JP5017452B2 - 光検索システム、データ記憶システム、データ格納媒体および光検索およびデータ格納の方法 - Google Patents

Description

本発明は、光データ検索システム、データ記憶システム、データ格納媒体および光学データの検索および格納の方法に関する。より具体的には、本発明は、量子エンタングルメントを利用する光データ検索システム、データ記憶システム、データ格納媒体および光学データの検索および格納の方法に関する。

一般的には、画像の最も小さな特徴サイズＲが、通常、光源の波長によって制限されている。集束光スポットについては、これはレイリー基準として知られている。それは、空中で波長λを有する光について、開口数ＮＡを有するレンズによって集束される光では、Ｒ＝１．２２λ／２（ＮＡ）によって与えられる。画像についての先験的情報が知られている場合、波長より小さな特徴を解決することは可能である。エンタングルされた光を使用すると、最も小さな特徴サイズはＮ倍まで縮小されうる。ここで、Ｎはエンタングルマルチ光子状態での光子数である。このように、４００ｎｍで放たれたエンタングルされた光子ペアについては、ＮＡ＝０．６５レンズでの最も小さな特徴サイズは１８８ｎｍである。分解能を向上させるこの原理は、量子イメージングの新興分野において用いられる。

第１の態様では、本発明の光システムは、ｎ個の経路エンタングルされた光子源と、ここでｎは少なくとも２の整数であり、ｎ個の光子が受け取られたかどうかを判定する検出システムと、源から前記データ格納媒体および前記検出システムへ光子を導く手段と、を具備する。

好ましい実施形態では、データ格納媒体はＤＶＤまたはＣＤタイプであり、データがデータ格納媒体の凹凸においてエンコードされ、放射線がデータ格納媒体から反射される。

現在の技術に容易に統合することができる実際的なシステムを実現するために、その源は好ましくは量子ドットを具備する。上記の源は既存の技術を用いて、半導体から作り上げることができる。これらタイプの源は偏光エンタングルされた光子を出力する。より高い分解能を得るエンタングルメントを用いるために、経路エンタングルされた光子を用いることが必要である。

上記の経路エンタングルされた光子は、第１の経路に沿った第１の偏光を有する光子、および第２の経路に沿った第２の偏光を有する光子の放射を許容する導波管構造を具備する源によって生成されてもよい。あるいは、源は、偏光エンタングルされた光子を経路エンタングルされた光子に変換する偏光ビームスプリッターをさらに具備してもよい。

検出システムは、エンタングル源からのｎ個の光子を検出することと、単一光子を検出するだけとを判定することができる必要がある。これを実現するために、検出システムは、複数の検出器と、前記検出器の間でエンタングルされた光子を分離する手段を具備してもよい。

別の可能性は検出器が、検出された光子数を示す出力を有する、いわゆる光子数識別検出器であることである。例えば、出力の振幅は光子数に比例してもよく、または、検出器がそれ自体を再設定して検出されたピーク数が光子数を示してもよい。

検出器が高い検出周波数を持っていることは望ましい。上記の検出システムは、アバランシェフォトダイオードと補正回路によって提供されてもよく、前記回路は、アバランシェフォトダイオードの出力信号を第１の部分と第２の部分とに分配する信号分配器と、第１の部分は第２の部分と実質的に同一であり、第２の部分を第１の部分に対して遅らせる手段と、遅れた第２の部分が出力信号の第１の部分での周期的な変動を打ち消すために使用されるように、信号の第１のおよび遅れた第２の部分を合成する合成器と、を具備する。周波数を読み出すためのビットレートも、複数の源および検出器を用いることにより増加されてもよい。

複数の光子はｍ個の経路で経路エンタングルされていて、ｍは少なくとも２の整数である。エンタングルされた光子数および同じであるエンタングルされた経路の数には要件はない。

分解能向上は、経路が異なる方向においてのみ起こる。このように、複数の光子は好ましくは、データが読まれる方向と平行な平面で経路エンタングルされる。

３つ以上の経路がある場合、複数の空間方向に向上させられた分解能を実現することは可能である。

一実施形態において、前記ｍ個の経路のそれぞれは前記記録媒体から反射される。ここで、検出器のカウントレートから決定された、反射された放射線の強度は、記録媒体上のデータを復号するために用いられてもよい。

別の実施形態は、量子イメージングを用い、前記経路のうちの１つが前記媒体から反射され、前記経路の別の１つが前記媒体を回避し、システムは前記２つの経路からの光子を干渉する手段をさらに具備する。

媒体の凹凸における変化を用いてデータ格納媒体をエンコードすることに加えて、複屈折の材料を用いることはまた可能である。例えば、前記データ格納媒体が、第１の偏光を有する複数の光子と、前記媒体によって反射された第２の偏光を有する複数の光子との間で経路長を変化させる光学系。

システムは、少なくとも１つのトラッキング源およびトラッキング検出器をさらに具備してもよく、前記トラッキング検出器は、エンタングル光子源が、トラッキング源から検出された放射線の強度によって正確に位置付けられているかどうかを判定する。

また、システムは、検出システムによって検出された放射線のビームの形状を監視する手段をさらに具備してもよい。ビームの形状は、対物レンズと媒体の表面との距離によって決定され、焦点を合わせることを最適化するためにこのように用いることができる。

上記のものは両方とも、ともに量子の光学のピックアップを形成する源、光学部品および検出器の位置を決めるために、フィードバックメカニズムとして用いられてもよい。

第２の態様では、本発明は、データ格納媒体からデータを検索する光学検索方法を提供し、システムは、ｎ個の経路エンタングルされた光子を出力し、ここでｎは少なくとも２の整数であり、前記源から前記データ格納媒体および検出システムへ光子を導く手段と、ｎ個の光子が受け取られたかどうかを検知することを具備する。

以上説明したように、本発明は、はるかにより小さな特徴がデータ格納媒体上で読まれることを可能にする。このように、第３の態様では、本発明はデータ格納媒体を提供し、前記データ特徴は読み取り光または回折限界点の波長より小さな空間の寸法を持っている。

本発明の実施形態に従うデータ格納媒体は、ＣＤの分解能である約８３０ｎｍまたはより少ない特徴を有することが可能である。

上記の特徴は、ｎ個の光子線でディスクに光学的に書くことにより定義されうる。媒体はｎ個の光子吸収に敏感であり、それは媒体の特性を変更する。特性における上記の変更は、例えば表面寸法、屈折率、複屈折、または反射性に影響する可能性がある。

このように、第４の態様では、本発明は、書き込み可能なデータ格納媒体上にデータを記憶するデータ記憶システムを提供し、システムは、データ格納媒体上へ書かれるパタンへ、記録されるデータを変換する手段と、ｎ個の経路エンタングルされた光子の源と、ここでｎは少なくとも２の整数であり、前記パタンにしたがって前記媒体に作用するために、前記経路エンタングルされた光子を導く手段と、を具備する。

第５の態様では、本発明は、書き込み可能なデータ格納媒体上にデータを記憶するデータ記憶方法を提供し、方法は、データ格納媒体上へ書かれるパタンへ、記録されるデータを変換し、ｎ個の経路エンタングルされた光子のビームにより前記媒体に照射し、ここでｎは少なくとも２の整数であり、前記パタンにしたがって前記媒体に作用するために、前記経路エンタングルされた光子を導くことを具備する。

第６の態様では、本発明は、光子源を有している書き込み可能な光データ記憶装置での使用のために、データ格納媒体を提供し、前記媒体は、その特性がｎ個の経路エンタングルされた光子の吸収に敏感である材料を具備し、ここでｎは少なくとも２の整数である。

書き込み可能なデータ格納媒体の実施形態では、材料はｎ個の光子の吸収に応答する一種のフォトレジストであり、ここでｎは２より大きな整数であり、上記の状態によって提供される分解能向上を常に維持する。上記の材料の例はＥｐｏｎ（ＲＴＭ）ＳＵ−８およびＰＭＭＡである。

好ましくは、光検索システムおよび光記憶システムは、デバイスが適切な記憶媒体に読みおよび格納することができる同じデバイス内に提供される。同じ源および光学部品は読み書きについて用いられてもよい。

ｎ光子量子光ピックアップが不注意に以前に書かれたデータを上書き、消去、または破壊しないように、媒体は好ましくはｎ個の光子吸収への前記感度を活性化するか非活性化する手段を有する。上記の手段は、増加した光学パワー、加熱、または化学処理に対する応答の変形を含んでもよい。

本発明は、下記の好ましい限定しない実施形態を参照して説明される。

図１は本発明の実施形態に従う光読取システムを示す。 図２は複数のエンタングルなペア源を有する本発明の別の実施形態に従うさらなる光読取システムを示す。 図３ａは本発明の実施形態に従う光読取システムにおいて用いられてもよいエンタングルされた光子源の概略を示し、図３ｂは図３ａの源の出力を経路エンタングルするために用いる可能性のある配置を示す。 図４ａは、裂かれている、図３ａに示される同じようなタイプの２つの源の写真であり、図４ｂは図４ａのデバイスから出力された光子に関するドットエネルギーに対する写真輝度強度プロットを示す。 図５ａは、本発明の光読取システムにしたがって用いられてもよい三角格子を備えた光バンドギャップ構造の概略図であり、図５ｂは正方格子を備えた同じような構造である。 図６は、出力された光子の経路エンタングルメントを実現するために光バンドギャップ構造を用いて、本発明の実施形態に従う光学の焦点合わせシステムの概略図である。 図７は二重のレンズ配置を用いて、図６のシステムについての変形である。 図８は、２次元において向上させられた分解能を実現するために経路エンタングルドされた４状態を用いて、本発明の実施形態に従う読取系である。 図９は本発明のさらなる実施形態に従う読取系を示す。 図１０は、トラッキング性能を持っている本発明の実施形態に従うシステムを概略的に示す。 図１１ａは、図１０のトラッキング配置で用いることができる３つの検出エリアを概略的に示し、図１１ｂは十分に焦点を結ばれたビームの結果を示し、図１１ｃはビームが適切に焦点を結ばれない場合の結果を示す。 図１２ａは、本発明の実施形態に従う検出器による使用のゲート信号の概略図であり、図１２ｂは本発明の実施形態に従う検出システムであり、図１２ｃは図１２ｂの検出器の出力であり、図１２ｄはある期間によってシフトされている図１２ｃの信号であり、図１２ｅは図１２ｄの信号を図１２ｃの信号から減じることにより得られた結果として生ずる信号である。 図１３は、記録媒体についてのピットの深さを決定するために量子イメージングを行なうことができる本発明の実施形態に従う光読取システムである。 図１４は、周波数弁別を組み入れる検出システムを用いる図１３の光読取システムについての変形である。 図１５は、本発明の実施形態に従う光読取システムの構成部品に関するタイミング図を示し、図１５ａが源に関するトリガーを示し、図１５ｂが第１の検出器に関するトリガーを示し、図１５ｃが第２の検出器に関するトリガー信号を示す。 図１６は、複屈折の反射エンコーディングのための用いられた本発明の実施形態に従う光読取システムを示す。

図１は、本発明の実施形態に従うシステムの概略図であり、システムはエンタングルされた光子１の源を具備する。源は図３ａおよび３ｂを参照してより詳細に説明される。源１は、同じ偏光を有する経路エンタングルされた光子にその後変換される偏光エンタングルされた光子を最初に出力する。これは図３ｂを参照してより詳細に説明される。フィルタ３は、エンタングルされた光子の周波数以外のすべての周波数を除去する。

その後、経路エンタングルされた光子は、エンタングルされた光子をレンズ７へ通過させる偏光ビームスプリッター５に入る。その後、レンズ７は経路エンタングルされた光子をデータ格納媒体９に集中させる。光子は、レンズ７、その後、偏光ビームスプリッター５へ後ろに反射される。データ格納媒体９からの反射により、反射された光子の偏光は変化し、したがって、光子は、この時ビームスプリッター５によって反射され、レンズ１１に入り、最終的に光子検出器１３に入る。偏光ビームスプリッター５は非偏光ビームスプリッターに置き換えられてもよい。システムは同じように動作するが、この時ビームスプリッターでの非決定論的な透過および反射を使用する。

データ格納媒体は記録媒体についてのデータをエンコードするために用いられるピット（くぼみ）およびランドで作られているパタンを有する。例えば、ピットはビット「０」をエンコードするために用いられていて、非ピットエリアまたは「ランド」はビット「１」を示すために用いられている。この実施形態では、データ格納媒体はディスクである。しかし、光学的記憶に関する他のフォーマットも用いられてもよい。

データ格納媒体９は、ピットがそれほど反射しない物質を貫通し、したがってピットからの反射信号がランドからの反射信号より相当に低いように構成されてもよい。このように、光子ペアがランドによって反射される確率は、光子ペアがピットによって反射される確率より相当に高い。このように、検出器１３で光子ペア回数を監視することによって、ピットおよびランド、またはビット０およびビット１を区別することは可能である。

光子検出器は受け取られている光子数を識別することができる多光子検出器である。源がエンタングルされた光子ペアを出力する場合、光子検出器は１および２の光子を区別することができる。このように、それは、それが逸れた光子を検出したか、それが記録媒体からの反射から発生した光子ペアを検出したかどうかを判定することができる。検出器は、図１２から１５を参照して、より詳細に説明される。

検出器１３、光学部品、および光源１は、データ格納媒体９の表面に関連する制御された位置を有する、光学のピックアップを形成する。ディスク９の回転は接線のディスク方向での制御を提供し、モータは、トラック間で変更するためにピックアップの半径方向位置を制御する。最終的に、ピックアップとディスク９との距離は、フォーカシングを最適化し、データ記憶装置レイヤの間で切り替えるように制御されうる。

一般的には、このようなシステムの分解能は、エンタングルされた光子ペア（より一般にはマルチ光子）の特性が２倍（またはより一般には倍数）のエネルギーを有する単一の光子に部分的に等価であるので、向上される。このように、８００ｎｍで作動するエンタングルされた光子源は、４００ｎｍの実効波長での２光子干渉を生成することができる。例えば、上記の拡張は、より高い容量のＨＤ ＤＶＤに標準のＤＶＤからレーザーを変更することにより実現されるものに似ている。あるいは、４００ｎｍで作動するエンタングルされたペア源は、光学のデータ記憶容量における増加を可能にする、２００ｎｍの実効波長での干渉を生成することができる。

ＤＶＤに関する既存の誤り訂正技術は、円滑な再生のために１００００におけるたった１つの読取誤りしか許容しない。統計誤差のこのレベルに到達するために、ビット０の読取値とビット１の読取値との間の対比は、雑音レベルの４倍程度でなければならない。このように「１」について検出されたペアの平均数は、信号が「０」データビットについて検出されない場合について、少なくとも１６でなければならない。

源１および検出器１３の両方ともが約７５％の効率を有しているので、両方の光子が収集される対応する確率は０．３１である。このように、５２サイクルがシングルビットを読むために要求される。

システムのビットレートは検出器によって制限される。検出器は後に図１２を参照して説明される。システムが約１０ＧＨｚで動作することを可能にする検出器は、マルチＧＨｚ範囲で動作することができる。

以上説明したように、個々の光子ペアを測定することによる統計雑音は、同じビットの複数の読み出しを要求する。したがってシステム周波数は、読み出しサイクル数と共に、以下のように最大データ転送レートを決定する。５２サイクルがシングルビットを読み出すために要求されることを上記の説明が示すので、したがって対応する最大データ転送レートは、例えば現存のＨＤ−ＤＶＤ技術で使用されるもの（データ転送レートは３６．５Ｍｂｓまでである）より非常に大きな１９２．３Ｍｂｓである。

しかし、光源の非ポアソンの性質のために、統計雑音は縮小される可能性がある。高いコントラストのディスクについて、例えば、全ての光子が反射される確率は１に近付くことができる。この場合、雑音は、源、光学部品、および検出器の効率によってのみ制限される。したがって、システムが、より低い周波数（例えば約１ＧＨｚまたは、さらに高いデータ転送レートが実現される周波数）で十分に動作してもよい可能性がある。

エンタングルされた光の使用は、複数のレイヤ、または異なるピット深さまたは角度としてのマルチビットをエンコードすることのような記憶密度を高めるために、他の技術と組み合わされうる。いずれの場合にも、エンタングルされた光の使用は、通常の光で実現された密度に改善をもたらす。例えばシステムも、光子ペアがデータ格納媒体から反射される角度が記録媒体上に記憶されるビット値を示すように構成されてもよい。

データ転送レートは図２に示されるような複数の源を用いることにより増加されてもよい。３つの経路エンタングルされた光子ペア源２１、２３、２５が同時に駆動され、任意のバックグラウンド信号を除去するためにフィルタ２７によってフィルタされる３セットの経路エンタングルされた光子ペアを出力する。その後、３つの光子経路はコリメータレンズ２９によって平行にされる。

光子ペアはそれぞれ異なる平行の経路をたどり、ペアはそれぞれ偏光ビームスプリッター３１を通過してレンズ３３へ到達する。レンズ３３は３つの光子ペアを光ディスク３５表面上の３つのスポットにフォーカスする。スポット位置は、同じ対物レンズを利用するためにともに十分に接近して、ディスク上の同じトラック上にある異なる地点が好ましい。

３つのスポットすべてからの反射光は、偏光ビームスプリッター３１およびレンズ３７によって、マルチ光子検出器３９、４１および４３のアレイに導かれる。この例において、３つの検出器３９、４１および４３のそれぞれは、３つの源のそれぞれから光子ペアを測定する。図２のシステムを用いて、分離した源２１、２３、２５、検出器３９、４１および４３を用いて、システム動作周波数を高めることなしで、同じビットの測定は３回繰り返される。結果は、単一源システムと同じ雑音特性を実現するためにディスクが３倍速く回されうるということである。このように、データ転送レートは３倍に増加される。

源２１、２３および２５に関してフォーカスされたスポットの位置はわずかに異なる。このように、源２１は、源２５とは異なるデータを調べる。例えば源２１は、ディスクの回転によって源２５が同じビットにアクセスすることができるわずかに前に、望ましいビットに焦点を合わせることができる。すべての検出器からの読み取り結果は、遅延を補うために適切にバッファされ加えられうる。この方法の変形は、図２に示される空間の分離技術よりもむしろ、独立した源の反射をスペクトル的に分離させることである。スペクトルの分離については、源はすべて異なる波長で作動し、同じスポットへフォーカスすることができる。反射されたビームは、例えば透過型回折格子を用いて、スペクトル的に分離され、独立した複数のマルチ光子検出器に別々に導かれる。

図３ａはエンタングルされた複数の光子の１つの源の概略図である。源は、参照することによって本明細書に組み込まれるＳｔｅｖｅｎｓｏｎらによるNature 2006、 Young et al New Journal of Physics 2006、 Optics express 2007、 GB 2386470に説明されたタイプである。

源は、放射効果を向上させるために光共振器内にある量子ドット５３を具備する。量子ドットはキャビティの中心で形成される。光共振器は、量子ドット５３の上方に位置する上部ブラッグミラー５５と量子ドットよりも下に位置している下部ブラッグミラー５１によって定義される。デバイスは、ｐ−ｉ−ｎデバイスの絶縁部において量子ドットが提供されるように電気的動作に関してＬＥＤ構造に組み込まれている。トリガー電圧に応じて量子ドットからペア光子の放出を引き起こすために、量子ドットの至る所のフィールドを適用するために用いられるトップコンタクト５７が上部キャビティの上にある。エンタングルされた光子は、２励起子崩壊から生成される。量子ドット中の２つの孔および２個の電子の励起により形成される２励起子はまず１つの励起子に崩壊して第１の光子を出力し、その後、励起子が崩壊して第２の光子を出力する。

開口５９は、光子ペアが源から出ることを可能にするために、トップコンタクト５７に提供される。量子ドットは、それらが安く大量生産されうる半導体素子であるので、エンタングルされた光子の他の源に比較して長所を持つ。

キャビティ設計へのさらなる改善は、７５％を越えた効率を可能にすることができる。

量子ドットはペアの偏光エンタングルされた光子を必然的に生成する。それは、同一の直線偏光（水平［Ｈ］または垂直［Ｖ］のいずれか）で重ね合わされた状態に放出される１ペアの光子であり、この偏光は光子の１つが測定されるまで不確定である。

しかし、イメージングを向上させるエンタングルされた光子を用いるために、光子は位置でエンタングルされる、いわゆる経路エンタングルされた光子でなければならない。図３ｂにおいて示されるように、これは容易に実現される。図３ｂでは、偏光エンタングルされた光子の源６１は、偏光ビームスプリッター６３にペア光子を放出する。両方の光子は同じポート、１または２のどちらかを出る。このように、最終状態は、２光子出口ポート１と続く第１の経路、または２光子出口ポート２と続く第２の経路との重ね合わせである。半波長板６５は、ポート２を出る光子の偏光を回転させ、今や光子がすべて同じ直線偏光であるように、干渉を許容することができる。

図４ａはエンタングルされた光子のさらなる源を表わす写真である。源は、量子ドットを具備し、リッジ構造で形成される導波管を有する。ＨまたはＶに偏光された光子に関する光双極子の性質により、両方は垂直に放出することができるが、それぞれは平面上にある１つの方向のみに放出されうる。

２つの同じような構造からの結果は図４ｂに示され、それぞれ単一の量子ドットＡまたはＢを含んでいる。図４ｂ（ｉ）は、裂かれている、図４ａのデバイスからのフォトルミネッセンス結果と、裂かれたエッジから収集された出力を示す。裂かれたエッジの位置は、図４ｂ（ｉ）におけるデバイスの挿入写真において示される。ドットＡからの水平に偏光された光子だけが、裂かれたエッジ８１から収集される。より低い８３およびより高い８５エネルギー輝線は、第１（１励起子）および第２（２励起子）の光子にそれぞれ対応する。

図４ｂ（ｉｉ）は、構造の先端部から収集されたドットＡからの放射を示す。構造の先端部から収集された放射は、水平および垂直に偏光されていて、２つの直交偏光されたピーク９１および９３が第１の光子（１励起子）の遷移のエネルギーの辺りでみられ、同様に２つの直交偏光されたピーク９５および９７が第２の（２励起子）遷移のエネルギーの辺りでみられる。

このように、ドットＡにおける２励起子は、１ペアの垂直（９１と９５）または水平（９３と９７）に偏光された光子の垂直方向における放射によって崩壊する可能性があるが、裂かれたファセット８１の方向で水平に偏光された光子ペア（８３と８５）の放射によってのみ崩壊する可能性もある。

ドットＢに関する状況は、同様であり、図４ｂ（ｉｉｉ）への挿入図において示されるように、裂かれたファセットの直交方向により異なる。

図４ｂ（ｉｉｉ）は、構造の先端部から収集されたドットＢからの放射を示し、それは図４ｂ（ｉｉ）でのドットＡについて説明されたものに非常に類似している。

図４ｂ（ｉｖ）では、放射はファセット１０９から収集される。放射線が側面から収集されるだけなので、垂直に偏光された光子だけがこのファセットから放出され、カスケードの第１（１励起子）のおよび第２（２励起子）の遷移に対応するＶ偏光されたピーク１１１および１１３だけが観測される。

このように、デバイスの片側から水平に偏光された光子とデバイスの別側から垂直に偏光された光子のみを放射することが可能になるので、偏光エンタングルされた光子を垂直に放出することができる量子ドットは、面内での２つの直交方向の重ね合せにおける光子ペアを放出することができる。上記のデバイスはレイヤの面において経路エンタングルされた光子を放出する。これは、光共振器を用いて、垂直の放出を抑制することにより向上させることができる。上記のデバイスは、図３ｂを参照して説明されるようなビームスプリッターに関する要求を回避する。

図４ｂにおいて示されるように、放射偏光はＨまたはＶと指定されるが、放射は、成長レイヤの平面において常に偏光されることに注意する。このようにファセットからみられると、ＨとＶの偏光は等価である。

ドットＡおよびＢに関する輝線の偏光依存放射エネルギーにより、放射はエンタングルしていない。しかしながら、方向性効果はエンタングルされた光子を放出するドットにとっては同様である。

この方向性を利用する可能な方法は図５ａにおいて示される。図５ａは、光結晶に埋め込められる量子ドット（見ることはできない）を示す。光結晶は、光の波長に相当する厚さの半導体膜から成る。孔１２１の周期および直径もまた光の波長に相当する。孔のパタンは、図５ａで示されるように六角形または三角形、図５ｂにおいて示されるように正方形でもよい。量子ドットが位置するキャビティは、量子ドットに近い光学モードを制限するために、１２３ではミッシング孔（見当たらない孔）を具備する。

キャビティも、周囲の孔を変更し例えばより小さな直径にしたり、キャビティの中心からの距離を増加させるために移動させてもよい。

キャビティ内の光学モードの波長は、量子ドットのそれと共振すべきである。この例において、２つの導波管１２５および１２７は、互いに直角をなして生成される。導波管１２５および１２７は導波管方向に沿ってミッシング孔によって生成される。導波管１２５は、光結晶のΓ−Ｍ方向に沿って偏光された光子ペア、すなわちＸ_１ ^ｍ、Ｘ_２ ^ｍの透過が許容され、ここでＸ_１およびＸ_２は第１の遷移および第２の遷移それぞれからの光子を示し、ペアはΓ−Ｋ方向に沿って放射される。

導波管１２７は、Γ−Ｍ方向に沿って放出される、Γ−Ｋ（Ｘ_１ ^ｋ、Ｘ_２ ^ｋ）に沿って偏光される光子ペアを許容する。カスケードにより放出された光子は、Γ−Ｋ偏光を有する双方の光子と、Γ−Ｍ偏光を有する双方の光子との重ね合せである。このように、光子ペアは導波管１２５および１２７を介してエンタングルされた経路に沿って放出される。

放出された光子のアウトカップリングに関する２つのファセットは、２つの導波管１２５および１２７へ直角で裂かれている。パタンがない材料はファセットから導波管を分けてもよい。あるいはファセットは、源の開口数を制御するために、ある角度で裂かれてもよい。さらなる代替案は、両方の導波管が単一のファセットで出ることを可能にするために、導波管を形成することである。この場合、導波管がファセットに沿って空間的に分離されることは有利であり、その結果、新たに生起するエンタングルされた光子もまた空間的に分離される。

図５ｂは正方格子を示す。これは、導波管が光結晶の対称性に関して対称で、したがってより一様であるという長所を持つ。完全な光子のバンドギャップが孔の正方形のアレイに実現することはないが、光子のここで重要であるバンドギャップは面において偏光された光子によって規定されうる。

図６は、図５の光バンドギャップ構造で以前に説明された源がどのようにシステムで用いられうるかを示す。源２０１は、第１の導波管２０５および別の導波管２０７を有する光バンドギャップ構造２０３内に提供される。源２０１から出力されるペアの光子は、経路２０５を介して出る第１の偏光を有する２つの光子と、経路２０７を介して出る第２の偏光を有する２つの光子との重ね合わせである状態を持っている。したがって、ペアの光子は、源を出ることおよびそれ以上ない偏光ビームスプリッターで源を離れたら経路エンタングルされ、さらなる偏光ビームスプリッターまたは他のそのような装置は必要でない。

その後、２つの光子経路ＡおよびＢは、レンズ２０９によってデータ格納媒体２１１の表面上にフォーカスされる。放射線は、図１を参照して説明されるように、データ格納媒体２１１から後方に検出器へ反射され、検出される。

図７は、図６のシステムについての変形を示す。任意の不必要な反復を避けるために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。図６では、単一のレンズ２０９がある。図７では、ペアのレンズ２１３および２１５がある。レンズ２１３はコリメータレンズであり経路ＡおよびＢを平行にするために位置し、レンズ２１５はデータ格納媒体２１１上に平行ビームを集中させるために提供される。

図７では、経路ＡおよびＢ、およびディスクのトラックは同じ平面にある。これは、２つの経路では、分解能向上が１つの空間方向で実現されうるだけであるからである。データ間隔が光ディスクのトラック間隔より典型的に短いので、この配置を用いるほうが有利である。

一般的な２経路エンタングルされた光子状態を表すために使用される波動関数は、Ｎ個の光子が第１の経路をとり０個が第２の経路をとるまたはその逆であるので、Ｎ００Ｎ状態として知られている。この波動関数は以下に示される。ここで添字ＡおよびＢは第１と第２の経路をそれぞれ示す。量子ドットは、Ｎ＝２でのエンタングルされた光を即座に出力する。しかし、高位のＮ００Ｎ状態が生成されうる場合には、これは適切なＮ光子検出器と組み合わされた分解能をさらに向上する。

Ψ＝（｜Ｎ_Ａ０＞＋｜０Ｎ_Ｂ＞）／√２＝｜２_Ａ０＞＋｜０２_Ｂ＞／√２
図８は、２Ｄ分解能向上に関する４経路エンタングルされた状態を示す。エンタングルされた光子数Ｎを増加させることは、分解能を増大させ、その結果エンタングルされた経路数Ｍを増加させる。図８では、４つの可能なエンタングルされた経路Ａ、Ｂ、ＣおよびＤがある。２つの光子は４つの可能な経路の重ね合せから同じ経路をとる。経路はそれぞれレンズ２３１上の別個の４地点に入射する。レンズ２３１は、データ格納媒体（図示せず）上の地点２３５へ４つの経路をフォーカスする。結果は、フォーカスされた２光子スポットがＸとＹの両方の次元での分解能を向上させることになる。上記のエンタングルされた状態に関する波動関数は以下で示される。

Ψ＝（｜２_Ａ０００〉＋｜０２_Ｂ００〉＋｜００２_Ｃ０〉＋｜０００２_Ｄ〉）／√２
図９は、量子光ピックアップに関する検出配置の概略を示す。システムは、光バンドギャップまたは図３ｂのビームスプリッター配置のいずれかを使用して以前に説明した源のいずれでもよい源３０１を具備する。出力された放射線は、レンズ３０３によって平行にされ、放射線は、１／４波長板を通って放射を通過させる偏光ビームスプリッター３０５を通過する。１／４波長板３０７は偏光を円偏光された放射線に変換する。レンズ３０９はデータ格納媒体３１１の表面に光をフォーカスする。その後、反射された放射線は、１／４波長板３０７を逆に通過し、直線偏光された放射線に戻る変換をされる。反射の位相変化により、それは入力光子と比較して直交に偏光されて、ビームスプリッター３０５によってレンズ３１３へ反射される。光は、光子ペアの場合には光子ペアと単一光子とを区別することができ、受け取られたエンタングルされた光子ペアの存在を判定することができる２光子検出器３１５上にフォーカスされる。

図１を参照して説明されるように、量子光ピックアップは正確にディスクをトラッキングする必要がある。従来のＤＶＤ技術は３ビーム追跡システムを用いる。従来のシステムでは、レーザーは、透過型回折格子を用いて３つのビームへ分裂され、次にメディア表面上の３つの地点へフォーカスされた。エンタングルされたビームを分裂させることは、エンタングルメントを破壊するので、このシステムは本発明においては使用され得ない。したがって、図１０のシステムでは、３つの別個のエンタングルされた光子源３２１、３２３および３２５は、源頭３２７に位置する。これらの源は分離している、または同じチップに統合される。あるいは、源は、並んで配置されるよりはむしろ垂直に積み重ねることができる。このように、源は、互いの先端部でエピタキシャルャルに成長されうる。

代わる配置では、２つの従来の光源（例えばレーザー）は、エンタングルされた光子源に加えてトラッキングするために用いられ得る。

図１０に示されるような統合アレイを用いることは、３つの源が同じレンズおよび光学部品を用いることができるという長所を持つ。源３２１、３２３および３２５は、主なリードビームが中央トラックの中心上にフォーカスされるように、一定間隔で配置され、トラックｍおよび第２と第３番目トラッキングビームがトラックｍのエッジに提供される。図１１は図１０を参照して説明されたシステムがどのように正確なトラッキングを実現するために用いられるかを示す。図１１ａが３つの検出器領域Ａ、ＢおよびＣを示す。領域Ａは主な（データ）光ビーム（図１０の源３２３によって出力されたビーム）から反射される光を集める。領域ＢとＣは追加のトラッキングビーム（図１０の源３２１および３２５によって放出されたビーム）からの光を検出するために用いられる。領域ＢとＣは領域Ａのどちらかの側面に置かれる。領域ＢおよびＣは、トラッキングするビームの反射されたマルチ光子強度を監視する。このビームを信号ビームと比較することによって、データトラックに放射状にビームを集中するレンズを移動させるフィードバック回路は構築することができる。

検出器領域Ａは、４つのエリア、Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４へ細分される。これらのエリアは、フォーカスされた信号ビームの形状を監視する。反射されたビームが円柱レンズに通されると、焦点スポットは、記録媒体の表面から対物レンズの１つの距離に関してのみ対称になるはずである。より多くのマルチ光子がエリアＡ２およびＡ３よりもエリアＡ１およびＡ４で検出されると、ビームは図１１ｃに示されるように垂直に引き延ばされ、それに応じてフィードバック回路は媒体からレンズの距離を調整するために使用されうる。ビームが正確にフォーカスされる場合、図１１ｂにおいて示されるように、円状になるはずである。

検出領域Ａは細分化されるが、これはデータの検出効率に影響しない。例えば、単一ペアのエンタングルされた光子がＡ２上の単一光子とＡ３上の単一光子で検出されると、Ａ２とＡ３との一致は２光子データの存在を明らかにする。しかしながら、上記の検出イベントは、Ａ２またはＡ３のみで２光子検出イベントを引き起こさない。したがって、それはフィードバック回路に関する信号に寄与しない。しかし、フィードバック回路は、正確なトラッキングについて十分な精度を可能するために、多くのデータビットのために収集された２光子を測定することができる。

個別のエリアＡ１−Ａ４、ＢおよびＣは、独立した複数の検出器または統合マルチ検出器、検出器に導くファイバー光学部品先端部またはこれらの手法の組み合わせによって提供されてもよい。検出領域を単一の検出器に時分割多重化することは、また別の可能性である。

図１２は、本発明の実施形態に従う検出システムを概略的に示す。図１２ｂにおいて示されるような検出器は、直列に抵抗器５３を備えるアバランシェフォトダイオード５１を具備する。

図１２ａにおいて示されるような入力信号が適用される可能性がある。抵抗器５３を通って下げられた電圧出力は、パワースプリッター５５へ最初に入力される。パワースプリッター５５は、出力信号を図１２ｃ示されるような第１の部分と、第２の部分に分割する。その後、これらの２つの信号はパワースプリッター５５のポート５７および５９を通じて出力される。ポート５９を通じて出力される信号は、ゲーティング期間と等しい持続期間によって信号を遅らせる役目をする遅延線５６に入る。遅らされた信号は、図１２ｄに示される。その後、信号の第１の部分および遅らされた第２の部分は、ハイブリッドジャンクション６１に供給される。ハイブリッドジャンクション６１は、図１２ｅにおいて示される出力を与えるために、１８０°位相シフトを有する信号の第１および遅らされた第２の部分を合成する。

図１２ｃで見られるように、ＡＰＤ５１による光子の検出はなだれ信号７３を生成する。このなだれ信号はその後、図１２ｄのトレースでの１周期後に繰り返される。１２ｃおよび１２ｄを合成することによって、ピーク７７およびくぼみ７５は、光子の存在を示す図１２ｅのトレースにおいて見られる。負のくぼみが後続する正のピーク（あるいは機器の配置に依存する正のピークが後続する負のくぼみ）の提供は、光子の検出を示す明瞭な痕跡を可能する。

検出の好ましいモードは、出力信号において正のピーク７７および負のくぼみ７５の両方についてテストすることである。あるいは、しかしながら、単なる正のピークだけまたは単なる負のくぼみだけでテストするほうが便利かもしれない。ピークまたはくぼみは識別技術を用いて検出されてもよい。識別技術は弁別器レベルを用いる。前記弁別器レベルより大きい電圧信号は光子の検出によると仮定される。

パワースプリッター５５はミニサーキット（Mini-circuits）からの部品番号ＺＦＲＳＣ−４２＋で売られるタイプでもよいし、ハイブリッドジャンクションもミニサーキットから利用可能な部品番号ＺＦＳＣＪ−２−４で利用可能である。正確な遅延は、パワースプリッターとハイブリッドジャンクションをリンクする２つの異なる長さの２本の同軸ケーブルを用いることにより実現することができる。パワースプリッター５５、遅延線５６およびハイブリッドジャンクション６１の組合せが、単一のプリント配線回路用基板上に統合されてもよいことは注意されるべきである。非常に高い検出レート、超高効率検出器に関して、２つ以上の光子の連続検出は、シーケンスの最初での単一の正パルスおよびシーケンスの最後での単一の負パルスのみを引き起こすことに注意する。標準の自己差分モードでは、これは結果として単一光子検出のみが明らかになる。しかし、正および負のパルスを検出することは、光子検出イベントの実行を示し、効率が失われることはない。

本発明もイメージングシステムを用いることによりピットからの複数の値を決定するために用いられてもよい。例えば、ディスク上にデータを記憶する１つのスキームでは、エンコードされたビットは表面上のピットの深さである。光子源４０１は以前に説明されたように１ペアの偏光エンタングルされた光子を放出する。フィルタ４０３は、源４０１から発生する放射線以外の放射線を除去する。その後フィルタされた放射線は偏光ビームスプリッター４０５に入り、経路が２つに分裂される。経路１はビームスプリッターを通過し、これはビームスプリッター４０５の作用による水平偏光された光子から成るので、それは第２の偏光ビームスプリッター４０７を通過する。

水平に偏光された光子は、偏光を円偏光に変換する１／４波長板４０９を通過する。その後、円偏光はレンズ４１１によって記録媒体４１３の表面上にフォーカスされる。

データ格納媒体４１３はより詳細に示され、それは異なるサイズのピット４１０および４１２を有していることがわかる。特にこの例において、読むことができる最も深いピットがπ位相シフトを光子の経路へ導入する。フェーズが決定されうる精度は、区別することができる異なる深さの数、したがって１つのピット当たり保存されるデータ量を定義する。システムの向上させられた分解能により、同じ波長（８レベルはここに示される）の標準光源で可能であるより多くのレベルへ深さを細分化することは可能である。ビームは、ビームを直線偏光されたビームへ切り替える１／４波長板４０９を通ってレンズ４１１によるピットの最下段によって後ろへ反射され、このとき、それは反射によって引き起こされた偏光変化により偏光ビームスプリッター４０７によって反射される。放射線は、偏光ビームスプリッター４１７へ反射され、それが第２の経路に続いた放射線と組み合わされる。第２の経路では、第１の偏光ビームスプリッター４０５によって反射された放射線は偏光ビームスプリッター４１７の中へのミラー４１５を介して導かれる。

以前に説明されたように、ピットは経路１に続いた光子の経路へ位相差を導入する。もしゼロ位相差が登録されていれば、経路１および経路２からの光子は構造的に干渉し、光子ペアはレンズ４１９によって検出システムにフォーカスされる。しかし、経路１に続く光子がそれらの経路長へ導入されたπ位相シフト差を有していれば、光子は弱め合って干渉し、したがって光子は検出システムによって検出されない。π／２位相変化が導入される場合、弱め合う干渉が引き起こされる可能性が５０％あり、２光子が検出される可能性が５０％ある。同様に、３π／８位相変化が導入される場合、強め合う干渉が発生する３／８の確率があり、弱め合う干渉が発生する５／８の確率がある。したがって、検出システムによって検出されたカウントレートを測定することにより、ピットの深さを決定することは可能である。

図１３の検出システムは、フィルタ４２３を介して半分の光子を導き検出器４２５へ入れる検出システムビームスプリッタ４２１を具備する。残りの光子は、フィルタ４２７を介して導かれ、検出器４２９へ入れられる。同時計数モニタ４３０は、両方の検出器４２９および４２５が同じペアからの光子を検出する場合、検出器４２９および４２５からの結果を比較し、２光子の存在を登録する。

図１４は、図１３のシステムについての変形を示す。不必要な反復を回避するために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。図１４のシステムは検出システムでの図１３のそれとは異なる。図１３に関して、経路１と経路２が、偏光ビームスプリッター４１７を使用して合成され、偏光ビームスプリッター４１７の出力がレンズ４１９を介して透過型回折格子４４１上にフォーカスされる。

透過型回折格子４４１は、２光子を２つの単一の光子線へ分割する。一般的には、ペアにおける各光子の周波数は等しくない。このように、回折格子は２光子ビームを異なる周波数の２つのビームに分ける。例えば、第１の光子は常に上部の経路４４２をとり、検出器４４３によって検出され、第２の光子は常により低い経路４４４をとり、検出器４４５によって検出される。同時計数電子機器４４７は、上部の経路およびより低い経路に続く光子が検出される場合、２光子を登録する。このように、２光子は透過型回折格子に入射する場合、示されるように１つの光子は１つの検出器に導かれ他の光子は他の検出器に導かれ、同時計数は最大１の確率で発生する。これは図１３のスキームの改善であり、各検出器で１つの光子を得る１つの確率は５０％である。

あるいは、図１３および１４での検出器は、入射ビームでの光子数を識別することができる単一デバイスと置き換えられてもよい。

図３ａを参照して説明されるように、トリガーする信号を源に提供することが必要である。これは図１５ａにおいて示される。図１５ｂおよび１５ｃは、図１３および１４の２つの検出器についてのゲート信号を示す。検出器は、光学系を移動し検出器に達する光子にとって十分な固定の時間だけスイッチが入れられる。この時間の後、検出器は再びスイッチを切られる。

同時検出の概念は光子が同時に到着することを必ずしも意味しないことに注意することは重要である。例えば、伝播距離または放出された時間における差は、エンタングルされたペアで放出された第１と第２の光子との間に存在する可能性がある。このように、検出器はそれぞれ個別の光子の検出時間に最適化される。例えば、図１５に示されるように、検出器２は、検出器１よりわずかに遅くゲート制御される。２光子コインシデンス効果と比較された経路における小さな差は、干渉に影響しない。

前の例はすべて、記録媒体の変化する凹凸を用いて、データ格納媒体についてのエンコーディング情報について言及している。しかし、図１６は複屈折の反射エンコーディング媒体を示す。図１６では、データ格納媒体５０１の屈折率が直交の方向に偏光された光子ごとに異なる。これらの指示は例えばトラックに対してプラスまたはマイナス４５°になりえる。したがって、複数の長さを有するトラックに対してプラス４５°の偏光を有する複数の光子に関する経路は、トラックに対してマイナス４５°の方向のマイナスの偏光子の方向を有する光子の経路と比較した。図１６のシステムでは、エンタングルされた光子源５０３は状態（｜ＡＡ〉＋｜ＤＤ〉）／√２で偏光エンタングルされたペアを放出する。ここでＤとＡはそれぞれ対角および反対角の偏光された光子を表す。

エンタングルされた光は、任意の周辺光を除去するフィルタ５０５を通過し、次に放射線は非偏光ビームスプリッター５０７を介して通過され、データ格納媒体５０１上にレンズ５０９によってフォーカスされる。ディスクの複屈折は、ＡおよびＤの偏光された経路間でビット依存の位相遅れを加える。反射されたビームは、ビームスプリッター５０７および集束レンズ５０９によって検出システムに向けて導かれる。そして２つの光子長は直線偏光子５１１を用いて干渉される。直線偏光子は垂直に偏光された光子を透過するために方向を合わせられる。この時点での光子はプラスまたはマイナス４５°のいずれかの偏光を有していて、その結果、偏光子は±４５°に方向付けられた波の垂直に偏光された部分を透過する。これは結果として以前に説明されたように、強め合う干渉または弱め合う干渉になる。その後、２光子ビームは２光子検出システムに入る。その後、直線偏光子５１１からの出力はビームスプリッター５１３に出力される。その後、ビームスプリッターの出力は検出器５１５または検出器５１７のいずれかへ送られる。同時計数電子機器５１９は、２光子の存在を示す検出器５１５と５１７との間に同時読取があるかどうかを判定する。

マルチ光子検出器は、例えば回折格子の使用によって光子ペアを分離する図１４の回折格子のように他の設計によって置き換えられ得ることは注意されるべきである。また、ＡおよびＤの偏光された経路を干渉する手段も異なることができる。例えば、直線偏光子およびマルチ光子検出器を用いるよりはむしろ、偏光ビームスプリッターとビームスプリッターの出力ごとにペアのマルチ光子検出器一つとが用いられ得る。この設定は２倍データレートを高める。

Claims (16)

1. ｎ個の経路エンタングルされた光子の源と、ここでｎは少なくとも２の整数であり、
   ｎ個の光子が受け取られたかどうかを判定する検出システムと、
   前記源からデータ格納媒体および前記検出システムに光子を導く手段と、を具備する光システム。
2. 前記ｎ個の光子はｍ個の経路に関して経路エンタングルされていて、ｍは少なくとも２の整数である請求項１の光システム。
3. 前記ｍ個の経路のそれぞれは前記データ格納媒体に反射される請求項２の光システム。
4. 前記経路のうちの１つは前記媒体から反射され、前記経路のうちの別の１つは前記媒体を避け、前記システムは前記２つの経路から光子を干渉する手段をさらに具備する請求項２の光システム。
5. 前記データ格納媒体は、前記媒体によって反射された、第１の偏光を有する光子と第２の偏光を有する光子との間の経路長を変化させる請求項１から請求項４のいずれか１項の光システム。
6. 前記光子はデータが読み取られる方向に平行な面において経路エンタングルされる請求項１から請求項５のいずれか１項の光システム。
7. 前記光子は３つ以上の経路において経路エンタングルされて、前記３つ以上の経路は２つ以上の面にある請求項１から請求項６のいずれか１項の光システム。
8. 前記源は量子ドットを具備する請求項１から請求項７のいずれか１項の光システム。
9. 前記源は、第１の経路に沿った第１の偏光を有する光子と第２の経路に沿った第２の偏光を有する光子との放射を許容する導波管構造を具備する請求項１から請求項８のいずれか１項の光システム。
10. 前記源は、偏光エンタングルされた光子を経路エンタングルされた光子に変換する偏光ビームスプリッターをさらに具備する請求項１から請求項８のいずれか１項の光システム。
11. 前記検出システムは、複数の検出器と、前記検出器間、または同じ検出器の複数の検出領域の間で前記エンタングルされた光子を分ける手段と、を具備する請求項１から請求項１０のいずれか１項の光システム。
12. 前記検出システムは少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード検出器を具備する請求項１から請求項１１のいずれか１項の光システム。
13. 検出システムは、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号を第１の部分と第２の部分とに分割する、前記第１の部分は前記第２の部分と実質的に同一である、単一分割器と、前記第２の部分を前記第１の部分に比較して遅延させる遅延手段と、遅延された第２の部分が前記出力信号の前記第１の部分での周期的な変動を打ち消すために使用されるように前記信号の前記第１および遅延された第２の部分を合成する合成器と、を具備する自己差分回路をさらに具備する請求項１２の光システム。
14. 経路エンタングルされた光子の複数の源と、複数のそれぞれの検出器と、をさらに具備する請求項１から請求項１３のいずれか１項の光システム。
15. 少なくとも１つのトラッキング源と、トラッキング検出器と、をさらに具備し、前記トラッキング検出器は、前記エンタングルされた光子源が前記トラッキング源から検出される放射線の強度から正確に位置決めされているかどうかを判定する請求項１から請求項１４のいずれか１項の光システム。
16. ｎ個の経路エンタングルされた光子を出力し、ここでｎは少なくとも２の整数であり、
    源からデータ格納媒体および検出システムに光子を導き、
    ｎ個の光子が受け取られたかどうかを検出することを具備する方法。

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