JP4028658B2 - 単一光子発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光子一つずつに情報を載せることで盗聴者の発見を可能にする伝送システムである量子暗号通信システムなどに用いる光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
量子暗号通信システムでは、光子一つずつに情報を載せることで、量子力学的な原理により盗聴者の発見を可能にする。しかし、もし同じ情報を２つ以上の光子に載せてしまえば、盗聴者によってそれらの光子の一部を利用され、盗聴者の存在を検出できない可能性がある。このように、理想的には最大でも１つの光子しか含まないパルスを利用する必要がある。このようなパルスとしては、１パルスあたりの光子の平均数μを約０．１になるように、レーザー光源からの光を減衰器によって減衰することが一般に行われている。このようにすることで、２つ以上の光子がパルス中に含まれる確率を減少できるが、しかしパルス中に１つの光子が含まれている確率も０．１程度に減少することになる。つまり、μ＝０．１の場合、１０回に１度程度しか、実際に伝送が行われないことになる。
【０００３】
このような方法を改善する従来の技術の１例として、特表平８−５０５０１９号公報の、「量子暗号を使用したキー分配システムおよび方法」に記載されているものについて、図９を用いて説明する。図９において、９は非線型光学結晶５をポンプするためのポンプ光を発生するレーザーである。非線型光学結晶１１では、ポンプ光の光子一つが確率的に２つの光子に発生するパラメトリック蛍光対が発生する。そのうちの一つの光子（ここでは、アイドラー光子と呼ぶ）は、光検出器およびゲートコントロール装置４９により検出され、検出した場合はもう一方の光子（シグナル光子と呼ぶ）が通過するようにゲート装置４を開く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術においては、次のような問題があった。
【０００５】
まず第一に、従来の方法では、検出器の反応時間内に光子対が２つ発生していた場合には、ゲート操作によって、２つのシグナル光子が射出され、パルス内に２つの光子が存在する場合がある、という欠陥があった。
【０００６】
また、従来の方法においては、またパルス内部での光子発生のタイミングを制御することはできなかった。
【０００７】
また、光子の到着を検出する検出器が、光子を検出していないにもかかわらずパルスを出力するいわゆる「ダークカウントパルス」を発生した場合、射出光子が存在しないような空の光パルスを出力することになり、効率が悪かった。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、パルス内にただ１つの光子を発生させることを目的とする。
【０００９】
また、検出器のダークカウントパルスによる空の光パルスの発生を低減させることを目的とする。
【００１０】
また、パルス内部において、光子発生を特定のタイミングで発生させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源と、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器と、クロック発生器と、該クロック発生器により発生されたクロック内のシグナル光子の射出を制御するゲート装置、該クロック発生器により発生されたクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備え、前記光子検出器がＡＰＤであり、クロックの立ち上がりから一定時間の間だけ、該ＡＰＤへの印加電圧をブレーク電圧より高くされたものである。
【００１３】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を設けたものである。
【００１４】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えたものである。
【００１５】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えることを備えたものである。
【００１６】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えたものである。
【００１７】
また、アイドラー光子の射出を制御するゲート装置として複数のシャッターを備えたものである。
【００１８】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えたものである。
【００１９】
この発明においては、アイドラー光子の光子の入射を光子検出器によって検出し、クロック発生器からのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉する。
【００２０】
また、アイドラー光子の光子の入射を光子検出器によって検出し、クロック発生器からのクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉する。
【００２１】
また、ポンプ光光源からのポンプ光を入射させ、非線型光学媒質によって発生する発生時刻に相関をもつ光子対をアイドラ光子とシグナル光子として用いる。
【００２２】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００２３】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００２４】
また、ポンプ光を導波路型の非線型光学媒質に入射する。
【００２５】
また、ポンプ光を擬似位相整合型非線型光学媒質に入射する。
【００２６】
また、アイドラー光子の射出を複数のシャッターからなるゲート装置によって制御する。
【００２７】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、光ファイバーを用いてその光子の射出を制御するゲート装置に到達させる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１ 図１はこの発明の一実施の形態の全体構成図である。図１において、１は発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、２はアイドラー光子５を検出する光子検出器、３は光子検出器から発生するシグナルパルスを微分する微分回路、８は微分回路３からの信号およびクロック発生部７からの制御クロックに対応してゲート装置４を制御するゲート装置制御部である。
【００２９】
図２に、この実施の形態の詳細な構成を示す。この実施の形態では、クロック内の特定のタイミングで、単一光子のみが含まれるような光パルスを効率よく発生させるものである。
【００３０】
（光子対発生器の説明）
図２において、９は非線型光学媒質１１をポンプするポンプ光１０の光源である。非線型光学媒質１１では、ダウンコンバージョンによってポンプ光１０の波長λの２倍の波長２λをもつアイドラー光子５とシグナル光子６が発生する。本実施の形態では、ポンプ光源９として３５１．１ｎｍの波長をもつアルゴンレーザーを用いている。このとき、アイドラー光子５とシグナル光子６は、互いに発生する光子のエネルギーの和が、３５１．１ｎｍの波長の光子のエネルギーに等しい対、つまりそれぞれ７０２．２ｎｍの波長の光子としてそれぞれ発生する。
【００３１】
特願平９ー３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線形光学媒質１１の光学軸を、ポンプ光１０に対してある特定の角度に設定することにより、発生するアイドラ光子５とシグナル光子６を、ビーム状に、かつ、高効率で発生させることが可能である。図３に、β−Ｂａｒｉｕｍ−Ｂｏｒｏｎ−Ｏｘｃｉｄｅ（ＢＢＯ）結晶の光学軸が、ポンプ光に対して５０．４度の角度に設定されている場合のチューニングカーブを示す。図３において、横軸は発生している光子の波長を、縦軸は、ポンプ光の入射方向に対する光子の出射方向を示している。図に見られるように２つのチューニングカーブが波長７０２．２ｎｍに対応する直線に接している。この条件においては、それぞれ波長７０２．２ｎｍの蛍光対がそれぞれプラス３度とマイナス３度の方向にビーム状に射出される。このような非線型光学媒質を用いることにより、ポンプ光の入射パワーに対して効率よく光子対を発生し、結果として同等のレートで単一光子を発生する場合に、装置の消費電力を低く押さえることができている。
【００３２】
アイドラー光子５は、レンズ１５によって集光され、波長λの光子を選択的に透過するフィルタ１７を通して光子数検出器２に集光される。
【００３３】
（光子検出器の説明）
この実施の形態では光子検出器２として、ＳＥＩＫＯ ＥＧ＆Ｇ社製のＳＰＣＭ−ＡＱを用いた。この光子検出器は、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をアクティブクエンチングのガイガーモードで駆動したものである。ＡＰＤは、ある一定電圧（ブレークダウン電圧）以上の電圧を印可すると、単一の光子が入射しただけでも、それにより誘起された内部キャリアが印加電圧によって加速され他のキャリアを励起する過程が終わることなく繰り返されるブレークダウン状態になる。このままでは次の光子の入射を検出することができない。クエンチングとは、光子の入射によってブレークダウン状態の発生を検出した場合、ＡＰＤへの印加電圧をブレークダウン電圧以下に下げてブレークダウン状態を終了させ、次の光子の入射を検出できるようにすることである。電圧供給部分に、単に直列抵抗などの受動素子を挿入してそのような効果を持たせた場合をパッシブクエンチングと呼び、増幅器等を用いてそのような制御を能動的に行う場合をアクティブクエンチングと呼ぶ。ＳＰＣＭ−ＡＱでは、光子が入射してから次の光子が検出できるようになるまでの時間である検出器の不感時間（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）は１００ｎｓ程度、出力パルス幅は９ｎｓ程度である。もちろん、パッシブクエンチングの光子検出器を用いることも可能である。
【００３４】
（制御方法の説明）
アイドラー光子５が光子検出器２に入射した場合の、ゲート装置４の制御のための、微分回路３、クロック発生部７、およびゲート装置制御部８の動作について、図４を用いて説明する。図４において、１８はクロック発生部から出力されるクロックパルス、１９はアイドラ光子５の光子検出器２への入射時刻を示すグラフ、２０は検出器２から出力されるシグナルパルスの様子を示すグラフ、２１は微分回路からの出力信号を示すグラフ、２２はゲート装置制御部からの出力信号等を示すグラフである。
【００３５】
本実施の形態では、１８に示されるクロックパルスが立ち上がってから一定時間τの間に、光子が１つだけ含まれるような光パルスを出力し、それ以外の時間は光子を出力しないような動作が実現されている。
【００３６】
アイドラ光子５は、時間τの間に発生する確率が十分高くなるように設定する。つまり、アイドラ光子の発生光子数を毎秒Ｎ個とした場合、Ｎ＞１／τとなるように設定する。
【００３７】
１９にみられるような各時刻のアイドラ光子の入射に伴い、２０に見られるようなシグナルパルス列が検出器２から出力される。たとえば光子の入射が時刻２３に起こった場合、それに応じて検出器２からはパルス２５が出力されるが、その直後の時刻２４に入射した光子に対しては、パルスは発生しない。発生したパルス２５は、微分回路を経て２６のような微分信号に変換される。ゲート装置制御部をトリガする信号としては、光子検出器からの出力パルス２５を直接用いることも可能ではあるが、このような微分信号２６をトリガとして用いることにより、シグナルパルス２５の形状の揺らぎによる光子検出時刻の揺らぎを抑えることができる。
【００３８】
ゲート装置制御部８では、クロックパルス１８の立ち上がり後、最初の微分信号２６のトリガのみに応じて、短い時間δだけゲート装置４を開放する制御信号２７が生成される。アイドラー光子５に対応したシグナル光子６のゲート装置４での透過時刻は、グラフ２２で点線および実線の棒で示されている。アイドラ光子５によるシグナルパルス２０は、電子回路の信号処理時間だけ遅れているので、シグナル光子６も遅延手段によって同じ時間だけ遅延させるが、図４ではこれを省略して示している。ゲート装置４では、シグナル光子２８は透過できるが、ゲート装置の開放時間δを短くすることにより、引き続くシグナル光子２９、およびそのクロック内のその他のシグナル光子の射出を抑制することができる。次のクロックでは、同様にシグナル光子３０が射出される。
【００３９】
このシグナル光子６は、レンズ１５によって集光され、波長２λの光子を選択的に透過するフィルタ１６を通しながら、光ファイバ１０へと集光される。１４は、光ファイバ１２へシグナル光６を効率的に入射するための、微動装置である。
【００４０】
光ファイバ１２の長さは、光子がゲート装置４へ伝達するのに、図４を用いて説明したような信号処理に要する時間だけ必要となるように設定される。もちろん、その時間の微調整は、光ファイバ１２の長さの調整でも、またゲート装置制御部８等に設けられた信号遅延器によっても可能である。
【００４１】
以上のような構成により、クロックパルスが立ち上がってから一定時間τの間に、光子が１つだけ含まれるような光パルスを出力し、それ以外の時間は光子を出力しないような単一光子源を実現した。
【００４２】
もちろん、図４に示したクロック信号１８、シグナルパルス２５、制御信号２７や微分信号２６を外部へ出力することは大変に有用である。クロック信号１８は、量子暗号通信システムの全システムを制御する信号として使用することができる。また、クロック発生部７を外部から供給されるクロックによりまかなう、もしくは同期させることも可能である。
【００４３】
また、量子暗号通信システムにおける光子の受信者は、シグナルパルス２５や微分信号２６を用いてゲート装置４の開放時間δを短かくすることにより、信号光子をその他のノイズ信号から分離して受信することが可能になる。
【００４４】
この実施の形態では、時間τを検出器の不感時間以下とすることによりクロック開始から１つ目の光子のみを透過させたが、時間τでの設定に、クロック１８でセットされ、出力パルス数があらかじめ設定した数Ｎに達したときにリセットされるプリセットカウンタを用いれば、クロック内でＮ個の光子を出力するようにすることも可能である。この場合、一定時間にＮ個の光子が含まれるような状態を生成することができる。
【００４５】
この実施の形態においては連続発振光（ＣＷ光）を、ポンプ光１０として用いたが、パルス光をポンプ光として用いることも可能である。また、非線型光学媒質１１の前後にポンプ光を反射する鏡を設置しキャビティを構成することにより、より効率的にアイドラ光子５およびシグナル光子６を発生させることももちろん可能である。
【００４６】
実施の形態２
実施の形態１においては検出器２として、アクティブクエンチング制御のＡＰＤを用いたが、一定時間だけブレークダウンを越える電圧をＡＰＤに印加することも可能である。この場合の制御の様子を図５を用いて説明する。図５において、３１はＡＰＤに加えられる印加電圧の時間変化を示すグラフ、３２はＡＰＤからのシグナルパルスを示すグラフ、３３は微分回路３から出力される微分信号を示すグラフである。
【００４７】
実施の形態１においてアクティブクエンチングについて説明した部分で述べたように、ＡＰＤにブレークダウン電圧よりも高い電圧が印加された場合、一光子の入射に対して無限大の増倍率をもち、ＡＰＤの出力は飽和したブレークダウン状態になる。この実施の形態では、このＡＰＤへの印加電圧を、クロック１８に応じて制御する。
【００４８】
１８に見られるクロックの立ち上がりから時間τ程度の間だけ、印加電圧をブレークダウン電圧より高い状態（３４）にする。その間、光子が入射すると同時にＡＰＤはブレークダウン状態になり出力は飽和し、その状態は印加電圧がブレークダウン電圧より低くなるまで持続する。このため、ＡＰＤからは３５のような出力パルスが得られる。その微分信号３６の立ち上がりによりゲート装置制御部８をトリガし、単一光子を切り出すことが可能になる。
【００４９】
アクティブクエンチング制御のＡＰＤを用いる場合、その不感時間やパルス長さはクエンチングに使用する回路による制限から、短くすることは困難であり、１クロック時間が検出器の不感時間やパルス長さ程度が限界であったが、この方法では、それよりも短いクロック時間を実現することが可能である。
【００５０】
実施の形態３
実施の形態１においては、発生するシグナル光の波長は７０２．２ｎｍであったが、この波長は適切な非線型光学媒質を選択することにより任意に変えることができる。たとえば、光ファイバーを用いた通信に一般に用いられている、１５５０ｎｍ付近、１３１０ｎｍ付近、また８００ｎｍ付近の波長を発生させることも可能である。
【００５１】
実施の形態１（図３）に示した光子対の発生方法は、波長が等しく角度の広がりの小さい光子対ビームを得るのに適した方法であるが、別の目的に対しては、ＢＢＯ結晶の光学軸方向を変えることにより、波長の異なる光子対を得ることもできる。この場合には、図３の２つのチューニングカーブはそれぞれ異なる波長に対応する直線に接する。この場合にも、光子の取り出し方向は、図３に示したチューニングカーブの放物線の頂点に相当する角度で取り出す。この条件によれば、一般に円錐状に広がる光子が一本のビームにまとまり、分布密度の高い光子ビームが得られる。
【００５２】
本発明のこのようなその他の実施の形態としては、図２において、ポンプ光源７として半導体励起Ｙａｇレーザーのアップコンバージョンレーザーを用いて５３２ｎｍのポンプ光８を発生させ、シグナル光子６として１３１０ｎｍの光子を、アイドラー光子５として８９６ｎｍの光子を発生させる装置がある。このとき、特願平９ー３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがそれぞれ１３１０ｎｍと８９６ｎｍで接するような角度に設定し、光子対の発生効率を高めている。また、このようにアイドラー光子の波長を可視光の波長に近い近赤外域に設定することにより、光子数検出器２の量子効率が高い状態で光子数の検出が可能になっている。
【００５３】
このような構成により、光ファイバー中での伝送損失の小さい１３１０ｎｍ付近の光子を、クロックパルスが立ち上ってから一定時間τ以内に２光子が密集して存在しないようにして発生させることが可能になった。また、本実施の形態においては、結晶の角度を上記のように設定することにより効率よく光子対を発生させることが可能になり、また、アイドラー光子の光子数の高い検出効率を維持することが可能になっており、結果として装置の消費電力を減少することができた。
【００５４】
実施の形態４
本発明のその他の実施の形態を図６に示す。この実施の形態において、９は導波路型非線型光学媒質３８をポンプするポンプ光源、３７はポンプ光をファイバー中を導波させる光ファイバ、３９は導波路型非線型光学媒質３８から発生した蛍光対とポンプ光とを分別する導波路型フィルタ、４０はポンプ光の射出口、４１は蛍光対を２つの分岐に分別する導波路型フィルタである。
【００５５】
この実施の形態では、パラメトリック蛍光対は導波路型非線型光学媒質３８において発生する。蛍光対は、それぞれ縦、横の偏光を持っており、偏光ビームスプリッターとして動作する導波路型フィルタ４１において、そのうちの一方の偏光をもつものが光子数検出器２へ、もう一方が光ファイバ１２へと伝達される。
【００５６】
このような構成により、装置を小型化することが可能になり、また、光学的アライメントが不要になった。
【００５７】
この実施の形態では、導波路型非線型光学媒質３８として、疑似位相整合型非線型光学媒質を用いる。日本物理学会講演概要集第５３巻第２号第２分冊３４１ページの佐中らによる「光導波路型非線型素子による２光子相関現象Ｉ」によって述べられているように、擬似位相整合型の導波路型非線型媒質では、使用するポンプ光と発生する光子が平行に発生するような条件を満たすような非線型性を、擬似位相整合により得ることが可能になる。
【００５８】
これにより、ポンプ光と発生光子の波長を任意に選択することが可能になった。
【００５９】
もちろん、この実施の形態においても、ポンプ光源９としては、パルス光源およびＣＷ光源を用いるこが可能である。また、導波型非線型光学媒質３８の前後にポンプ光を反射する鏡を設置しキャビティを構成することにより、より効率的にアイドラ光子およびシグナル光子を発生させることももちろん可能である。
【００６０】
実施の形態５
その他の実施の形態として、図２におけるゲート装置４にシャッターを２つ備えたものを図７に示す。図７において、１０はシグナル光子のゲート装置への到達時刻を遅延させるための光ファイバ、４３、４５は電気光学素子、４２、４４、４６は偏光板、４７はノットゲート、４８は遅延器、８はコントロール装置である。このとき、偏光板４４および４６は、偏光板４２を通過した光の偏光に対して最大の透過率を持ち、それと直交する偏光をもつ光は透過しないように設定する。また、電気光学素子４３と４５は、与えられる制御信号の論理が１であれば偏光を９０度回転し、０であれば偏光を回転しないものとする。偏光板の対と、それらに挟まれた偏光を回転させる電気光学素子によって、シャッターを構成することが可能であるが、この実施の形態においては偏光板４４が、それら２つのシャッターで共用されている形である。
【００６１】
ゲート装置はできるだけ、光子が存在している間のみ開の状態を保ち、それ以外の間は閉であることが望ましい。しかし、その応答時間の短さが特徴である電気光学素子でも、単体では、そのゲート時間はその電気光学素子の繰り返し応答時間によって規定される時間以下には設定できなかった。この実施の形態は、ゲート装置を２つ備えることにより、ゲート装置の繰り返し応答時間より短時間でのゲート操作を実現した。
【００６２】
このゲート回路の動作を、図８を用いて説明する。図８において、横軸は時間を表す。一番上のグラフは、ゲート操作部に目標とする光子数の状態が到達している確率を、グラフＡは、図７のＡ点での信号を、グラフＢは同様に図７のＢ点での信号の状態を表す。Ａはコントロール装置からの制御信号そのものと考えてよい。電気光学素子４５は偏光子４４、４６との組み合わせにより論理０が入力されているときは光子を透過させ、また論理１が入力されているときは光子を遮蔽する。
【００６３】
電気光学素子４３も、偏光子４２と４４との組み合わせにより同様に働く。
【００６４】
図８のグラフＡの時刻Ｔ０における状態のように、コントロール装置からの制御信号は常時は１に設定する。この場合、電気光学素子４５によって、ゲート装置としては光子を透過させない。このとき、電気光学素子４３には、ノットゲート４７によって論理０が入力されており、光子を透過させる。
【００６５】
コントロール装置８は、偏光を光子がゲート操作部に到達すると予測される直前の時刻Ｔ１に電気光学素子４５が開になるように、出力の論理を１から０に変化させる。このとき、遅延器４８の働きにより、電気光学素子４３は論理０のままである。このとき、光子はゲート装置を透過可能になっている。この状態は遅延器によって設定された時間の間継続する。その遅延の後、Ｔ２において電気光学素子への論理が１にフリップし、電気光学素子４３によって構成されるシャッターを光子は透過できなくなる。時刻Ｔ３で、制御信号は再び０から１へと変化し、電気光学素子４５は閉の状態に遷移し、Ｔ４で初期状態に戻る。
【００６６】
以上のような構成により、非常に短い時間だけゲート装置を開くことが可能になり、必要な光子のみを選択的に射出することが可能になった。
【００６７】
この実施の形態においては電気光学素子を用いてシャッターを構成したが、もちろんその他のシャッターを用いることもできる。たとえば、光光スイッチを用いれば、より高速なシャッター動作を実現できる。また、音響光学素子を用いた場合、その繰り返し速度より高速なシャッターを安価に構築できる。機械式シャッターを用いることも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の第１の構成にかかわる単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器、クロック発生器、そのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に特定の数を下回る数の光子を発生することができる。
【００６９】
本発明の第２の構成にかかわる単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器、クロック発生器、そのクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に１個のみの光子を発生することができる。
【００７０】
本発明の第３の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１、第２のいずれかの構成において、前記光子対源として、ポンプ光光源と、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に特定の数を下回る数の光子または１個のみの光子を効率よく発生させることができる。
【００７１】
本発明の第４の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えているので、特定の単一波長の光子対を効率よく発生させることができる。
【００７２】
本発明の第５の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えているので、特定の２つの波長の光子対を効率よく発生することができる。
【００７３】
本発明の第６の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えているので、光学的な調整が不要な小型の単一光子発生装置が実現できる。
【００７４】
本発明の第７の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３〜６のいずれかの構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えているので、ポンプ光と平行な方向に光子対を発生させることができる。
【００７５】
本発明の第８の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１〜７のいずれかの構成において、前記シグナル光子の射出を制御するゲート装置として、シャッターを複数備えているので、シャッターの開閉時間より短かい時間で開閉するゲートを実現できる。
【００７６】
本発明の第９の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１〜８のいずれかの構成において、前記光子対から発生したシグナル光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えているので、ゲートの開閉時刻とゲートへのシグナル光子の到達時刻を一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図２】 この発明の一実施の形態の構成図である。
【図３】 非線型光学媒質で発生する光子の波長と放出角度の関係を示す図である。
【図４】 この発明の一実施の形態の動作を説明するための図である。
【図５】 この発明の一実施の形態の動作を説明するための図である。
【図６】 この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図７】 この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の構成図である。
【図８】 この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の動作を説明するための図である。
【図９】 従来の技術の一例の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 光子対源、２ 光子検出器、３ 微分回路、４ ゲート装置、５ アイドラー光子、６ シグナル光子、７ クロック発生部、８ ゲート装置制御部、９ ポンプ光光源、１０ ポンプ光、１１ 非線型光学媒質、１２，１３，３７ 光ファイバ、１４ 微動装置、１５ レンズ、１６，１７，３９，４１ フィルタ、１８ クロックパルス、１９ アイドラ光子の検出器への入射時刻、２０，３２ シグナルパルス、２１ 微分回路からの出力信号、２２ ゲート装置制御部からの出力信号、２３，２４ アイドラ光子入射時刻、２５ パルス、２６，３３，３６ 微分信号、２７ 制御信号、２８，２９，３０ シグナル光子ゲート通過時刻、３１ 印加電圧の時間変化、３４ ブレークダウン電圧より高い状態、３５ ＡＰＤ出力信号、３８ 導波路型非線型光学媒質、４０ ポンプ光射出口、４２，４４，４６ 偏光板、４３，４５ 電気光学素子、４７ ノットゲート、４８ 遅延器、４９ 光検出器およびゲートコントロール装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光子一つずつに情報を載せることで盗聴者の発見を可能にする伝送システムである量子暗号通信システムなどに用いる光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
量子暗号通信システムでは、光子一つずつに情報を載せることで、量子力学的な原理により盗聴者の発見を可能にする。しかし、もし同じ情報を２つ以上の光子に載せてしまえば、盗聴者によってそれらの光子の一部を利用され、盗聴者の存在を検出できない可能性がある。このように、理想的には最大でも１つの光子しか含まないパルスを利用する必要がある。このようなパルスとしては、１パルスあたりの光子の平均数μを約０．１になるように、レーザー光源からの光を減衰器によって減衰することが一般に行われている。このようにすることで、２つ以上の光子がパルス中に含まれる確率を減少できるが、しかしパルス中に１つの光子が含まれている確率も０．１程度に減少することになる。つまり、μ＝０．１の場合、１０回に１度程度しか、実際に伝送が行われないことになる。
【０００３】
このような方法を改善する従来の技術の１例として、特表平８−５０５０１９号公報の、「量子暗号を使用したキー分配システムおよび方法」に記載されているものについて、図９を用いて説明する。図９において、９は非線型光学結晶５をポンプするためのポンプ光を発生するレーザーである。非線型光学結晶１１では、ポンプ光の光子一つが確率的に２つの光子に発生するパラメトリック蛍光対が発生する。そのうちの一つの光子（ここでは、アイドラー光子と呼ぶ）は、光検出器およびゲートコントロール装置４９により検出され、検出した場合はもう一方の光子（シグナル光子と呼ぶ）が通過するようにゲート装置４を開く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術においては、次のような問題があった。
【０００５】
まず第一に、従来の方法では、検出器の反応時間内に光子対が２つ発生していた場合には、ゲート操作によって、２つのシグナル光子が射出され、パルス内に２つの光子が存在する場合がある、という欠陥があった。
【０００６】
また、従来の方法においては、またパルス内部での光子発生のタイミングを制御することはできなかった。
【０００７】
また、光子の到着を検出する検出器が、光子を検出していないにもかかわらずパルスを出力するいわゆる「ダークカウントパルス」を発生した場合、射出光子が存在しないような空の光パルスを出力することになり、効率が悪かった。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、パルス内にただ１つの光子を発生させることを目的とする。
【０００９】
また、検出器のダークカウントパルスによる空の光パルスの発生を低減させることを目的とする。
【００１０】
また、パルス内部において、光子発生を特定のタイミングで発生させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源と、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器と、クロック発生器と、該クロック発生器により発生されたクロック内のシグナル光子の射出を制御するゲート装置、該クロック発生器により発生されたクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備え、前記光子検出器がＡＰＤであり、クロックの立ち上がりから一定時間の間だけ、該ＡＰＤへの印加電圧をブレーク電圧より高くされたものである。
【００１３】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を設けたものである。
【００１４】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えたものである。
【００１５】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えることを備えたものである。
【００１６】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えたものである。
【００１７】
また、アイドラー光子の射出を制御するゲート装置として複数のシャッターを備えたものである。
【００１８】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えたものである。
【００１９】
この発明においては、アイドラー光子の光子の入射を光子検出器によって検出し、クロック発生器からのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉する。
【００２０】
また、アイドラー光子の光子の入射を光子検出器によって検出し、クロック発生器からのクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉する。
【００２１】
また、ポンプ光光源からのポンプ光を入射させ、非線型光学媒質によって発生する発生時刻に相関をもつ光子対をアイドラ光子とシグナル光子として用いる。
【００２２】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００２３】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００２４】
また、ポンプ光を導波路型の非線型光学媒質に入射する。
【００２５】
また、ポンプ光を擬似位相整合型非線型光学媒質に入射する。
【００２６】
また、アイドラー光子の射出を複数のシャッターからなるゲート装置によって制御する。
【００２７】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、光ファイバーを用いてその光子の射出を制御するゲート装置に到達させる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１ 図１はこの発明の一実施の形態の全体構成図である。図１において、１は発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、２はアイドラー光子５を検出する光子検出器、３は光子検出器から発生するシグナルパルスを微分する微分回路、８は微分回路３からの信号およびクロック発生部７からの制御クロックに対応してゲート装置４を制御するゲート装置制御部である。
【００２９】
図２に、この実施の形態の詳細な構成を示す。この実施の形態では、クロック内の特定のタイミングで、単一光子のみが含まれるような光パルスを効率よく発生させるものである。
【００３０】
（光子対発生器の説明）
図２において、９は非線型光学媒質１１をポンプするポンプ光１０の光源である。非線型光学媒質１１では、ダウンコンバージョンによってポンプ光１０の波長λの２倍の波長２λをもつアイドラー光子５とシグナル光子６が発生する。本実施の形態では、ポンプ光源９として３５１．１ｎｍの波長をもつアルゴンレーザーを用いている。このとき、アイドラー光子５とシグナル光子６は、互いに発生する光子のエネルギーの和が、３５１．１ｎｍの波長の光子のエネルギーに等しい対、つまりそれぞれ７０２．２ｎｍの波長の光子としてそれぞれ発生する。
【００３１】
特願平９ー３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線形光学媒質１１の光学軸を、ポンプ光１０に対してある特定の角度に設定することにより、発生するアイドラ光子５とシグナル光子６を、ビーム状に、かつ、高効率で発生させることが可能である。図３に、β−Ｂａｒｉｕｍ−Ｂｏｒｏｎ−Ｏｘｃｉｄｅ（ＢＢＯ）結晶の光学軸が、ポンプ光に対して５０．４度の角度に設定されている場合のチューニングカーブを示す。図３において、横軸は発生している光子の波長を、縦軸は、ポンプ光の入射方向に対する光子の出射方向を示している。図に見られるように２つのチューニングカーブが波長７０２．２ｎｍに対応する直線に接している。この条件においては、それぞれ波長７０２．２ｎｍの蛍光対がそれぞれプラス３度とマイナス３度の方向にビーム状に射出される。このような非線型光学媒質を用いることにより、ポンプ光の入射パワーに対して効率よく光子対を発生し、結果として同等のレートで単一光子を発生する場合に、装置の消費電力を低く押さえることができている。
【００３２】
アイドラー光子５は、レンズ１５によって集光され、波長λの光子を選択的に透過するフィルタ１７を通して光子数検出器２に集光される。
【００３３】
（光子検出器の説明）
この実施の形態では光子検出器２として、ＳＥＩＫＯ ＥＧ＆Ｇ社製のＳＰＣＭ−ＡＱを用いた。この光子検出器は、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）をアクティブクエンチングのガイガーモードで駆動したものである。ＡＰＤは、ある一定電圧（ブレークダウン電圧）以上の電圧を印可すると、単一の光子が入射しただけでも、それにより誘起された内部キャリアが印加電圧によって加速され他のキャリアを励起する過程が終わることなく繰り返されるブレークダウン状態になる。このままでは次の光子の入射を検出することができない。クエンチングとは、光子の入射によってブレークダウン状態の発生を検出した場合、ＡＰＤへの印加電圧をブレークダウン電圧以下に下げてブレークダウン状態を終了させ、次の光子の入射を検出できるようにすることである。電圧供給部分に、単に直列抵抗などの受動素子を挿入してそのような効果を持たせた場合をパッシブクエンチングと呼び、増幅器等を用いてそのような制御を能動的に行う場合をアクティブクエンチングと呼ぶ。ＳＰＣＭ−ＡＱでは、光子が入射してから次の光子が検出できるようになるまでの時間である検出器の不感時間（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）は１００ｎｓ程度、出力パルス幅は９ｎｓ程度である。もちろん、パッシブクエンチングの光子検出器を用いることも可能である。
【００３４】
（制御方法の説明）
アイドラー光子５が光子検出器２に入射した場合の、ゲート装置４の制御のための、微分回路３、クロック発生部７、およびゲート装置制御部８の動作について、図４を用いて説明する。図４において、１８はクロック発生部から出力されるクロックパルス、１９はアイドラ光子５の光子検出器２への入射時刻を示すグラフ、２０は検出器２から出力されるシグナルパルスの様子を示すグラフ、２１は微分回路からの出力信号を示すグラフ、２２はゲート装置制御部からの出力信号等を示すグラフである。
【００３５】
本実施の形態では、１８に示されるクロックパルスが立ち上がってから一定時間τの間に、光子が１つだけ含まれるような光パルスを出力し、それ以外の時間は光子を出力しないような動作が実現されている。
【００３６】
アイドラ光子５は、時間τの間に発生する確率が十分高くなるように設定する。つまり、アイドラ光子の発生光子数を毎秒Ｎ個とした場合、Ｎ＞１／τとなるように設定する。
【００３７】
１９にみられるような各時刻のアイドラ光子の入射に伴い、２０に見られるようなシグナルパルス列が検出器２から出力される。たとえば光子の入射が時刻２３に起こった場合、それに応じて検出器２からはパルス２５が出力されるが、その直後の時刻２４に入射した光子に対しては、パルスは発生しない。発生したパルス２５は、微分回路を経て２６のような微分信号に変換される。ゲート装置制御部をトリガする信号としては、光子検出器からの出力パルス２５を直接用いることも可能ではあるが、このような微分信号２６をトリガとして用いることにより、シグナルパルス２５の形状の揺らぎによる光子検出時刻の揺らぎを抑えることができる。
【００３８】
ゲート装置制御部８では、クロックパルス１８の立ち上がり後、最初の微分信号２６のトリガのみに応じて、短い時間δだけゲート装置４を開放する制御信号２７が生成される。アイドラー光子５に対応したシグナル光子６のゲート装置４での透過時刻は、グラフ２２で点線および実線の棒で示されている。アイドラ光子５によるシグナルパルス２０は、電子回路の信号処理時間だけ遅れているので、シグナル光子６も遅延手段によって同じ時間だけ遅延させるが、図４ではこれを省略して示している。ゲート装置４では、シグナル光子２８は透過できるが、ゲート装置の開放時間δを短くすることにより、引き続くシグナル光子２９、およびそのクロック内のその他のシグナル光子の射出を抑制することができる。次のクロックでは、同様にシグナル光子３０が射出される。
【００３９】
このシグナル光子６は、レンズ１５によって集光され、波長２λの光子を選択的に透過するフィルタ１６を通しながら、光ファイバ１０へと集光される。１４は、光ファイバ１２へシグナル光６を効率的に入射するための、微動装置である。
【００４０】
光ファイバ１２の長さは、光子がゲート装置４へ伝達するのに、図４を用いて説明したような信号処理に要する時間だけ必要となるように設定される。もちろん、その時間の微調整は、光ファイバ１２の長さの調整でも、またゲート装置制御部８等に設けられた信号遅延器によっても可能である。
【００４１】
以上のような構成により、クロックパルスが立ち上がってから一定時間τの間に、光子が１つだけ含まれるような光パルスを出力し、それ以外の時間は光子を出力しないような単一光子源を実現した。
【００４２】
もちろん、図４に示したクロック信号１８、シグナルパルス２５、制御信号２７や微分信号２６を外部へ出力することは大変に有用である。クロック信号１８は、量子暗号通信システムの全システムを制御する信号として使用することができる。また、クロック発生部７を外部から供給されるクロックによりまかなう、もしくは同期させることも可能である。
【００４３】
また、量子暗号通信システムにおける光子の受信者は、シグナルパルス２５や微分信号２６を用いてゲート装置４の開放時間δを短かくすることにより、信号光子をその他のノイズ信号から分離して受信することが可能になる。
【００４４】
この実施の形態では、時間τを検出器の不感時間以下とすることによりクロック開始から１つ目の光子のみを透過させたが、時間τでの設定に、クロック１８でセットされ、出力パルス数があらかじめ設定した数Ｎに達したときにリセットされるプリセットカウンタを用いれば、クロック内でＮ個の光子を出力するようにすることも可能である。この場合、一定時間にＮ個の光子が含まれるような状態を生成することができる。
【００４５】
この実施の形態においては連続発振光（ＣＷ光）を、ポンプ光１０として用いたが、パルス光をポンプ光として用いることも可能である。また、非線型光学媒質１１の前後にポンプ光を反射する鏡を設置しキャビティを構成することにより、より効率的にアイドラ光子５およびシグナル光子６を発生させることももちろん可能である。
【００４６】
実施の形態２
実施の形態１においては検出器２として、アクティブクエンチング制御のＡＰＤを用いたが、一定時間だけブレークダウンを越える電圧をＡＰＤに印加することも可能である。この場合の制御の様子を図５を用いて説明する。図５において、３１はＡＰＤに加えられる印加電圧の時間変化を示すグラフ、３２はＡＰＤからのシグナルパルスを示すグラフ、３３は微分回路３から出力される微分信号を示すグラフである。
【００４７】
実施の形態１においてアクティブクエンチングについて説明した部分で述べたように、ＡＰＤにブレークダウン電圧よりも高い電圧が印加された場合、一光子の入射に対して無限大の増倍率をもち、ＡＰＤの出力は飽和したブレークダウン状態になる。この実施の形態では、このＡＰＤへの印加電圧を、クロック１８に応じて制御する。
【００４８】
１８に見られるクロックの立ち上がりから時間τ程度の間だけ、印加電圧をブレークダウン電圧より高い状態（３４）にする。その間、光子が入射すると同時にＡＰＤはブレークダウン状態になり出力は飽和し、その状態は印加電圧がブレークダウン電圧より低くなるまで持続する。このため、ＡＰＤからは３５のような出力パルスが得られる。その微分信号３６の立ち上がりによりゲート装置制御部８をトリガし、単一光子を切り出すことが可能になる。
【００４９】
アクティブクエンチング制御のＡＰＤを用いる場合、その不感時間やパルス長さはクエンチングに使用する回路による制限から、短くすることは困難であり、１クロック時間が検出器の不感時間やパルス長さ程度が限界であったが、この方法では、それよりも短いクロック時間を実現することが可能である。
【００５０】
実施の形態３
実施の形態１においては、発生するシグナル光の波長は７０２．２ｎｍであったが、この波長は適切な非線型光学媒質を選択することにより任意に変えることができる。たとえば、光ファイバーを用いた通信に一般に用いられている、１５５０ｎｍ付近、１３１０ｎｍ付近、また８００ｎｍ付近の波長を発生させることも可能である。
【００５１】
実施の形態１（図３）に示した光子対の発生方法は、波長が等しく角度の広がりの小さい光子対ビームを得るのに適した方法であるが、別の目的に対しては、ＢＢＯ結晶の光学軸方向を変えることにより、波長の異なる光子対を得ることもできる。この場合には、図３の２つのチューニングカーブはそれぞれ異なる波長に対応する直線に接する。この場合にも、光子の取り出し方向は、図３に示したチューニングカーブの放物線の頂点に相当する角度で取り出す。この条件によれば、一般に円錐状に広がる光子が一本のビームにまとまり、分布密度の高い光子ビームが得られる。
【００５２】
本発明のこのようなその他の実施の形態としては、図２において、ポンプ光源７として半導体励起Ｙａｇレーザーのアップコンバージョンレーザーを用いて５３２ｎｍのポンプ光８を発生させ、シグナル光子６として１３１０ｎｍの光子を、アイドラー光子５として８９６ｎｍの光子を発生させる装置がある。このとき、特願平９ー３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがそれぞれ１３１０ｎｍと８９６ｎｍで接するような角度に設定し、光子対の発生効率を高めている。また、このようにアイドラー光子の波長を可視光の波長に近い近赤外域に設定することにより、光子数検出器２の量子効率が高い状態で光子数の検出が可能になっている。
【００５３】
このような構成により、光ファイバー中での伝送損失の小さい１３１０ｎｍ付近の光子を、クロックパルスが立ち上ってから一定時間τ以内に２光子が密集して存在しないようにして発生させることが可能になった。また、本実施の形態においては、結晶の角度を上記のように設定することにより効率よく光子対を発生させることが可能になり、また、アイドラー光子の光子数の高い検出効率を維持することが可能になっており、結果として装置の消費電力を減少することができた。
【００５４】
実施の形態４
本発明のその他の実施の形態を図６に示す。この実施の形態において、９は導波路型非線型光学媒質３８をポンプするポンプ光源、３７はポンプ光をファイバー中を導波させる光ファイバ、３９は導波路型非線型光学媒質３８から発生した蛍光対とポンプ光とを分別する導波路型フィルタ、４０はポンプ光の射出口、４１は蛍光対を２つの分岐に分別する導波路型フィルタである。
【００５５】
この実施の形態では、パラメトリック蛍光対は導波路型非線型光学媒質３８において発生する。蛍光対は、それぞれ縦、横の偏光を持っており、偏光ビームスプリッターとして動作する導波路型フィルタ４１において、そのうちの一方の偏光をもつものが光子数検出器２へ、もう一方が光ファイバ１２へと伝達される。
【００５６】
このような構成により、装置を小型化することが可能になり、また、光学的アライメントが不要になった。
【００５７】
この実施の形態では、導波路型非線型光学媒質３８として、疑似位相整合型非線型光学媒質を用いる。日本物理学会講演概要集第５３巻第２号第２分冊３４１ページの佐中らによる「光導波路型非線型素子による２光子相関現象Ｉ」によって述べられているように、擬似位相整合型の導波路型非線型媒質では、使用するポンプ光と発生する光子が平行に発生するような条件を満たすような非線型性を、擬似位相整合により得ることが可能になる。
【００５８】
これにより、ポンプ光と発生光子の波長を任意に選択することが可能になった。
【００５９】
もちろん、この実施の形態においても、ポンプ光源９としては、パルス光源およびＣＷ光源を用いるこが可能である。また、導波型非線型光学媒質３８の前後にポンプ光を反射する鏡を設置しキャビティを構成することにより、より効率的にアイドラ光子およびシグナル光子を発生させることももちろん可能である。
【００６０】
実施の形態５
その他の実施の形態として、図２におけるゲート装置４にシャッターを２つ備えたものを図７に示す。図７において、１０はシグナル光子のゲート装置への到達時刻を遅延させるための光ファイバ、４３、４５は電気光学素子、４２、４４、４６は偏光板、４７はノットゲート、４８は遅延器、８はコントロール装置である。このとき、偏光板４４および４６は、偏光板４２を通過した光の偏光に対して最大の透過率を持ち、それと直交する偏光をもつ光は透過しないように設定する。また、電気光学素子４３と４５は、与えられる制御信号の論理が１であれば偏光を９０度回転し、０であれば偏光を回転しないものとする。偏光板の対と、それらに挟まれた偏光を回転させる電気光学素子によって、シャッターを構成することが可能であるが、この実施の形態においては偏光板４４が、それら２つのシャッターで共用されている形である。
【００６１】
ゲート装置はできるだけ、光子が存在している間のみ開の状態を保ち、それ以外の間は閉であることが望ましい。しかし、その応答時間の短さが特徴である電気光学素子でも、単体では、そのゲート時間はその電気光学素子の繰り返し応答時間によって規定される時間以下には設定できなかった。この実施の形態は、ゲート装置を２つ備えることにより、ゲート装置の繰り返し応答時間より短時間でのゲート操作を実現した。
【００６２】
このゲート回路の動作を、図８を用いて説明する。図８において、横軸は時間を表す。一番上のグラフは、ゲート操作部に目標とする光子数の状態が到達している確率を、グラフＡは、図７のＡ点での信号を、グラフＢは同様に図７のＢ点での信号の状態を表す。Ａはコントロール装置からの制御信号そのものと考えてよい。電気光学素子４５は偏光子４４、４６との組み合わせにより論理０が入力されているときは光子を透過させ、また論理１が入力されているときは光子を遮蔽する。
【００６３】
電気光学素子４３も、偏光子４２と４４との組み合わせにより同様に働く。
【００６４】
図８のグラフＡの時刻Ｔ０における状態のように、コントロール装置からの制御信号は常時は１に設定する。この場合、電気光学素子４５によって、ゲート装置としては光子を透過させない。このとき、電気光学素子４３には、ノットゲート４７によって論理０が入力されており、光子を透過させる。
【００６５】
コントロール装置８は、偏光を光子がゲート操作部に到達すると予測される直前の時刻Ｔ１に電気光学素子４５が開になるように、出力の論理を１から０に変化させる。このとき、遅延器４８の働きにより、電気光学素子４３は論理０のままである。このとき、光子はゲート装置を透過可能になっている。この状態は遅延器によって設定された時間の間継続する。その遅延の後、Ｔ２において電気光学素子への論理が１にフリップし、電気光学素子４３によって構成されるシャッターを光子は透過できなくなる。時刻Ｔ３で、制御信号は再び０から１へと変化し、電気光学素子４５は閉の状態に遷移し、Ｔ４で初期状態に戻る。
【００６６】
以上のような構成により、非常に短い時間だけゲート装置を開くことが可能になり、必要な光子のみを選択的に射出することが可能になった。
【００６７】
この実施の形態においては電気光学素子を用いてシャッターを構成したが、もちろんその他のシャッターを用いることもできる。たとえば、光光スイッチを用いれば、より高速なシャッター動作を実現できる。また、音響光学素子を用いた場合、その繰り返し速度より高速なシャッターを安価に構築できる。機械式シャッターを用いることも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の第１の構成にかかわる単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器、クロック発生器、そのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に特定の数を下回る数の光子を発生することができる。
【００６９】
本発明の第２の構成にかかわる単一光子発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器、クロック発生器、そのクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に１個のみの光子を発生することができる。
【００７０】
本発明の第３の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１、第２のいずれかの構成において、前記光子対源として、ポンプ光光源と、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質を備えているので、クロックパルスが立上ってから一定時間内に特定の数を下回る数の光子または１個のみの光子を効率よく発生させることができる。
【００７１】
本発明の第４の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えているので、特定の単一波長の光子対を効率よく発生させることができる。
【００７２】
本発明の第５の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えているので、特定の２つの波長の光子対を効率よく発生することができる。
【００７３】
本発明の第６の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３の構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えているので、光学的な調整が不要な小型の単一光子発生装置が実現できる。
【００７４】
本発明の第７の構成にかかわる単一光子発生装置は、第３〜６のいずれかの構成において、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えているので、ポンプ光と平行な方向に光子対を発生させることができる。
【００７５】
本発明の第８の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１〜７のいずれかの構成において、前記シグナル光子の射出を制御するゲート装置として、シャッターを複数備えているので、シャッターの開閉時間より短かい時間で開閉するゲートを実現できる。
【００７６】
本発明の第９の構成にかかわる単一光子発生装置は、第１〜８のいずれかの構成において、前記光子対から発生したシグナル光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えているので、ゲートの開閉時刻とゲートへのシグナル光子の到達時刻を一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図２】 この発明の一実施の形態の構成図である。
【図３】 非線型光学媒質で発生する光子の波長と放出角度の関係を示す図である。
【図４】 この発明の一実施の形態の動作を説明するための図である。
【図５】 この発明の一実施の形態の動作を説明するための図である。
【図６】 この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図７】 この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の構成図である。
【図８】 この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の動作を説明するための図である。
【図９】 従来の技術の一例の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 光子対源、２ 光子検出器、３ 微分回路、４ ゲート装置、５ アイドラー光子、６ シグナル光子、７ クロック発生部、８ ゲート装置制御部、９ ポンプ光光源、１０ ポンプ光、１１ 非線型光学媒質、１２，１３，３７ 光ファイバ、１４ 微動装置、１５ レンズ、１６，１７，３９，４１ フィルタ、１８ クロックパルス、１９ アイドラ光子の検出器への入射時刻、２０，３２ シグナルパルス、２１ 微分回路からの出力信号、２２ ゲート装置制御部からの出力信号、２３，２４ アイドラ光子入射時刻、２５ パルス、２６，３３，３６ 微分信号、２７ 制御信号、２８，２９，３０ シグナル光子ゲート通過時刻、３１ 印加電圧の時間変化、３４ ブレークダウン電圧より高い状態、３５ ＡＰＤ出力信号、３８ 導波路型非線型光学媒質、４０ ポンプ光射出口、４２，４４，４６ 偏光板、４３，４５ 電気光学素子、４７ ノットゲート、４８ 遅延器、４９ 光検出器およびゲートコントロール装置。
Claims (8)
- シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子の入射を検出する光子検出器、クロック発生器、該クロック発生器により発生されたクロック内のシグナル光子の射出を制御するゲート装置、該クロック発生器により発生されたクロックによって規定される一定時間内の最初の光子検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉するための信号を生成するゲート装置制御部、ゲート装置制御部からの信号に応じて開閉するゲート装置を備え、前記光子検出器がＡＰＤであり、クロックの立ち上がりから一定時間の間だけ、該ＡＰＤへの印加電圧をブレーク電圧より高くされることを特徴とする単一光子発生装置。
- 前記光子対源として、ポンプ光光源と、前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生装置。
- 前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の単一光子発生装置。
- 前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ、ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の単一光子発生装置。
- 前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項２記載の単一光子発生装置。
- 前記ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項２から５のいずれかに記載の単一光子発生装置。
- 前記シグナル光子の射出を制御するゲート装置として、シャッターを複数備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の単一光子発生装置。
- 前記光子対から発生したシグナル光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の単一光子発生装置。
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