JP4360996B2 - 単一光子検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光子検出装置に関する。より詳しくは、本発明は、信号光子をその偏波状態によらず高い効率で検出することができる光子検出装置に関する。

近年、単一光子を用いた量子暗号が盛んに研究されている。これは、量子状態を変えずに単一光子の物理量を観測することが一般にはできないことを利用して、共通鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式であり、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極の暗号通信システムである。

単一光子を用いた量子暗号においては、鍵配送のビットレートは、送信端から受信端に至るまでの光学的損失に反比例する。ここで、光学的損失は、伝送路損失、単一光子検出装置の損失（＝１−量子効率）、およびシステム損失（使用する量子暗号方式特有の損失）の総和である。よって、長距離かつ大容量の量子暗号システムを実現するには、伝送路損失を小さく抑える必要がある。このため、伝送路として光ファイバを用いる場合、光ファイバの損失が最小となる１．５５μｍ帯で単一光子を用いたシステムを構築することが有効である。

単一光子検出装置には、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が一般的に使用されている。波長１．１μｍ以下の領域では、シリコンのＡＰＤ素子（Ｓｉ−ＡＰＤ）が用いられ、７０％以上の量子効率が報告されている。一方、１．３μｍより長波長の領域では、Ｓｉ−ＡＰＤは使用できず、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを使用するのが一般的である。ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの量子効率は、１．５５μｍ帯において１０％程度であり、短波長帯におけるＳｉ−ＡＰＤに比べて大幅に劣っている。

また、Ｓｉ−ＡＰＤは連続的な光子検出動作が可能であるのに対し、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤではアフターパルスと呼ばれる光子検出後の過渡電流が顕著であるため、一定の時間間隔を置いてゲート動作させる必要がある。このため、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤでは光子検出の繰り返し速度を上げることが困難となる。このように、光ファイバを用いて長距離かつ大容量の量子暗号システムを実現するには、１．５５μｍ帯において高効率で高繰り返し動作が可能な単一光子検出装置を開発することが望まれている。

この解決策の１つとして、非特許文献１に周波数変換（波長変換）を用いた１．５５μｍ帯の高効率光子検出法が提案されている。この提案手法のブロック図を図１に示す。この構成では、周波数ｆ_ｓの信号光子１０と、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐのポンプ光とが、ポンプ光の周波数を透過し、信号光の周波数を反射する鏡３０によって合波され、周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ： Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）７０に入力される。

ＰＰＬＮ７０において、２次の非線形光学効果により、ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの周波数関係を満たす光子が発生する（以下、周波数ｆ_ｃの光子を「周波数変換光子」と呼ぶ）。次にＰＰＬＮ７０からの出力光は、次段のフィルタ８０に入力される。このフィルタ８０は、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを透過し、ポンプ光の周波数ｆ_ｐ、信号光子の周波数ｆ_ｓ、およびＰＰＬＮ中で発生するポンプ光の２次高調波による周波数２ｆ_ｐなどの不要な周波数成分を抑圧する特性を有している。そして、フィルタ８０を透過した周波数変換光子がＳｉ−ＡＰＤ９０により検出される。

ＰＰＬＮ７０では、一般に９０％以上の効率で信号光子の波長変換が可能であるため、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃをＳｉ−ＡＰＤの検出効率の高い光周波数領域になるように、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよびＰＰＬＮの分極反転周期を適切に設定することによって、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤに比べて飛躍的に高い効率で１．５５μｍ帯の光子を検出することが可能となる。また、Ｓｉ−ＡＰＤの使用により、連続的な光子検出も可能となり、光子検出の繰返し速度をＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤに比べて大幅に向上することも可能となる。

一般にＰＰＬＮによる波長変換の効率は、入力する信号光子およびポンプ光の偏波状態に依存するため、上記の方法においては、信号光子の偏波状態により検出装置全体としての検出効率が変動する。これは、光ファイバ網を用いた量子暗号通信などでは、信号光子の偏波が光ファイバの複屈折性によりランダムに変化するため、このような検出効率の偏波依存性が大きな問題となる。

この問題を解決する手法として、図２に示す方法が非特許文献２において提案されている。図２の構成においては、結晶軸の方向を０度に設定した第１のＰＰＬＮ７２と９０度に設定した第２のＰＰＬＮ７４を直列に接続し、４５度直線偏波のポンプ光２０を入力している。この構成では、入力される任意の偏波状態の信号光子１０は、結晶軸の方向が異なる第１および第２のＰＰＬＮでそれぞれ周波数変換（波長変換）されるため、これらＰＰＬＮの損失がない場合には、信号光子の偏波に依存することなく光子検出が可能となる。

しかし、現実にはＰＰＬＮに損失が存在するため、図２の構成により、系全体の偏波依存性を除去することは難しい。この構成では、信号光子の偏波方向が一方のＰＰＬＮの結晶軸の方向と一致した場合は、そのＰＰＬＮにおける非線形光学効果の効率が最大になるが、この信号光子の偏波方向は他方のＰＰＬＮの結晶軸の方向と９０度ずれることになり、非線形光学効果の効率が最小となり、光学的損失を被ることになる。

例えば９０度直線偏波の信号光子は、第１のＰＰＬＮ７２において光学的損失を被った後、第２のＰＰＬＮ７４において最大の効率で波長変換される。また、０度直線偏波の信号光子は、第１のＰＰＬＮ７２において最大の効率で波長変換された後、第２のＰＰＬＮ７４により光学的損失を被る。２次の非線形光学効果による波長変換の効率は、信号光強度の２乗に比例するので、図２の構成では、０度直線偏波の信号光子の方が高い効率で波長変換されることになる。

したがって、波長変換効率、ひいては単一光子検出装置としての検出効率の偏波依存性は完全には除去できないという問題がある。また、この構成では、信号光子が少なくとも一方のＰＰＬＮで損失を被ることになるので、波長変換効率が低下するという問題もある。

M. A. Albota et al ．， "Efficient single-photon counting at 1.55μｍ by means of frequency upconversion", Optics Letter, Vol.29, No.13, pp1449-1451, July 1, 2004. A. P. Vandevender and P. G. Kwiat, "High efficiency single photon detection via frequency up-conversion", Journal of Modern Optics, Vol.51, No.9-10, pp1433-1445, June 10, 2004.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、光子検出装置において、信号光子の偏波状態によらず高い検出効率を実現することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、信号光子を異なる偏波成分に分離し、信号光子を偏波成分ごとに周波数変換（波長変換）して検出することを特徴とする。具体的には、信号光子を偏波ビームスプリッタなどの偏波分離手段により、例えば縦偏波成分および横偏波成分に分離する。各分離された偏波成分の信号光子は、偏波成分が同一で周波数の異なるポンプ光と共に、非線形光学効果を有する周波数変換手段を通して周波数変換される。

このように、信号光子をその偏波成分ごとに周波数変換することによって、高い変換効率を達成することができる。これは、光非線形素子のような周波数変換手段において、周波数変換効率を各偏波成分の光に対して最適化することによって実現される。例えば、周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３（ＰＰＬＮ）の結晶軸の方向を各偏波成分に対して最適化することができる。

また、周波数変換には、非線形光学効果に基づいて信号光子の周波数とポンプ光の周波数の和成分または差成分を利用することができる。非線形光学効果により発生した不要な周波数成分は、フィルタや鏡などの周波数選択手段によって取り除くことができる。

このような構成により、信号光子の偏波状態によらず、高い効率で信号光子の周波数変換が可能となり、高い光子検出効率を実現することができる。また、光ファイバの損失が小さい１．５５μｍ帯の信号光子を、高い周波数（短波長）に変換し、高効率で高繰り返し動作が可能なＳｉ−ＡＰＤを使用して検出することができるので、系全体として、さらに高い検出効率を実現することができる。これによって、量子暗号システムにおいて、さらなる長距離伝送および大容量伝送が可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明のいくつかの実施形態について説明する。

（第１の実施例）
図３に、本発明の第１の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例では、信号光子を縦偏波と横偏波に分けて周波数変換（波長変換）し、それぞれＳｉ−ＡＰＤにより検出する構成としている。

図３の光子検出装置は、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０と、２分の１波長板（ＨＷＰ）５０と、縦偏波のポンプ光を発生する２台のポンプレーザ２２および２４と、波長により透過／反射特性が異なる２つの鏡３２および３４と、２つのＰＰＬＮ７２および７４と、２つのフィルタ８２および８４と、２つのＳｉ−ＡＰＤ９２および９４から構成されている。

図３において、任意の偏波状態を有する周波数ｆ_ｓの信号光子１０が、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０のポート４０（１）に入力される。この信号光子１０は、ＰＢＳ４０により横偏波成分と縦偏波成分とに分離され、それぞれポート４０（２）およびポート４０（３）から出力される。

ポート４０（２）から出力された横偏波成分の信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換される。この縦偏波に変換された信号光子は、信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを反射する鏡３２により、ポンプレーザ２２から出力される縦偏波のポンプ光と合波され、ＰＰＬＮ７２に入力される。

他方、ＰＢＳ４０のポート４０（３）から出力された縦偏波成分の信号光子は、信号光子の周波数ｆ_ｓの光を透過し、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを反射する鏡３４により、ポンプレーザ２４から出力される縦偏波のポンプ光と合波され、ＰＰＬＮ７４に入力される。

ここで、ＰＰＬＮ７２および７４はそれぞれ、縦偏波の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。例えば、信号光子の波長を１．５μｍ、ポンプ光の波長を１．３μｍとすると、周波数変換光子の波長は、おおよそ０．７μｍとなり、Ｓｉ−ＡＰＤの検出効率の高い１．１μｍ以下の波長領域となる。

ＰＰＬＮ７２および７４で発生した周波数変換光子は、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを透過し、ポンプ光の周波数ｆ_ｐ、信号光子の周波数ｆ_ｓ、およびＰＰＬＮ中で発生するポンプ光の２次高調波周波数２ｆ_ｐの周波数を抑圧するフィルタ８２および８４にそれぞれ入力される。これらのフィルタを透過した周波数変換光子は、それぞれＳｉ−ＡＰＤ９２および９４により検出される。

いかなる偏波状態の信号光子も、横偏波成分と縦偏波成分との重ね合わせとして表されるので、上記のように信号光子を偏波成分ごとに分けて波長変換する構成により、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

なお、本実施例において、２分の１波長板５０を使用せず、横偏波のポンプ光を生成するポンプレーザ２２を使用し、横偏波に対して結晶軸の方向を適合させたＰＰＬＮ７２を使用する構成としてもよい。この場合、横偏波の信号光子と横偏波のポンプ光とがＰＰＬＮ７２に入力されると、周波数ｆ_ｃの横偏波の周波数変換光子が発生され、フィルタ８２で不要周波数成分が抑圧された後、Ｓｉ−ＡＰＤ９２により検出される。

（第２の実施例）
図４に、本発明の第２の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第１の実施例（図３）において、ポンプレーザを１台とし、構成を簡単化した光子検出装置である。

図４の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０と、２分の１波長板（ＨＷＰ）５０と、２つのＰＰＬＮ７２および７４と、２つのフィルタ８２および８４と、２つのＳｉ−ＡＰＤ９２および９４から構成されている。

図４において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、ＰＢＳ４０のポート４０（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４０（２）およびポート４０（３）より出力される。

ポート４０（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換されて、ＰＰＬＮ７２に入力される。他方、ポート４０（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、ＰＰＬＮ７４に入力される。

ここで、第１の実施例と同様に、ＰＰＬＮ７２および７４はそれぞれ、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

ＰＰＬＮ７２および７４で発生した周波数変換光子は、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを透過し、ポンプ光の周波数ｆ_ｐ、信号光子の周波数ｆ_ｓ、およびＰＰＬＮ中で発生するポンプ光の２次高調波周波数２ｆ_ｐの周波数成分を抑圧するフィルタ８２および８４にそれぞれ入力される。これらのフィルタを透過した周波数変換光子は、それぞれＳｉ−ＡＰＤ９２および９４により検出される。

このように、第２の実施例では、ポンプレーザを１台とした構成で、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

なお、本実施例においても、２分の１波長板５０を使用せず、横偏波に対して結晶軸の方向を適合させたＰＰＬＮ７２を使用する構成としてもよい。この場合、横偏波の信号光子と横偏波のポンプ光とがＰＰＬＮ７２に入力されると、周波数ｆ_ｃの横偏波の周波数変換光子が発生され、フィルタ８２で不要周波数成分が抑圧された後、Ｓｉ−ＡＰＤ９２により検出される。

（第３の実施例）
図５に、本発明の第３の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第２の実施例（図４）において、双方向動作が可能なＰＰＬＮを使用し、１つのＰＰＬＮで構成した光子検出装置である。

図５の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０と、２分の１波長板（ＨＷＰ）５０と、反射特性を示す２つの鏡６２および６４と、波長により透過／反射特性の異なる２つの鏡６６および６８と、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０と、２つのＳｉ−ＡＰＤ９２および９４から構成されている。

図５において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、ＰＢＳ４０のポート４０（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４０（２）およびポート４０（３）より出力される。

ポート４０（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換される。この縦偏波に変換されたポンプ光および信号光子は、鏡６２により反射された後、鏡６６を透過し、ＰＰＬＮ７０にポート７０（１）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（２）より出力される。この周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６８により分岐され、Ｓｉ−ＡＰＤ９２に入力される。

他方、ポート４０（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、鏡６４により反射された後、鏡６８を透過し、ＰＰＬＮ７０にポート７０（２）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（１）より出力される。この周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６６により分岐され、Ｓｉ−ＡＰＤ９４に入力される。

ここで、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０は、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

このように、第３の実施例では、双方向動作が可能なＰＰＬＮを使用する構成により、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

なお、本実施例では、第２の実施例と同様、ポンプレーザを１台としているが、第１の実施例のように、２台のポンプレーザを用いる構成も可能である。

（第４の実施例）
図６に、本発明の第４の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第２の実施例（図４）において、２つのＰＰＬＮから出力される周波数変換光子をコンバイナにより偏波合成することで、１つのフィルタと１つのＳｉ−ＡＰＤで信号光子を検出する構成である。

図６の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４２と、２つの２分の１波長板（ＨＷＰ）５２および５４と、２つのＰＰＬＮ７２および７４と、反射特性を示す２つの鏡６２および６４と、偏波コンバイナ４４と、フィルタ８０と、Ｓｉ−ＡＰＤ９０とから構成されている。

図６において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、ＰＢＳ４２のポート４２（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４２（２）およびポート４２（３）より出力される。

ポート４２（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５２により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換されて、ＰＰＬＮ７２に入力される。他方、ポート４２（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、ＰＰＬＮ７４に入力される。

ここで、上記の実施例と同様に、ＰＰＬＮ７２および７４はそれぞれ、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

ＰＰＬＮ７２で発生した周波数変換光子は、鏡６２により反射され、偏波コンバイナ４４のポート４４（２）に入力される。また、ＰＰＬＮ７４で発生した周波数変換光子は、鏡６４により反射された後、ＨＷＰ５４により偏波状態を９０度回転され、横偏波に変換されて、偏波コンバイナ４４のポート４４（３）に入力される。

偏波コンバイナ４４において、ポート４４（２）に入力された縦偏波の周波数変換光子と、ポート４４（３）に入力された横偏波の周波数変換光子とが偏波合成され、ポート４４（１）から出力される。この偏波合成された周波数変換光子は、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを透過し、不要な周波数成分を抑圧するフィルタ８０に入力され、Ｓｉ−ＡＰＤ９０により検出される。

このように、第４の実施例では、偏波コンバイナを使用することで、１つのフィルタと１つのＳｉ−ＡＰＤで周波数変換光子を検出する構成により、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

また、本実施例において、２分の１波長板５２および５４を使用せず、横偏波に対して結晶軸の方向を適合させたＰＰＬＮ７２を使用する構成としてもよい。この場合、横偏波の信号光子と横偏波のポンプ光とがＰＰＬＮ７２に入力されると、周波数ｆ_ｃの横偏波の周波数変換光子が発生され、鏡６２を経て、偏波コンバイナ４４において縦偏波の周波数変換光子と偏波合成される。

なお、本実施例では、第２の実施例と同様、ポンプレーザを１台としているが、第１の実施例のように、２台のポンプレーザを用いる構成も可能である。

（第５の実施例）
図７に、本発明の第５の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第３の実施例（図５）において、双方向動作が可能なＰＰＬＮの２つのポートから出力される周波数変換光子をコンバイナにより偏波合成することで、１つのフィルタと１つのＳｉ−ＡＰＤで信号光子を検出する構成である。

図７の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４２と、２つの２分の１波長板（ＨＷＰ）５２および５４と、反射特性を示す２つの鏡６２および６４と、波長により透過／反射特性の異なる２つの鏡６６および６８と、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０と、偏波コンバイナ４４と、Ｓｉ−ＡＰＤ９０とから構成されている。

図７において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、ＰＢＳ４２のポート４２（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４２（２）およびポート４２（３）より出力される。

ポート４２（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５２により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換される。この縦偏波に変換されたポンプ光および信号光子は、鏡６２により反射された後、鏡６６を透過し、ＰＰＬＮ７０にポート７０（１）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（２）より出力される。この周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６８により分岐され、偏波コンバイナ４４のポート４４（２）に入力される。

他方、ポート４２（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、鏡６４により反射された後、鏡６８を透過し、ＰＰＬＮ７０にポート７０（２）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（１）より出力される。この周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６６により分岐され、ＨＷＰ５４により偏波状態を９０度回転され、横偏波に変換された後、偏波コンバイナ４４のポート４４（３）に入力される。

偏波コンバイナ４４において、ポート４４（２）に入力された縦偏波の周波数変換光子と、ポート４４（３）に入力された横偏波の周波数変換光子とが偏波合成され、ポート４４（１）から出力される。この偏波合成された周波数変換光子が、Ｓｉ−ＡＰＤ９０により検出される。

ここで、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０は、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

このように、第５の実施例では、第３の実施例（図５）において偏波コンバイナを使用することで、１つのＳｉ−ＡＰＤで信号光子を検出する構成により、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

なお、本実施例では、第２の実施例と同様、ポンプレーザを１台としているが、第１の実施例のように、２台のポンプレーザを用いる構成も可能である。

（第６の実施例）
図８に、本発明の第６の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第５の実施例（図７）において、周波数変換光子を偏波合成する偏波コンバイナをポンプ光および信号光を偏波分離する偏波ビームスプリッタと共通化した構成である。すなわち、本実施例では、偏波ビームスプリッタ／コンバイナおよび２分の１波長板は、ポンプ光、信号光子および周波数変換光子のいずれの波長（周波数）においても正しく動作するように構成される。

図８の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、波長により透過／反射特性の異なる別の鏡６６と、偏波コンバイナとしても動作する偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０と、２分の１波長板（ＨＷＰ）５０と、反射特性を示す２つの鏡６２および６４と、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０と、Ｓｉ−ＡＰＤ９０とから構成されている。

図８において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、鏡６６を透過し、ＰＢＳ４０のポート４０（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４０（２）およびポート４０（３）より出力される。

ポート４０（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換される。この縦偏波に変換されたポンプ光および信号光子は、鏡６２により反射された後、ＰＰＬＮ７０にポート７０（１）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（２）より出力される。この周波数変換光子は、鏡６４により反射され、ＰＢＳ４０のポート４０（３）に入力される。

他方、ポート４０（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、鏡６４により反射された後、ＰＰＬＮ７０にポート７０（２）より入力される。ＰＰＬＮ７０において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７０（１）より出力される。この周波数変換光子は、鏡６２により反射され、ＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、横偏波に変換された後、ＰＢＳ４０のポート４０（２）に入力される。

ＰＢＳ４０において、ポート４０（３）に入力された縦偏波の周波数変換光子と、ポート４０（２）に入力された横偏波の周波数変換光子とが偏波合成され、ポート４０（１）から出力される。この偏波合成された周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６６により分岐され、Ｓｉ−ＡＰＤ９０により検出される。

ここで、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７０は、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

このように、第６の実施例では、第５の実施例（図７）において偏波コンバイナと偏波ビームスプリッタを共通化し、１つのＳｉ−ＡＰＤで信号光子を検出する構成により、高効率および高繰り返しの単一光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができる。

なお、本実施例では、第２の実施例と同様、ポンプレーザを１台としているが、第１の実施例のように、２台のポンプレーザを用いる構成も可能である。

（第７の実施例）
図９に、本発明の第７の実施例による光子検出装置の構成を示す。本実施例は、第４の実施例（図６）において、周波数変換光子を偏波合成する偏波コンバイナをポンプ光および信号光子を偏波分離する偏波ビームスプリッタと共通化した構成である。すなわち、本実施例も第６の実施例と同様、偏波ビームスプリッタ／コンバイナおよび２分の１波長板は、ポンプ光、信号光子および周波数変換光子のいずれの波長においても正しく動作するように構成される。

図８の光子検出装置は、４５度偏波のポンプ光を発生するポンプレーザ２０と、波長により透過／反射特性が異なる鏡３０と、波長により透過／反射特性の異なる別の鏡６６と、偏波コンバイナとしても動作する偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０と、２分の１波長板（ＨＷＰ）５０と、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７２および７４と、反射特性を示す２つの鏡６２および６４と、Ｓｉ−ＡＰＤ９０とから構成されている。

図９において、ポンプレーザ２０から出力される周波数ｆ_ｐの４５度偏波のポンプ光は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐを透過し、信号光子１０の周波数ｆ_ｓを反射する鏡３０により、任意の偏波状態を有する信号光子１０と合波される。この合波されたポンプ光および信号光子は、鏡６６を透過し、ＰＢＳ４０のポート４０（１）に入力され、横偏波成分と縦偏波成分に分離されて、それぞれポート４０（２）およびポート４０（３）より出力される。

ポート４０（２）から出力された横偏波成分のポンプ光および信号光子は、次段に配置されたＨＷＰ５０により偏波状態を９０度回転され、縦偏波に変換される。この縦偏波に変換されたポンプ光および信号光子は、ＰＰＬＮ７２にポート７２（１）より入力される。ＰＰＬＮ７２において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７２（２）より出力される。この周波数変換光子は、鏡６２により反射された後、再びＰＰＬＮ７２を通過し、ＨＷＰ５０により再び偏波状態を９０度回転され、横偏波に変換されて、ＰＢＳ４０のポート４０（２）に入力される。

他方、ポート４０（３）から出力された縦偏波成分のポンプ光および信号光子は、ＰＰＬＮ７４にポート７４（１）より入力される。ＰＰＬＮ７４において、信号光子はポンプ光により周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子に変換され、ポート７４（２）より出力される。この周波数変換光子は、鏡６４により反射された後、再びＰＰＬＮ７４を通過し、ＰＢＳ４０のポート４０（３）に入力される。

ＰＢＳ４０において、ポート４０（３）に入力された縦偏波の周波数変換光子と、ポート４０（２）に入力された横偏波の周波数変換光子とが偏波合成され、ポート４０（１）から出力される。この偏波合成された周波数変換光子は、ポンプ光の周波数ｆ_ｐおよび信号光子の周波数ｆ_ｓを透過し、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃを反射する鏡６６により分岐され、Ｓｉ−ＡＰＤ９０により検出される。

ここで、双方向動作が可能なＰＰＬＮ７２および７４は、縦偏波成分の信号光子と縦偏波のポンプ光とが入力されると、周波数ｆ_ｃ＝ｆ_ｓ＋ｆ_ｐの縦偏波の周波数変換光子を発生し、ＰＰＬＮの結晶軸の方向はこの周波数変換光子の発生効率が最も高くなるように調整される。また、周波数変換光子の周波数ｆ_ｃがＳｉ−ＡＰＤによる検出感度の高い光周波数領域にあるように、ポンプ光周波数ｆ_ｐが設定される。

このように、第７の実施例では、第４の実施例（図６）において偏波コンバイナと偏波ビームスプリッタを共通化し、１つのＳｉ−ＡＰＤで信号光子を検出する構成により、高効率および高繰り返しの光子検出が可能なＳｉ−ＡＰＤを用いて、１．５５μｍ帯の信号光子をその偏波状態に依存することなく、高い効率で検出することができるようになる。

また、本実施例においても、２分の１波長板５０を使用せず、横偏波に対して結晶軸の方向を適合させたＰＰＬＮ７２を使用する構成としてもよい。この場合、横偏波の信号光子と横偏波のポンプ光とがＰＰＬＮ７２に入力されると、周波数ｆ_ｃの横偏波の周波数変換光子が発生され、鏡６２により反射され、再びＰＰＬＮ７２を通過し、ＰＢＳ４０において縦偏波の周波数変換光子と偏波合成される。

なお、本実施例では、第２の実施例と同様、ポンプレーザを１台としているが、第１の実施例のように、２台のポンプレーザを用いる構成も可能である。

上記の全ての実施例において、光非線形素子としてＰＰＬＮを想定しているが、非線形光学効果の効率が入力光の偏波状態に依存するいかなる光非線形素子にも本手法は適用可能である。また、光非線形素子における周波数変換としては、上記実施例に述べた和周波発生過程のみでなく、差周波発生過程も適用可能である。

以上、本発明について、いくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、および／またはその順序を変えてもよい。

波長変換手法を用いた従来の光子検出装置の構成を示す図である。 波長変換手法において信号光子の偏波状態に対する依存性を抑えた従来の光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第５の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第６の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。 本発明の第７の実施例による光子検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 信号光子
２０、２２、２４ ポンプレーザ
３０、３２、３４ 透過／反射特性を有する鏡
４０、４２、４４ 偏波スプリッタ／コンバイナ
５０、５２、５４ ２分の１波長板
６２、６４ 反射特性を有する鏡
６６、６８ 透過／反射特性を有する鏡
７０、７２、７４ ＰＰＬＮ
８０、８２、８４ フィルタ
９０、９２、９４ Ｓｉ−ＡＰＤ

Claims (7)

1. 信号光子の周波数を変換して周波数変換光子を検出する単一光子検出装置において、
   信号光子とは周波数の異なる４５度偏波のポンプ光を発生するポンプ光発生手段と、
   信号光子およびポンプ光を直交する偏波成分に分離する偏波分離手段と、
   偏波分離された一方の信号光子およびポンプ光を一方向から入射させて周波数変換し、第１の周波数変換光子を生成し、偏波分離された他方の信号光子およびポンプ光を逆方向から入射させて周波数変換し、第２の周波数変換光子を生成する周波数変換手段と、
   第１の周波数変換光子を検出する第１の光子検出手段と、
   第２の周波数変換光子を検出する第２の光子検出手段と
   を備えたことを特徴とする単一光子検出装置。
2. 信号光子の周波数を変換して周波数変換光子を検出する単一光子検出装置において、
   信号光子とは周波数の異なる４５度偏波のポンプ光を発生するポンプ光発生手段と、
   信号光子およびポンプ光を直交する偏波成分に分離する偏波分離手段と、
   偏波分離された一方の信号光子およびポンプ光を一方向から入射させて周波数変換し、第１の周波数変換光子を生成し、偏波分離された他方の信号光子およびポンプ光を逆方向から入射させて周波数変換し、第２の周波数変換光子を生成する周波数変換手段と、
   第１の周波数変換光子と、第２の周波数変換光子とを偏波合成する偏波合成手段と、
   偏波合成された周波数変換光子を検出する光子検出手段と
   を備えたことを特徴とする単一光子検出装置。
3. 信号光子の周波数を変換して周波数変換光子を検出する単一光子検出装置において、
   信号光子とは周波数の異なる４５度偏波のポンプ光を発生するポンプ光発生手段と、
   信号光子およびポンプ光を直交する偏波成分に分離する偏波分離手段と、
   偏波分離された一方の信号光子およびポンプ光を一方向から入射させ、さらにその出力を逆方向から入射させて周波数変換し、第１の周波数変換光子を生成する第１の周波数変換手段と、
   偏波分離された他方の信号光子およびポンプ光を一方向から入射させ、さらにその出力を逆方向から入射させて周波数変換し、第２の周波数変換光子を生成する第２の周波数変換手段と、
   第１の周波数変換光子と、第２の周波数変換光子が偏波合成された周波数変換光子を検出する光子検出手段と
   を備え、
   前記偏波分離手段は、第１の周波数変換光子と、第２の周波数変換光子とを偏波合成するようにさらに構成されたことを特徴とする単一光子検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の単一光子検出装置において、
   前記周波数変換手段は、非線形光学効果を有する光非線形素子であり、前記周波数変換光子の周波数は、信号光子の周波数と前記ポンプ光の周波数との和または差であることを特徴とする単一光子検出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の単一光子検出装置において、
   前記偏波分離手段は、信号光子を縦偏波成分と横偏波成分とに分離することを特徴とする単一光子検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の単一光子検出装置において、
   偏波分離された信号光子の少なくとも１つについて、偏波状態を変える偏波調整手段をさらに備えたことを特徴とする単一光子検出装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の単一光子検出装置において、
   信号光子は、１．５５μｍ帯の光子であることを特徴とする単一光子検出装置。

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