JP2018530011A - バイフォトンの調整可能な光源 - Google Patents

Abstract

本発明は、ユーザによる複雑な位置合わせまたは光源設計を必要とせずにバイフォトンを生成する装置、システム、および方法を提供する。本発明は、多数の用途向けに構成することができる、高輝度、高視認性のバイフォトンの調整可能な光源を提供する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６２／２３７，４３６号の利益を主張するものであり、その全開示内容は図面を含めて参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、バイフォトンの分野およびそれらを種々の用途のいずれでも使用するための信頼性高くかつ商業的に実行可能な方法で生成する方法に関し、用途は量子コンピューティング、量子センシング、ならびに量子暗号化および通信システムを含むがこれらに限定されない。

本発明の背景に関する以下の考察は、読者が本発明を理解するのを助けるために提供されただけであり、先行技術を本発明に記載または構成するために提出されるものではない。

量子論は、１９００年代初頭に古典物理学が原子系および亜原子系や弱電界のふるまいを説明できなかった時代に開発された。過去１０年の間に、量子情報科学は科学的探究と商業開発の活発な分野となっている。量子暗号や量子コンピューティングのような今日研究されている多くの技術および現象には、光の基本の量子化した粒子である単一光子の操作や検出が必要である。一度に何百万個もの光子を生成するのは比較的簡単であり、例えば電球は通電するたびにこれを行うが、１つの単一光子のみを確実かつ安定して生成することははるかに困難である。この目的のために、パラメトリック下方変換と呼ばれるプロセスである光子を高周波数から低周波数に変換する非線形光学結晶の使用が広く研究されてきた。パラメトリック下方変換プロセスでは、波長λの「ポンプ」光子が波長２λの２つの光子に下方変換される。生成される２つの光子は、「シグナル」光子および「アイドラー」光子と呼ばれる。システムのエネルギーは保存されなければならず、波長λの１つの光子は波長２λの２つの光子と同じエネルギーを有するので、１つのポンプ光子ごとに２つの光子が生成される。

パラメトリック下方変換プロセスは非常に非効率的なプロセスである。ポンプ光子を、結晶軸に対して、かつ結晶に入る１０億個の光子ごとに特定の軸に沿って直線偏光しなければならず、実際には１つのみが下方変換される可能性がある。この非効率性は、少数の光子を生成するための優れた方法になる。さらに、下方変換されたシグナル光子およびアイドラー光子は、結晶中の厳密に同じ時点および同じポイントで両方が生成されるので、同様の特性を有し、量子もつれのような異なる量子現象の調査または実現にしばしば有用である。下方変換されたシグナル光子およびアイドラー光子は、集合的に、バイフォトンまたはバイフォトン対としばしば呼ばれる。

バイフォトンは、量子技術では様々な方法で使用できる。１つの例は、単一光子の生成を伝令するためにバイフォトンを使用することである。単一光子がいつ生成されるかを予測することは困難であるため、バイフォトン対の光子のうちの１つを分離して、「伝令」検出器をトリガするために使用することができる。正の検出は、検出されない別の単一光子が系内に存在することを伝令する。バイフォトンはまた、もつれ光子を生成するために使用することができる。もつれ光子は少なくとも２つの光子を含み、各光子の量子状態は他の光子の量子状態に依存する。２つの位相整合されたバイフォトン光源の出力を、偏光ビームスプリッタで組み合わせて、もつれ光子対を生成することができる。さらに、バイフォトン対の２つの光子があらゆる点で似ている場合、「区別できない」と呼ばれる条件は、量子干渉現象を作り、研究するために使用することができる。量子干渉は、多くの振興の量子技術にとって重要な現象である。

バイフォトン生成の初期の実証は、β−メタホウ酸バリウム（β−ＢａＢ_２Ｏ_４、以下「ＢＢＯ」）またはリン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４、以後「ＫＴＰ」）結晶を利用し、空間的に分離されたシグナルおよびアイドラー光子放出を生じた。この手法の改善は、方法論の２つの大きな進歩によって実現された。より多くの数のバイフォトン対を生成したこれらの改良は、非共線パラメトリック下方変換放出の幾何学を利用した。両方は、Ｋｗｉａｔら（Ｐ．Ｋｗｉａｔ、Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ、Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ、およびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒによる「Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｐａｉｒｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５、４３３７（１９９５）、Ｐ．Ｋｗｉａｔ、Ｅ．Ｗａｋｓ、Ａ．Ｗｈｉｔｅ、Ｉ．Ａｐｐｅｌｂａｕｍ、およびＰ．Ｅｂｅｒｈａｒｄによる「Ｕｌｔｒａ−ｂｒｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ６０、７７３（１９９９））によって提案され実現された。

最近では、共線方式が進展している。共線パラメトリック下方変換の成功は、結晶構造に対する周期的な非線形性を生じる結晶製造手順によるものである。周期分極反転結晶内での放出は、大きな非線形係数を有する材料において、非クリティカル位相整合構成で発生し得る。これは、バイフォトン光源輝度の著しい増加をもたらした（Ｃ．Ｋｕｋｌｅｗｉｃｚ、Ｍ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｏ、Ｇ．Ｍｅｓｓｉｎ、Ｆ．Ｗｏｎｇ、およびＪ．Ｓｈａｐｉｒｏによる「Ｈｉｇｈ−ｆｌｕｘ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ ｆｒｏｍ ａ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＫＴｉＯＰＯ４ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ６９、０１３８０７（２００４））。

実証された最も明るいバイフォトン光源のいくつかは、これまでに、周期分極反転結晶を導波路構造において利用している。導波路周期分極反転ＫＴＰは、非周期分極反転非導波路バルク結晶ＫＴＰ生成率より５０倍高い（または明るい）ペア生成率を可能にする（Ｍ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｏ、Ｓ．Ｓｐｉｌｌａｎｅ、Ｒ．Ｂｅａｕｓｏｌｅｉｌ、Ｔ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｐ．Ｂａｔｔｌｅ、およびＭ．Ｍｕｎｒｏによる「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５、７４７９（２００７））。

より良好なファイバ結合を可能にする最適な集束技術の決定などの新しい工学技術やモデルが登場すると、光源性能も向上する（Ｒ、Ｂｅｎｎｉｎｋ、Ｙ．Ｌｉｕ、Ｄ．Ｅａｒｌ、およびＷ．Ｇｒｉｃｅ による「Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ７４、０２３８０２（２００６））。システム設計も性能を助けるのに役立ち、例えば光学的に透明な材料内に密封することによって、非線形結晶の取り付けを改善する（Ｐ．Ｋｗｉａｔの博士論文「Ｎｏｎｃｌａｓｓｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｆｒｏｍ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：ａｄｖｅｎｔｕｒｅｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｏｎｄｅｒｌａｎｄ」）。

バイフォトン光源のパッケージングに関連する特許には、２００５年５月２４日にＫｕｍａｒに付与された米国特許第６，８９７，４３４号「Ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｐｈｏｔｏｎ−ｐａｉｒ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」が含まれる。Ｋｕｍａｒは、「その窓（１０００−１６００ｎｍ）」の検出器を使用して、分散ゼロがポンプ波長のそれに近いファイバ、具体的には約１５５０ｎｍの波長でのサニャックループにおいて、パラメトリック蛍光を使用して、量子もつれバイフォトン対を生成する光源および／または方法を記載している。ＮｕＣｒｙｐｔ、ＬＬＣ社の市販製品（ＥＰＳ−１０００）は、この特許の教示を実践すると主張している。別の特許、Ｋｗｉａｔへの米国特許第６，４２４，６６５号「Ｕｌｔｒａ−ｂｒｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ」は、多結晶ジオメトリにおける自然パラメトリック下方変換を用いた偏光もつれおよびバイフォトン光源を記載している。量子技術の振興の応用は、より安定した、効率的な、オンデマンドの、高品質のバイフォトン光源への需要の高まりを作り出している。したがって、量子センシング、量子暗号、および量子コンピューティング分野に役立つ堅牢で明るくフレキシブルな光源を生成するために、エンドユーザに容易に構成し提供できる光源が必要である。

米国特許第６，８９７，４３４号 米国特許第６，４２４，６６５号

Ｐ．Ｋｗｉａｔ、Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ、Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ、およびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ「Ｎｅｗ Ｈｉｇｈ−Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｐａｉｒｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ７５、４３３７（１９９５） Ｐ．Ｋｗｉａｔ、Ｅ．Ｗａｋｓ、Ａ．Ｗｈｉｔｅ、Ｉ．Ａｐｐｅｌｂａｕｍ、およびＰ．Ｅｂｅｒｈａｒｄ「Ｕｌｔｒａ−ｂｒｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ６０、７７３（１９９９） Ｃ．Ｋｕｋｌｅｗｉｃｚ、Ｍ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｏ、Ｇ．Ｍｅｓｓｉｎ、Ｆ．Ｗｏｎｇ、およびＪ．Ｓｈａｐｉｒｏ「Ｈｉｇｈ−ｆｌｕｘ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｓ ｆｒｏｍ ａ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＫＴｉＯＰＯ４ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ６９、０１３８０７（２００４） Ｍ．Ｆｉｏｒｅｎｔｉｎｏ、Ｓ．Ｓｐｉｌｌａｎｅ、Ｒ．Ｂｅａｕｓｏｌｅｉｌ、Ｔ．Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｐ．Ｂａｔｔｌｅ、およびＭ．Ｍｕｎｒｏ「Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ａｎｄ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５、７４７９（２００７） Ｒ、Ｂｅｎｎｉｎｋ、Ｙ．Ｌｉｕ、Ｄ．Ｅａｒｌ、およびＷ．Ｇｒｉｃｅ「Ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ ７４、０２３８０２（２００６） Ｐ．Ｋｗｉａｔ、博士論文「Ｎｏｎｃｌａｓｓｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｆｒｏｍ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：ａｄｖｅｎｔｕｒｅｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｏｎｄｅｒｌａｎｄ」

本発明は、もつれ光子、伝令光子、オンデマンド単一光子の製造に使用することができる、または量子干渉現象を調査または利用するために使用できるバイフォトンを生成するためのシステムおよび方法を提供することを目的とする。以下に説明するように、本発明は、ユーザによる複雑な位置合わせまたは光源設計を必要とせずに、調整可能な効率、調整可能なスペクトル出力、および調整可能な光学位相を有するスケーラブルシステムを提供する。

第１の態様では、本発明は、バイフォトンを生成するためのシステム／装置を提供する。これらのシステムは、
第１の面と、第１の面に平行な第２の面と、第１および第２の面に垂直な第１の軸とを含む非線形結晶要素と、
結晶を機械的に支持し、結晶と結晶ホルダとの間に熱コンジットを提供するように構成された結晶ホルダと、
結晶ホルダに取り付けられ、結晶ホルダおよび非線形結晶要素を加熱および／または冷却するように構成された熱要素と、
結晶ホルダに動作可能に接続され、結晶ホルダおよび／または非線形結晶要素の温度を測定するように構成された熱センサと、
熱センサおよび熱要素に動作可能に接続され、結晶ホルダの温度を摂氏＋／−０．１度以内に制御するように構成された熱制御回路と、
結晶ホルダを残りの装置部品から熱的に隔離しながら結晶ホルダを機械的に支持するように構成された結晶ホルダマウントと、
偏光保持光ファイバの直線偏光出力から集束ポンプビームを生成し、生成されたポンプビームの第１の軸に対する位置の水平移動調整を提供するように構成されたポンプ集束光学部品であって、ポンプビームは、第１の軸に沿って第１の光路を非線形結晶要素の第１の面にわたり、非線形結晶要素は、ポンプビーム内の光子のサブセットの下方変換を提供し、第１の軸に沿って、下方変換されたバイフォトンのビームと、下方変換されない光子のビームをもたらす、ポンプ集束光学部品と、
第１の軸に沿って非線形結晶要素の第２の面から出る光子を受け取り、下方変換されたバイフォトンを第１の軸に沿って第３の光路に向け、下方変換されない光子を第３の軸に沿って第４の光路に反射するように構成されたダイクロイックリフレクタを含む光学要素と、
下方変換された光子を光ファイバに集め、光ファイバの光軸を第１の軸に対して調整するように構成されたバイフォトン集束光学部品とを含む。

用語「バイフォトン」は、空間の同じ点から同時に生成された２つの光子を指す。

特定の好ましい実施形態では、本発明のシステムおよび装置は、ポンプ集束光学部品と非線形結晶要素の第１の面との間の第１の光路内に配置された位相シフト波長板を含む。

位相シフト波長板は、ポンプ集束光学部品と非線形結晶の第１の面との間の第１の光路内に配置された可変波長板である。当業者であれば、可変波長板（またはリターダ）は、定義された軸に沿って進行する偏光の伝播を遅くする光学装置であることが分かる。可変波長板は、様々な方法および当業者に容易に知られている様々な材料から構成することができる。典型的な例では、可変波長板は、波長板材料の屈折率を電子的に調整することを可能にする液晶装置から構成することができる。そのような装置は、液晶（ＬＣ）分子の溶液で満たされた透明セルを含むことができる。セル壁の２つの平行な面は、透明な導電性フィルムで被覆され、セルを横切って電圧を印加することができる。ＬＣ分子の向きは、印加電圧がないときの配向膜によって決定される。ＡＣ電圧が印加されると、印加された電圧の実効値に基づいて分子がデフォルトの向きから変化する。したがって、直線偏光ビーム内の位相オフセットは、印加電圧を変化させることによって能動的に制御することができる。

特定の好ましい実施形態では、本発明のシステムおよび装置は、もしあれば、位相シフト波長板と、非線形結晶要素の第１の面との間、または位相シフト波長板が存在しない場合にはポンプ集束光学部品と、非線形結晶の第１の面との間のいずれかの第１の光路内に配置された偏光回転前駆結晶波長板を含むことができる。偏光回転前駆結晶波長板は、手動または電子的に回転可能な半波長板または可変波長板であってもよい。当業者は、波長板（またはリターダ）が、それを通って進行する光波の偏光状態を変えることができる光学装置であることが分かる。一般的なタイプの波長板は、半波長板である。半波長板の偏光軸を光ビームの偏光軸に対してθ°回転させると、半波長板後の光ビームの偏光は２θ°回転する。波長板は、典型的には、石英または雲母のような複屈折材料から構成される。波長板は、手動、機械的手段によって、または電気モータおよびアクチュエータの使用によって回転させることができる。偏光回転前駆結晶波長板は、可変波長板の電子制御が、波長板が「オン」または「オフ」のいずれかに制御できるような電子的可変波長板であってもよい。「オン」構成に構成された場合、電子的可変波長板は、固定された１／２波長板としてふるまい、偏光回転を生じる。「オフ」構成に構成された場合、電子的可変波長板は、ビームの偏光回転を生じない。好ましい実施形態では、偏光回転前駆結晶波長板は、ポンプビームの偏光状態を手動で変更するように構成された１／２波長板であり、それにより、システムによる下方変換されたバイフォトン生成の効率が変更される。

好ましい実施形態では、ポンプ集束光学部品は、偏光保持シングルモード光ファイバの端部から放出された光子から集束ビームを生成する。ポンプ集束光学部品は、生成されたビームの位置を第１の軸と同一直線上にし、非線形結晶要素の長さの中心近くまたは中心に集束させる平行移動マウントを用いて配置される。製造中に一旦位置合わせされると、平行移動マウントは「ロック状態」にされ、エンドユーザの調整が不要となる。

特定の実施形態では、本発明のシステムおよび装置は、第１の光路内に非線形結晶要素とポンプ集束光学部品との間に配置されたフィルタを含むことができる。非線形結晶要素とポンプ集束光学部品との間に他の要素が存在する場合、フィルタは非線形結晶要素の直前に配置される。このフィルタは、好ましくは、意図されたポンプ波長とは異なる波長を有する光子を除去するように構成される。一例として、ポンプ波長が４０５ｎｍである場合、３９０ｎｍを中心とする４０ｎｍ帯域幅のノッチフィルタを使用して、蛍光または高調波生成によって生成された不要な光子が非線形結晶要素に到達するのを防ぐことができる。

本発明の非線形結晶要素は、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＡＧＳ、ＡＧＳＥ、ＳＢＮ、ＢＳＯ、ＬｉＯ_３、およびＬｉＮｂＯ_３を含むがこれらに限定されない、当技術分野で知られている様々な材料で作ることができる。非線形結晶要素は、結晶マトリックスを通過する光子の一部のタイプ０、Ｉ、またはＩＩ下方変換を生成するように選択される。非線形結晶は、高いエネルギーの光子を、エネルギーの保存の法則に従って、元の光子のエネルギーおよび運動量に等しい結合エネルギーおよびモーメントを有し、周波数領域において位相整合され、相関した偏光を有する低いエネルギー光子対に変換する。光子対の一定の低い割合の自然パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）がランダムな時間に生成される。

非線形結晶は、好ましくは、非線形結晶の屈折率より低い屈折率を有するポッティング材料にポッティングされる。ポッティング材料は３つの目的を果たす。第１に、結晶を封止し、環境からの水の吸収を制限する。第２に、結晶の位置を維持する結晶の機械的保持を提供し、同時に結晶への機械的衝撃の伝達を抑制する。第３に、非線形結晶要素と結晶ホルダとの間の熱経路を提供する。これらの目的をすべて満たすために、ポッティング材料は、非線形結晶と結晶ホルダとの間の厚さが０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下でなければならない。適切な材料は、好ましくは、所望の波長で光学的に透明である。好適な材料には、ＮｕＳｉｌ ＬＳ−６９４１およびＬＳ−６１４０、Ｓｙｌｇａｒｄ（登録商標）Ｓｉｌｉｃｏｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）およびＥＬＡＳＴＯＳＩＬ（登録商標）Ｓｏｌａｒ ２２０２（Ｗａｃｋｅｒ）などのシリコン系ゴムが含まれる。

好ましい実施形態では、非線形結晶の第２の面を出た後、光子は、ダイクロイックミラーによって、第１の経路に沿った下方変換されたバイフォトンと、第２の光路に沿った下方変換されない光子とに分離される。

特定の好ましい実施形態では、再利用集束光学部品は、第２の光路に下に向けられた下方変換されない光子を集めて光ファイバにし、光ファイバの光軸を第２の軸に対して調整するように構成される。これらの下方変換されない光子を収集する目的は、追加の非線形結晶をポンピングする際の潜在的な再利用に利用できるようにすることである。

特定の好ましい実施形態では、ダイクロイックミラーを出る下方変換されない光子は、ダイクロイックミラーと再利用集束光学部品との間に位置する偏光回転再利用波長板を通って進む。偏光回転再利用波長板は、半波長板または電子的可変波長板であってもよい。好ましい実施形態では、偏光回転再利用波長板は、偏光回転前駆結晶波長板によってポンプビーム光子に対して行われた偏光修正を手動で逆にするように構成された半波長板である。

下方変換の効率が低いため、再利用されたポンプビームの強度の損失はほとんどない。「再利用された」ポンプビームは、第２の装置に提供され、これは「再利用された」ポンプビームを第３の装置にさらに提供し、これは「再利用」されたポンプビームを第４の装置等に提供することができる。これにより、本明細書に記載されたシステムのスケーラビリティが可能になり、１つまたは複数の装置が結合されたアレイとして提供でき、これらはすべて第１の装置の単一光子源から最初の「ポンプ」を受け取り、チェーンの他の装置は、一連の前の装置から集められた再利用された下方変換されない光子を介して、単一光子源にリンクされている。

さらに、以下でさらに詳細に説明するように、ｄｅｖ_１からｄｅｖ_ｎ（ｄｅｖ_１は装置１であり、ｄｅｖ_ｎは一連のｎ番目または最終の装置である）のそれぞれにおいて個別に第１の軸に対してポンプビームの偏光を調整することによって、一連の各装置による下方変換されたバイフォトン生成の効率を修正し、各装置からのバイフォトン出力をほぼ同一にすることができる。

さらに、ｄｅｖ_ｎに入る再利用されたポンプビームの位相は、ｄｅｖ_１に入る元のポンプビームに対して調整され、ｄｅｖ_１およびｄｅｖ_ｎから生成されたバイフォトン間に位相差を生成できる。

ある実施形態では、本発明のシステムおよび装置は、ダイクロイックミラーとバイフォトン集束光学部品との間に配置された傾斜窓を含むことができる。傾斜窓は、傾斜ダイクロイックミラーの厚さによって導入される任意のビーム変位を補償することができるビーム変位を導入する。好ましい実施形態では、傾斜窓は、下方変換された光子が変位後に第１の軸と同一直線上にあるように、正確に変位させる。

特定の実施形態では、本発明のシステムおよび装置は、ダイクロイックミラーとバイフォトン集束光学部品との間に配置されたバイフォトンフィルタを含むことができる。ダイクロイックミラーとバイフォトン集束光学部品との間に他の構成要素が存在する場合、フィルタはバイフォトン集束光学部品の直前に配置される。好ましい実施形態では、フィルタは、より短い波長の光子を反射または吸収する一方、７８０ｎｍを超えるバイフォトン波長を透過させる７８０ｎｍのロングパスフィルタである。

本発明の前述および他の特徴は、添付の図面を参照して、本発明の以下の説明を考慮することによって、本発明に関係する当業者には明らかになるであろう。本発明の他の実施形態は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

非線形結晶を機械的に支持し、熱的に制御する例示的なシステムの設計における部品の分解図を示す。 非線形結晶を機械的に支持し、熱的に制御する例示的なシステムの設計における構成要素の分解図を示す。 バイフォトンを生成する例示的なシステムの設計の概略図を示す。 オプションの位相シフト波長板、オプションの偏光回転前駆結晶波長板、オプションの光学フィルタ、オプションの偏光回転再利用波長板、オプションの再利用集束光学部品、オプションの傾斜窓、およびオプションの除去光学フィルタを組み込んだバイフォトンを生成する例示的なシステムの設計の概略図を示す。 本明細書では「光源側」と呼ばれるバイフォトンを生成するためのシステムの１つのサブアセンブリの例示的な位置合わせを示す。 本明細書では「受信側」と呼ばれるバイフォトンを生成するためのシステムの第２のサブアセンブリの例示的な位置合わせを示す。 同じポンプビームによって励起されているバイフォトン対を生成するために使用される例示的なアレイを示す。図示の例では、２つのシステムの出力は、選択可能な「ベル状態」で量子もつれ光子を生成する目的で組み合わされる。 非線形結晶内のポンプ光子の下方変換によって生成されたシグナルおよびアイドラー光子の波長が結晶の温度にどのように依存するかを示すグラフである。結晶温度の上昇は、アイドラー光子の波長の同様の減少を生じさせる一方、シグナル光子の波長の同様の増加を生じることが分かる。特定の結晶温度では、シグナル光子とアイドラー光子は同じ波長を有する。特定の結晶がそのような光子を生成する正確な温度は、結晶およびシステム内のその設置の態様に基づいて変化する。また、本明細書で論じるように、結晶の特性は経時的に変化し得る。したがって、グラフは例示であり、一例である。

図１は、非線形結晶要素３２を機械的に保持し、熱的に制御するシステムの設計の概略図を示す。このシステムは、好ましくはポッティング材料３０９を使用して結晶ホルダ３０１に取り付けられた非線形結晶要素３２を含む。ポッティング材料３０９は、結晶が結晶ホルダ３０１に対してレベル位置にしっかりと保持されることを保証すると同時に、外部環境から非線形結晶要素３２に伝達される可能性がある任意の機械的ショックに対してある程度の衝撃吸収を提供する。さらに、ポッティング材料３０９は、非線形結晶要素３２の表面の大部分が水の侵入に対して封止されることを保証する。非線形結晶中の水分吸収は、結晶の損傷または結晶の光学特性の経時変化をもたらし得る。さらに、ポッティング材料３０９は、非線形結晶要素３２との間で熱が伝達するための熱経路を提供する。ポッティング材料は導電体であるよりも絶縁体であるので、非線形結晶要素３２と結晶ホルダ３０１との間のポッティング材料の厚さは比較的小さいことが好ましい。好ましくは、ポッティング材料の厚さは、０．０１〜２．０ｍｍの範囲であり、最も好ましくは、０．５ｍｍである。結晶ホルダ３０１は、銅やアルミニウム等の熱伝導性材料から作製される。

結晶ホルダ３０１は、結晶ホルダ３０１の底部に、好ましくは熱要素エポキシ３０４を用いて取り付けられた熱要素３０５を有する。熱要素エポキシ３０４は、アルミナペーストなどの熱ペースト、またはアルミナエポキシなどの熱エポキシのいずれかとすることができる。熱要素３０５は、加熱要素、冷却要素、またはその両方とすることができる。当業者であれば、装置を加熱および／または冷却するための多くの方法があることを理解するであろう。好ましい実施形態では、熱要素３０５としてペルチェ要素を使用して、所望のようにアセンブリを加熱または冷却する。

非線形結晶の温度を変化させると、結晶の屈折率が変化し、その後、生成される共線シグナルおよびアイドラー光子の波長が変化する（Ｍ．Ｍ．Ｆｅｊｅｒ、Ｇ．Ａ．Ｍａｇｅｌ、Ｄ．Ｈ．Ｊｕｎｄｔ、およびＲ．Ｌ．Ｂｙｅｒによる「Ｑｕａｓｉｐｈａｓｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ｔｕｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ」ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８、２６３１〜２６５４（１９９２））。非線形結晶の温度を上昇させると、シグナル光子およびアイドラー光子の波長が変化する。しかしながら、すべての結晶について、シグナル光子とアイドラー光子が同じ波長を有する特定の温度が存在する。我々はこの温度をバイフォトン光源の「動作温度」と呼ぶ。

本明細書での適用のために光子を生成するには、同じ波長で生成されたシグナル光子およびアイドラー光子を有することがしばしば望ましい。同一の波長を有する光子を生成することは、光子を互いに区別できないようにするための鍵となる要件である。２つの光子間の区別できない機能は、しばしば特定の量子現象を観察し利用するには望ましい量子特性である。効率的な方法で同一のシグナルおよびアイドラー波長を達成するためには、非線形結晶要素３２の温度の非常に正確な調整が強く望まれる。

非線形結晶の温度を変化させることによって、生成されるシグナル光子およびアイドラー光子の波長は、図８の例示的なグラフに示すように変化することができる。図８に見られるように、同じ波長のシグナルおよびアイドラー光子を生成することができる結晶温度が存在する。本明細書に開示されるような好ましい構造および材料を、加熱／冷却および検出要素と共に使用して、この温度が摂氏０．１度よりよく最適に維持され、光子を区別できず、多くの量子コンピューティング、量子暗号、および量子センシング応用に適したものにすることを発見した。この目的を達成するために、結晶マウント３１０の温度を制御するための温度制御システムが必要である。摂氏０．１度よりも高い感度、最も好ましくは摂氏０．０１度の感度を有する熱センサが、所望の結晶温度を正確に維持するのに最適である。

さらに、本明細書で論じるように、特定の設備における特定の結晶によって生成される波長は変化することができ、また、記載のように、温度が変動するにつれて時間と共に変化することもできる。したがって、図８は、特定の設備における特定の結晶の一例として理解される。本明細書に開示されたシステムを使用することにより、説明したように、ユーザは、装置およびシステムにおいて、同一または別の所望の波長を生成するように装置を同調することができ、効率的かつ確実に、所望の波長の光子を生成するように、所与の状態の特定の装置を同調および調整させる。

この目的のために、結晶ホルダ３０１は、結晶ホルダ３０１の側面に、好ましくは熱センサエポキシ３１１を用いて取り付けられた熱センサ３０６を有する。熱センサエポキシ３１１は、アルミナペーストなどの熱ペースト、またはアルミナエポキシなどの熱エポキシのいずれかとすることができる。熱センサ３０６は、結晶ホルダ３０１の温度、それにより非線形結晶要素３２のおおよその温度を測定する。好ましい実施形態では、熱センサ３０６は、摂氏０．０１度の低い温度変化に反応する。熱センサ３０６は、熱電対または抵抗センサとすることができる。好ましい実施形態では、非線形結晶要素３２、結晶ホルダ３０１、熱センサ３０６、および熱要素３０５は、断熱ジャケット上部３０２と断熱ジャケット底部３０３との間に取り付けられる。好ましい実施形態では、熱ジャケット上部３０２および熱ジャケット底部３０３は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）プラスチックのような断熱的であるが機械的に剛性の材料から作られる。好ましい実施形態では、熱ジャケット上部３０２および熱ジャケット底部３０３は、非線形結晶要素３２、結晶ホルダ３０１、熱センサ３０６、および熱要素３０５を周囲環境から熱的に隔離する一方、要素が、互いに、および本明細書に記載のシステムの他の部品との関係において、適切に整列され、維持され得るように、適所にしっかりと固定する。

好ましい実施形態では、非線形結晶要素３２、結晶ホルダ３０１、熱センサ３０６、熱要素３０５、熱ジャケット上部３０２、および熱ジャケット底部３０３は、機械的に剛性の固定マウント上部３０７と固定マウント底部３０８との間に取り付けられる。好ましい実施形態では、固定マウント上部３０７および固定マウント底部３０８は、アルミニウムまたはＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）プラスチックのような機械的に剛性の材料で作られる。固定マウント上部３０７および固定マウント底部３０８は、アセンブリをしっかりと保持し、非線形結晶要素３２の光学的位置合わせが維持されることを保証する。好ましい実施形態では、これは、固定マウント底部３０８の内側と外側の２セットの特徴によって達成される。特徴の内側セットは、結晶ホルダ３０１、熱ジャケット上部３０２、および熱ジャケット底部３０３が沿って位置に案内される軌道を形成する。固定マウント上部３０７がこれらの３つの要素の上に配置されると、アセンブリは堅固に固定され、アセンブリ内の非線形結晶要素３２の正確で再現可能な位置合わせをもたらす。固定マウント底部３０８上の特徴の外側セットは、外部光学部品および機械的マウントを結晶マウント３１０および非線形結晶要素３２に取り付け、精密に整列させるために使用できる軌道を作成する。

図２は、結晶マウント３１０の設計の分解図を示す。結晶マウント３１０は、非線形結晶要素３２、結晶ホルダ３０１、熱センサ３０６、熱センサエポキシ３１１、熱要素３０５、熱要素エポキシ３０４、熱ジャケット上部３０２、熱ジャケット底部３０３、固定マウント上部３０７および固定マウント底部３０８からなる。

図３は、バイフォトン１０を生成するシステムの設計の概略図を示す。システムは、光源側と受信側とを含む。光源側は、光ファイバケーブルを介してシステムに供給されるレーザポンプ１１を含む。好ましい実施形態では、光ファイバケーブルはシングルモードの偏光保持光ファイバであるが、マルチモードまたはシングルモードの非偏光保持ファイバであってもよい。光ファイバは、光ファイバ集束装置１４を介してシステムに接続される。集束装置は、ファイバ出力を集束させる１つ以上のレンズを含む。集束装置１４には、第１の平行移動マウント１７が取り付けられている。第１の平行移動マウント１７は、ファイバ出力のｘ−平行移動、ｙ−平行移動、先端、傾斜、および焦点位置を正確に調整することを可能にする。好ましい実施形態では、マウントの位置合わせねじを介して調整が行われ、位置合わせがすべて完了すると、１つまたは複数の止めねじでロック状態にすることができる。

レーザ光は、光ファイバ集束装置１４を通って進み、非線形結晶３２の上および中に集束する。非線形結晶は、第１の面３３と第２の面３４とを有する。

好ましい実施形態では、非線形結晶３２は、光軸に沿ったその位置合わせが、正確かつ安定しており、好ましくは０．１°以内であるように、結晶マウント３１０内に収容される。当業者には容易に理解されるように、非線形結晶３２は、バルク非線形材料（すなわち、ＢＢＯ、ＫＴＰなど）、周期分極反転結晶（すなわち、周期分極ＫＴＰ（または「ＰＰＫＴＰ」））、または導波路構造結晶から構成される単一結晶からなってもよい。結晶は、タイプ０、タイプＩ、またはタイプＩＩの下方変換のいずれかを生成するように製造することができる。そのような実施形態では、入射レーザ光の偏光は、結晶の軸に対応し、バイフォトン生成をもたらす。

非線形結晶３２は、結晶３２を光軸に対して堅固に位置決めする結晶マウント３１０内に取り付けられている。結晶は、レーザの光子波長と、非線形結晶３２からの下方変換された出力の両方を含む光子を出力するが、これは一般にレーザの波長の２倍である。

好ましい実施形態では、熱要素３０５、熱センサ３０６、および熱制御回路９１は、非線形結晶要素３２の温度を上昇または低下させて、好ましくは摂氏５度から摂氏９０度の間に維持し、高い許容度内、好ましくは摂氏０．１度までである。非線形結晶要素３２を加熱または冷却することにより、下方変換された光子の波長を３０〜４０ｎｍの範囲にわたって調整することができる。熱制御回路９１は、比例積分偏差、すなわちＰＩＤ制御ループを実施することができる任意の電気回路である。当業者であれば容易に理解できるように、Ｏｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇから入手可能なＰＩＤ制御ループを実施するために使用することができる多数のデジタルおよびアナログベースの回路および製品がある。

好ましくは、熱制御回路９１および結晶マウント３１０の設計は、結晶マウント３１０に加えられる加熱または冷却が非常に正確であり、目標温度を超えたり、目標温度に満たないことがないようにすべきである。このように、結晶マウント３１０の熱質量および容量ならびに熱制御回路９１の応答時間は、最終制御温度における「リンギング」または「ハンチング」を避けるために互いに一致していなければならない。さらに、結晶マウント３１０は、アセンブリの残りから熱的に隔離されるべきであるが、同時に、非線形結晶要素３２へのすべての加熱または冷却エネルギーの密接な熱伝達を可能にすべきである。これらの選択は、結晶マウント３１０の機械的および熱的設計に著しく影響を及ぼす。

好ましい実施形態では、非線形結晶３２からの出力は、第２の面３４から出て、ダイクロイックミラー３８に向けられる。ダイクロイックミラー３８は、残りのレーザポンプビームを下方変換された光子から分離する。レーザポンプビームは、ダイクロイックミラー３８から別個の光路を下方に反射し、再利用されたビーム８０を生成する。

下方変換された光子は、ダイクロイックミラー３８を通ってバイフォトン集束要素５３に進む。バイフォトン集束要素５３は、光ファイバコネクタに対して取り付けられ、バイフォトン５軸位置合わせマウント５６内に取り付けられた１つまたは複数のレンズから構成される。バイフォトン集束要素５３は、取り付けられた光ファイバコネクタに向かって光を集中させて集束させ、取り付けられたシングルまたはマルチモード光ファイバに効率的に結合され得るバイフォトンビーム５９を生成する。

第１の平行移動マウント１７および結晶マウント３１０は、適所にしっかりと保持される。好ましい実施形態では、第１の平行移動マウント１７と結晶マウント３１０との間の様々なポイントに接続された４つの棒の第１のセットからなるケージ設計によって部分的に達成され、その１つは１９で示される。

結晶マウント３１０、ダイクロイックミラー３８、およびバイフォトン５軸位置合わせマウント５６は適所にしっかりと保持される。好ましい実施形態では、結晶マウント３１０とバイフォトン５軸位置合わせマウント５６との間の様々なポイントに接続された４つの棒の第２のセットからなるケージ設計によって部分的に達成され、その１つは３９で示される。

最も好ましくは、第１および第２のケージもまた、部品を板８６に堅固に取り付けることによって適所に保持される。遮光ハウジングは、アセンブリ全体を包囲し板８６に取り付けられる。

図４は、オプションの部品を組み込んだバイフォトンを生成するシステム設計の概略図を示す。

システムは、光源側と受信側とを含む。光源側は、光ファイバケーブルを介してシステムに供給されるレーザポンプ１１を含む。光ファイバは、光ファイバ集束装置１４を介してシステムに接続される。集束装置１４には、第１の平行移動マウント１７が取り付けられている。第１の平行移動マウント１７は、ファイバ出力のｘ−平行移動、ｙ−平行移動、先端、傾斜、および焦点位置を正確に調整することを可能にする。

レーザは、オプションの位相シフト波長板１８を通って向けられる。図４に示す好ましい実施形態では、オプションの位相シフト波長板１８は、第１の平行移動マウント１７の直後に配置されるが、オプションの位相シフト波長板１８は、第１の平行移動マウント１７と非線形結晶３２との間の任意の場所に配置してもよい。

好ましい実施形態では、オプションの位相シフト波長板１８は、可変波長板であり、好ましくは、液晶装置から構成される電子的可変波長板である。オプションの位相シフト波長板は、電気的に調整可能な偏光依存屈折率を有する材料（液晶など）で作製される。オプションの位相シフト波長板は、その光学的速軸がレーザポンプ１１の偏光軸と整列するように配向される。

好ましい実施形態では、オプションの位相シフト波長板を電子的に調整して、変化する位相シフトを入射ポンプビームに導入することができる。この配置は、ポンプビームの位相を他のシステムに対して制御することを可能にし、複数のシステムからの出力が結合されるときに有用なプロセスである。

レーザは、オプションの位相シフト波長板１８を通って、オプションの偏光回転前駆結晶波長板２０に続く。オプションの偏光回転前駆結晶波長板２０は、手動で（すなわち、手動回転で）または電子的に（すなわち、液晶媒体または他の光学位相操作媒体を介して）構成することができる。オプションの偏光回転前駆結晶波長板は、ポンプビームの偏光の修正を可能にし、非線形結晶３２の下方変換効率生産率の減少をもたらす。

オプションの偏光回転前駆結晶波長板２０は、第１の平行移動マウント１７と非線形結晶３２との間の任意の場所に配置することができる。

レーザ光は、オプションの偏光回転前駆結晶波長板２０を通って進み、次に、レーザの対象波長以外の光を除去するオプションの光学フィルタ２９を通って向けられる。当業者は、オプションの光学フィルタ２９が、レーザノッチフィルタ、バンドパスフィルタ、またはロングまたはショートパスフィルタであり得ることを容易に理解するであろう。好ましくは、オプションの光学フィルタ２９はレーザノッチフィルタである。

レーザ光は、オプションの光学フィルタ２９を通って進み、非線形結晶３２の上および中に集束する。非線形結晶は、第１の面３３と第２の面３４とを有する。

好ましい実施形態では、非線形結晶３２は、光軸に沿ったその位置合わせが０．１°以内に正確で安定するように結晶マウント３１０内に収容される。

非線形結晶３２は、結晶３２を光軸に対して堅固に位置決めする結晶マウント３１０内に取り付けられている。結晶は、レーザの光子波長と、非線形結晶３２からの下方変換された出力の両方を含む光子を出力するが、これは一般にレーザの波長の２倍である。

好ましい実施形態では、熱要素３０５、熱センサ３０６、および熱制御回路９１は、非線形結晶要素３２の温度を、好ましくは摂氏０．１度以内で上昇または低下させて、温度を摂氏５度から摂氏９０度の間に維持することを可能にする。非線形結晶要素３２を加熱または冷却することにより、下方変換された光子の波長を３０〜４０ｎｍの範囲にわたって調整することができる。当業者は容易に理解するように、熱制御回路９１は、比例積分偏差、すなわちＰＩＤ制御ループを実施することができる任意の電気回路であり、好ましくは、好ましい実施形態について論じた制限を満たすものである。

好ましい実施形態では、非線形結晶３２からの出力は、第２の面３４から出て、ダイクロイックミラー３８に向けられる。ダイクロイックミラー３８は、残りのレーザポンプビームを下方変換された光子から分離する。レーザポンプビームは、以下にさらに述べるように、ダイクロイックミラー３８からシステムの他の部分に反射する。

下方変換された光子は、ダイクロイックミラー３８を通過し、オプションの傾斜窓４１に向けられる。オプションの傾斜窓４１は、好ましくは、ダイクロイックミラーによって導入された光軸における軸ずれを補償するように設計され、補償された下方変換光子を生成する。好ましい実施形態では、傾斜窓は石英で構成されているが、サファイア、ＢＫ７、およびフッ化マグネシウムを含むが、これらに限定されない任意の様々な材料とすることができる。

選択的に、好ましい実施形態では、オプションの傾斜窓４１は、非線形結晶３２と比較して反対の複屈折特性を有する材料で構成することもできる。この材料は、結晶中のあらゆる分散を補償でき、ＫＴＰ、ＬｉＴａＯ_３、およびＹＶＯ_４を含む材料から構成することができるが、ＫＴＰが最も好ましい。

好適な実施形態では、オプションの傾斜光学窓を通過する下方変換された光子は、オプションの除去光学フィルタ４４に向けられる。オプションの除去光学フィルタ４４は、１つまたは複数の光学フィルタで構成され、信号から残りのレーザ光または他の不要な光およびノイズを除去する。オプションの除去光学フィルタ４４は、レーザノッチフィルタ、バンドパスフィルタ、またはロングまたはショートパスフィルタであり得るが、ロングパスフィルタが最も好ましい。

下方変換された光子は、オプションの除去光学フィルタ４４を通ってバイフォトン集束要素５３に進む。バイフォトン集束要素５３は、光ファイバコネクタに対して取り付けられ、バイフォトン５軸位置合わせマウント５６内に取り付けられた１つまたは複数のレンズから構成される。バイフォトン集束要素５３は、取り付けられた光ファイバコネクタに向かって光を集中させて集束させ、取り付けられたシングルまたはマルチモード光ファイバに効率的に結合され得るバイフォトンビーム５９を生成する。

好ましい実施形態では、非線形結晶３２を出るポンプビームは、第２の面３４から出て、ダイクロイックミラー３８に導かれ、下方変換された光子とは別個の光路を下に反射する。レーザポンプビーム光子はダイクロイックミラーによって反射されて再利用されたビーム８０を生成する。再利用されたビーム８０は、オプションの偏光回転再利用波長板７１に向けられる。オプションの偏光回転再利用波長板７１は、好ましくはレーザ波長に応じて選択し、オプションの偏光回転前駆結晶波長板２３で発生する任意の偏光回転の影響を逆転させるために使用することができる。

再利用されたビーム８０は、オプションの偏光回転再利用波長板７１を通過し、オプションの再利用光学集束アセンブリ７４に向けられる。オプションの再利用光学集束アセンブリ７４は、１つまたは複数の光学レンズで構成される。オプションの再利用光学集束アセンブリ７４は、好ましくは、焦点を注意深く調整することができるオプションの第３の平行移動マウント７７に取り付けられる。好ましい実施形態では、ｘ−平行移動、ｙ−平行移動、先端、傾斜、および焦点の距離はすべて、マウント内の６つの位置合わせねじによって調整することができ、最終的な位置合わせは、止めねじによって適所に固定することができる。

オプションの再利用光学集束アセンブリ７４は、再利用されたビーム８０が集束されて光ファイバに入射することを可能にする。再利用されたビーム８０を含む光ファイバは、選択的に、非線形結晶３２を再度励起するために使用でき、様々な形態の量子もつれに有用な一時的な不確実性を生じさせるか、または選択的に追加の光子を生成するために第２のシステムに向けることができ、この場合そのプロセスは何度も繰り返すことができ、レーザ源の適用を大幅に延長することができる。他の実施形態では、再利用されたビーム８０を使用して、システムと１つまたは複数の他のシステムとの間の位相関係を監視することができる。

第１の平行移動マウント１７、オプションの位相シフト波長板１８、オプションの偏光回転前駆結晶波長板２０、オプションの光学フィルタ２９、および結晶マウント３１０は適所にしっかりと保持される。好ましい実施形態では、第１の平行移動マウント１７と結晶マウント３１０との間の様々なポイントに接続された４つの棒の第１のセットからなるケージ設計によって部分的に達成され、その１つは１９で示される。

結晶マウント３１０、ダイクロイックミラー３８、オプションの傾斜窓４１、オプションの除去光学フィルタ４４、およびバイフォトン５軸位置合わせマウント５６は適所にしっかりと保持される。好ましい実施形態では、結晶マウント３１０とバイフォトン５軸位置合わせマウント５６との間の様々なポイントに接続された４つの棒の第２のセットからなるケージ設計によって部分的に達成され、その１つは３９で示される。

オプションの偏光回転再利用波長板７１およびオプションの第３の平行移動マウント７７も同様に適所にしっかりと保持される。好ましい実施形態では、部分的に、４本の棒の第３のセットからなるケージ設計によって部分的に達成され、そのうちの１つが７８で示され、１つが３９で示されている４本の棒の第２のセットと、オプションの第３の平行移動マウント７７との間にまたがる。

最も好ましくは、第１、第２、および第３のケージは、部品を板８６に堅固に取り付けることによって適所に保持される。遮光ハウジングは、アセンブリ全体を包囲し板８６に取り付けられる。

図５および図６は、バイフォトン１０を生成するためにシステムを位置合わせする方法に関連する本発明の態様を示す。

好ましい実施形態では、システム１０の位置合わせは、３段階プロセスによって達成される。

位置合わせの第１段階を図５に示す。好ましい実施形態では、光源側サブアセンブリ９０は、光ファイバ集束装置１４と、第１の平行移動マウント１７と、その１つが１９で示される１セットの４本の棒と、非線形結晶３２の第１の面３３と第２の面３４との間の中間点が組み立てシステム１０内に配置される正確な焦点距離にその検出面があるように配置されたビームプロファイラ９３とを含む。

選択的に、上述したように、第１のサブアセンブリは以下の、オプションの位相シフト波長板１８、オプションの光学フィルタ２０、および／またはオプションの偏光回転前駆結晶波長板２９のうちの１つまたは複数を含むことができる。

ポンプビーム１１のために使用される同じ波長の光ファイバレーザ９６からの光は、光源側サブアセンブリ９０の光ファイバ集束装置１４の表面上の同じ位置に向けられ、ビームプロファイラ９３によって検出される光の焦点を生成する。当業者によって容易に理解されるように、ビームプロファイラ９３は、次に、ビームプロファイラ出力１００として部分的に概略的に図示されるように、焦点の位置、直径、光パワー、および発散を決定することができる。

ビームプロファイラ出力１００が概略的に図５に示されているが、当業者は、ビームプロファイラが様々なフォーマットでデータを出力でき、上述したように、位置および直径より多くの情報を提供することを容易に認識するであろう。概略図は、グラフィックの例示のために提供されており、利用可能な完全な出力を伝えること、あるいは本発明の教示をいかなる方法でも制限することを意図するものではない。

次いで、ビームプロファイラ９３からの出力は、位置合わせ調整が平行移動マウント１７に対して行われたときに監視され、光ファイバレーザ９６からの光を正確に合焦させて、光が、光ファイバ集束装置１４と、存在する場合にはオプションの位相シフト前記結晶変数１８と、存在する場合にはオプションの光学フィルタ２０と、存在する場合にはオプションの偏光回転前駆結晶波長板２９を通じて、ビームプロファイラ９３が除去されマウント３１０内の非線形結晶３２に置き換えられたとき、使用される焦点距離で最大に合焦される。

位置合わせの第２段階を図６に示す。好ましい実施形態では、受信側サブアセンブリ１１０は、ビームプロファイラ９３、ダイクロイックミラー３８、バイフォトン５軸位置合わせマウント５６、および１つが３９で示される１セットの４本の棒を含む。ビームプロファイラ９３は、その検出面が、非線形結晶３２の第１の面３３と第２の面３４との間の中間点が組み立てシステム１０に配置される正確な焦点距離にあるように配置される。

選択的に、上述のように、受信側サブアセンブリは、以下の再利用光学集束アセンブリ７４、平行移動マウント７７、傾斜窓４１、および除去光学フィルタ４４のうちの１つまたは複数を含むことができる。

下方変換ビーム５９のために予想されるのと同じ波長の光ファイバレーザ１１２からの光は、受信側サブアセンブリ１１０のバイフォトン集束装置５３の表面上の同じ位置に向けられ、ビームプロファイラ９３によって検出される光の焦点を生成する。当業者によって容易に理解されるように、ビームプロファイラ９３は、次に、ビームプロファイラ出力１０２として部分的に概略的に図示されるように、焦点の位置、直径、光パワー、および発散を決定することができる。

次いで、ビームプロファイラ９３からの出力は、位置合わせ調整が平行移動マウント５６に対して行われたときに監視され、光ファイバレーザ１１２からの光を正確に合焦させて、光が、バイフォトン集束装置５３と、存在する場合にはオプションの除去光学フィルタ４４と、存在する場合にはオプションの傾斜窓４１と、ダイクロイックミラー３８とを通じて、ビームプロファイラ９３が除去されマウント３１０内の非線形結晶３２に置き換えられたとき、使用される焦点距離で最大に合焦される。

バイフォトン集束要素５３が位置合わせされる。バイフォトン集束要素調整光１１２が導入される。バイフォトン集束要素調整光１１２は、生成される下方変換された光子に等しい波長を有するレーザからの光であり、最終アセンブリにおいて下方変換された光子を放出するバイフォトン集束要素５３上のスポットに導入される。光は、組み立てられた要素を通過し、一部は最終的にビームプロファイラ９３に到達する。前述したように、ビームプロファイラは、ビームプロファイラ出力１０２として部分的に概略的に示されているように、スポットの位置、直径、光パワー、および発散に関するデータを生成して表示する。バイフォトン５軸位置合わせマウント５６への調整は、ビームをビームプロファイラ９３および第２のサブアセンブリ１１０の光軸上に集束させるように行うことができる。

オプションの再利用光学集束アセンブリ７４およびオプションの平行移動マウント７７が存在する場合、再利用ビーム８０と同じ波長の光ファイバレーザ１１６からの光は、受信側サブアセンブリ１１０の再利用光学集束アセンブリ７４の表面上の同じ位置に向けられ、ビームプロファイラ９３によって検出される光の焦点を生成する。当業者によって容易に理解されるように、ビームプロファイラ９３は、次に、ビームプロファイラ出力１０２として部分的に概略的に図示されるように、焦点の位置、直径、光パワー、および発散を決定することができる。

次いで、ビームプロファイラ９３からの出力は、位置合わせ調整が平行移動マウント７７に対して行われたときに監視され、光ファイバレーザ１１６からの光を正確に合焦させて、光が、存在する場合にはオプションの偏光回転再利用波長板７１を通じて最大に合焦され、ビームプロファイラ９３が除去されマウント３１０内の非線形結晶３２に置き換えられるときに利用される焦点距離にあるダイクロイックミラー３８から反射される。

前述したように、ビームプロファイラは、ビームプロファイラ出力１０２として部分的に概略的に示されているように、スポットの位置、直径、光パワー、および発散に関するデータを生成して表示する。存在する場合には再利用光学集束アセンブリ７４への調整は、ビームをビームプロファイラ９３および受信側サブアセンブリ１１０の光軸上に集束させるように行うことができる。

次に、位置合わせおよびアセンブリの第３段階を実行する。ビームプロファイラ９３は、サブアセンブリから除去される。図３および図４に示すように、非線形結晶３２を含む固定マウント３１０は、次に光源側と受信側のサブアセンブリの間に固定され、ビームプロファイラ９３は、光源側および受信機側サブアセンブリの組み立ておよび位置合わせの間存在する。

ポンプ波長１１の光は、上述したようにシステム１０に導入され、非線形結晶３２上に集束される。レーザ光は、第１の面３３上で視認でき、平行移動マウント１７内のｘおよびｙ調整を使用して焦点軸ではなく、ｘ軸およびｙ軸に平行移動させて、非線形結晶の第１の面３３上に視覚的に焦点を中心に置く。

バイフォトンビーム５９および／または再利用ビーム８０は、その後、光ファイバに収集され、検出器に接続される。集束要素のｘおよびｙ平行移動は調整することができる。バイフォトン集束要素５３のｘおよびｙ平行移動は、バイフォトン５軸位置合わせマウント５６内のｘおよびｙ平行移動を調整することによって最適化することができ、バイフォトン収集を所望のように最適化することができる。再利用光学集束アセンブリ７４のｘおよびｙ平行移動は、第３の平行移動マウント７７のｘおよびｙ平行移動を調整することによって最適化することができ、再利用ビーム８０の収集を所望のように最適化することができる。

好ましい実施形態では、バイフォトンビーム５９は、バイフォトンを２つの別個の光ファイバに分割する光ファイバビームスプリッタに向けられる。２つの別個の光ファイバは、次に２つの単一光子計数検出器に向けられる。次いで、検出器の出力を同時計数器で監視する。同時計数器は、光子がこれらの２つの検出器に同時に到着した時点を判定することができる。２つの検出器出力の一致率は、次に、バイフォトン５軸位置合わせマウント５６上のｘおよびｙ平行移動調整によって、監視および最大化することができる。

最も好ましくは、完全に位置合わせされたとき、マウントは、各マウントの位置合わせねじ上の止めねじによって適所にロックされる。次に、アセンブリのためのハウジングが適所に配置され、好ましくはねじでシステム基板８６に取り付けられる。システム基板８６およびハウジングは、光学部品を保護し、内部の位置合わせを維持し、望ましくない外光が光学部品に集められることを排除する働きをする。

本明細書に開示されたシステムおよび方法を使用することにより、３０ｍｍ長のＰＰＫＴＰ結晶での１００万対毎秒毎ｍＷというポンプパワーの高い速度でのバイフォトンの生成が可能になる。本明細書に開示されたシステムおよび方法を使用することにより、単一のシステムが、単一の光ファイバに結合することができるバイフォトンを生成することが可能になる。生成されたバイフォトンのスペクトルは、非線形結晶要素３２の維持温度を調整することによって調整することができる。

図７に概略的に示すように、バイフォトンを生成するための２つのシステムを同じポンプビームから駆動して、量子もつれ状態の光子の結合した出力を生成することができる。そのような実施形態では、第１のシステム２１０が本発明に従って組み立てられる。前述したように、システムは、図３に示すようにオプションの要素がないシステム１０であってもよいし、図４に示す１つまたは複数のオプションの要素を有するシステムであってもよい。最も好ましくは、システム２１０は、図４に示すシステムである。同様に、このような実施形態では、第２のシステム２００も利用される。システム２００は、図３に示すようにオプションの要素がないシステム１０であってもよいし、図４に示す１つまたは複数のオプションの要素を有するシステムであってもよい。最も好ましくは、システム２００は、図４に示すシステムである。

好ましい実施形態では、ポンプレーザ２０３は、偏光保持光ファイバ２０６を介して、偏光保持光ファイバスプリッタ２０９に光を供給する。光ファイバスプリッタ２０９は、光ファイバを介してバイフォトン生成システム２１０および２００のそれぞれに接続されるポンプビームの２つの複製を生成する。好ましい実施形態では、両方のシステム２００および２１０は同一である。最も好ましくは、両方のシステム２００および２１０は、オプションの位相シフト波長板１８を含む。最も好ましくは、システム２００および２１０は、図４に示すシステムである。

この実施形態では、単一ユニットの非線形結晶によって生成されるバイフォトン対は、反対の偏光を有し、単一の出射光ファイバに結合される。システム２１０によって放出されたバイフォトンは、ファイバ２３０に結合される。システム２００によって放出されたバイフォトンは、ファイバ２３３に結合される。出力ファイバ２３０および２３３は、２×２光ファイバ偏光ビームスプリッタ２３６で結合される。光ファイバ偏光ビームスプリッタの出力ファイバ２４２および２３９からの出力は、任意の「ベル状態」（出力２４５および２４８）にすることができる偏光もつれ光子を含む。

特定の「ベル状態」または他の量子状態で安定した出力を構築および維持するためには、２つのポンプビームの励振システム間の位相差を監視および維持しなければならない。これを行うために、システム２１０および２００からのポンプレーザビームの再利用された出力は、好ましくはシングルモード偏光保持光ファイバ２１８および２２４に結合される。これらのファイバは、再利用された出力を位相監視制御システム２２１に向ける。好ましい実施形態では、位相監視制御システムは、Ｔｈｏｒｌａｂｓから市販されているようなマッハツェンダ干渉計であり、これは２つのシステム２００および２１０のポンプビーム間の位相差の測定値を提供する。好ましい実施形態では、位相監視制御システムからの出力は、電気同軸ケーブル２２７を介して、システム２１０（図８に図示）またはシステム２００のいずれかのオプションの位相シフト波長板１８にフィードバックされる。最も好ましくは、オプションの位相シフト波長板１８は、システム２００とシステム２１０によって生成される光子間の位相差の任意の変動を補償するように電子的に調整可能である。

本発明は、当業者がそれを製造し使用するのに十分なほど詳細に記載および例示されてきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な代替、改変、および改良は明らかであろう。本明細書で提供される実施例は、好ましい実施形態の代表例であり、例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。改変および他の使用を当業者は思いつくであろう。これらの改変は、本発明の精神に包含され、特許請求の範囲によって定義される。

本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、本明細書に開示された発明に様々な置換および修飾を加えることができることは、当業者には容易に明らかであろう。

本明細書において言及されるすべての特許および刊行物は、本発明が関係する当業者のレベルを示す。すべての特許および刊行物は、個々の刊行物が具体的かつ個別に参照により組み入れられることが示されているのと同程度に、参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書に例示的に記載された発明は、本明細書に具体的に開示されていない要素（単数または複数）、制限（単数または複数）がない場合に、適切に実施され得る。したがって、例えば、本明細書の各例において、「含む」、「本質的にからなる」および「からなる」のいずれかの用語は、他の２つの用語のいずれかと置き換えることができる。使用された用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、示され説明された特徴またはその一部の均等物を排除するような用語および表現の使用において意図はないが、クレームされた本発明の範囲内で種々の変更が可能であることが認識される。したがって、本発明は、好ましい実施形態およびオプションの特徴によって具体的に開示されているが、本明細書に開示された概念の変更および変形が当業者によって採用されてもよく、そのような変更および変形は添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内である。

他の実施形態は、添付の特許請求の範囲に記載される。

Claims (17)

1. バイフォトンを生成する装置であって、
   第１の面と、前記第１の面に平行な第２の面と、前記第１および第２の面に垂直な第１の軸とを含む非線形結晶要素と、
   前記結晶を機械的に支持し、前記結晶と前記結晶ホルダとの間に熱コンジットを提供するように構成された結晶ホルダと、
   前記結晶ホルダに動作可能に接続され、前記結晶ホルダおよび前記非線形結晶要素を加熱および／または冷却する熱要素と、
   前記結晶ホルダに動作可能に接続され、前記結晶ホルダおよび／または前記非線形結晶要素の温度を測定するように構成された熱センサと、
   前記熱センサおよび前記熱要素に動作可能に接続され、前記結晶ホルダの温度を摂氏＋／−０．１度以内に制御するように構成された熱制御回路と、
   前記結晶ホルダを機械的に支持し、前記結晶ホルダを残りの装置部品から熱的に隔離するように構成された結晶ホルダマウントと、
   偏光保持光ファイバの前記直線偏光出力から集束ポンプビームを生成し、前記生成されたポンプビームの前記第１の軸に対する位置の水平移動調整を提供するように構成されたポンプ集束光学部品であって、前記ポンプビームは、前記第１の軸に沿って第１の光路を前記非線形結晶要素の第１の面にわたり、前記非線形結晶要素は、前記ポンプビーム内の光子のサブセットの下方変換を提供し、前記第１の軸に沿って、下方変換されたバイフォトンのビームと、下方変換されない光子のビームをもたらす、ポンプ集束光学部品と、
   前記第１の軸に沿って前記非線形結晶要素の第２の面から出る光子を受け取り、下方変換されたバイフォトンを前記第１の軸に沿って第３の光路に向け、下方変換されない光子を第３の軸に沿って第４の光路に反射するように構成されたダイクロイックリフレクタを含む光学要素と、
   前記下方変換された光子を光ファイバに集め、前記光ファイバの光軸を前記第１の軸に対して調整するように構成されたバイフォトン集束光学部品と
   を含む、装置。
2. 前記熱要素が熱電装置である、請求項１に記載の装置。
3. 前記熱要素が抵抗加熱器である、請求項１に記載の装置。
4. 前記熱制御回路がＰＩＤループに基づく、請求項１に記載の装置。
5. 前記光子源と前記非線形結晶要素の前記第１の面との間の前記第１の光路内に配置され、前記ポンプビームの偏光状態を調整可能に変更するように構成され、それにより前記システムによって下方変換された光子生成の前記効率を変更する半波長板をさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記光子源と前記非線形結晶要素の前記第１の面との間の前記第１の光路内に配置された光学リターダをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記光学リターダは電子的可変波長板であり、前記電子的可変波長板は前記偏光ポンプビームの前記光学位相の変更のみを可能にするように構成され、それにより前記下方変換された光子の前記光学位相を変更する、請求項６に記載の装置。
8. 前記光学リターダは前記光子源と前記半波長板との間に配置される、請求項６または７に記載の装置。
9. 前記光子源と前記非線形結晶要素との間の前記第１の光路内に配置され、非ポンプ波長の光を前記結晶に到達するのを除去するように構成されるフィルタをさらに含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記非線形結晶要素は、前記非線形結晶の前記屈折率よりも低い屈折率を有するポッティング材料でポッティングされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記ポッティング材料がシリコン系ゴムである、請求項１０に記載の装置。
12. 前記非線形結晶要素は、タイプ０下方変換を生成する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記非線形結晶要素がタイプＩ下方変換を生成する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記非線形結晶要素がタイプＩＩ下方変換を生成する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記第４の光路は、前記下方変換されない光子を第２の光ファイバの端部に集束させるように構成された光学要素を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記アレイ内の第１の装置の前記第４の光路からの下方変換されない光子が、前記アレイ内の第２の装置内の前記光子源として利用される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の複数の装置を含むアレイ。
17. 前記第４の光路からの下方変換されない光子は、前記ポンプビームと結合され、前記第１の光路に沿って再度向けられる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。