器と前記ハーフミラーの第3のポートとがこの順番に接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第3のポートと前記ハーフミラーの第1のポートとの間の光路で生じる光遅延時間と、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第2のポートと前記ハーフミラーの第3のポートとの間の光路で生じる光遅延時間が異なる
ことを特徴とする請求項20〜22のいずれか一項に記載の時間位置量子もつれ光子対発生装置。
The mode converter is
A second polarization beam splitter that separates and outputs the correlated photon pair input from the first port into polarization components orthogonal to each other to the second and third ports;
A second 90 degree polarization rotator that rotates the polarization of the correlated photon pair by 90 degrees;
A half branching the correlated photon pair input from the first port equally to the second and fourth ports and equally branching the correlated photon pair input from the third port to the second and fourth ports With a mirror,
A third port of the second polarizing beam splitter and a first port of the half mirror are connected;
The second port of the second polarization beam splitter, the second 90-degree polarization rotator, and the third port of the half mirror are connected in this order,
An optical delay time generated in an optical path between the third port of the second polarizing beam splitter and the first port of the half mirror;
23. The optical delay time generated in the optical path between the second port of the second polarizing beam splitter and the third port of the half mirror is different. Time-entangled entangled photon pair generator.
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