JP5086013B2

JP5086013B2 - 量子もつれ光子対発生装置

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Publication number: JP5086013B2
Application number: JP2007238313A
Authority: JP
Inventors: 弘樹武居; 康弘都倉; 浩福田; 浩治山田; 聖一板橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009069513A

Description

本発明は、量子もつれ光子対発生装置に関し、より詳細には、時間位置または偏波に関する量子もつれ光子対を出力する量子もつれ光子対発生装置に関する。

近年、量子暗号や量子テレポーテーションといった、量子力学を利用した新しいタイプの通信システムが提案されている。量子暗号とは、量子状態を変えずに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的に安全な暗号通信システムである。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送する通信システムであり、量子暗号における伝送距離の延長や、量子計算機などの量子情報処理装置における信号転送に利用される。

量子もつれ光子対は、以上のような量子情報通信システムにおける重要な要素である。例えば、量子もつれ光子対を用いることにより、長距離伝送に適した量子暗号を実現できる。また、光子の量子状態を量子テレポーテーションにより転送するには、送信者と受信者の間で量子もつれ光子対を共有することが必要である。

量子もつれ光子対を発生するための重要な基本技術として、量子相関光子対発生技術があり、近年、光ファイバ中の自然放出四光波混合過程を用いて量子相関光子対を発生する技術が報告されている（非特許文献１参照）。これは、次のようなものである。３次の非線形光学媒質である光ファイバに、光周波数ｆ_pのポンプ光を入力する。すると、自然放出四光波混合過程により、光ファイバ中に光周波数２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iを満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子が発生する。このシグナル光子とアイドラ光子から構成される光子対は、時間位置（発生時刻）または偏波に関して量子力学的な相関を有し、量子相関光子対を形成する。量子もつれ状態は、量子相関のある状態の重ね合わせ状態と見ることができる。よって、量子相関光子対を発生することは、量子もつれ光子対を発生するための重要な要素技術である。

このような自然放出四光波混合過程を用いた量子相関光子対の発生は、従来の２次の非線形光学効果を用いた発生とは異なり、非線形光学効果に寄与する４つの光子の光周波数がほぼ同程度であるという特徴がある。これにより、位相整合条件を満たすことが比較的容易であるという利点がある。また、４つの光子の光周波数がほぼ同じであることから、４つの光子の群速度もほぼ同じである。そのため、パルス状のポンプ光を用いた場合、ポンプ光パルスとシグナル光子パルス又はアイドラ光子パルスとのウォークオフが小さく抑えられる。その結果、得られる光子対パルスはフーリエ変換限界に近いパルス形状を持つ。これは、量子テレポーテーション等、独立した光子対源からの光子の量子干渉が必要な実験において有効な特性である。

M. Fiorentino et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 14, 983 (2002) H. Takesue and K. Inoue, Opt. Express 13, 7832 (2005) S. Itabashi et al., Opt. Express 13.4629 (2005) R. Claps et al., Opt. Express 10, 1305 (2002)

しかしながら、自然放出四光波混合過程を用いる量子もつれ光子対発生装置は、大型化・高コスト化するという問題があった。ポンプ光として時間幅Δｔ_pのパルスを仮定し、非線形媒質の損失がなく、位相整合条件が満たされている場合、自然放出四光波混合過程により発生するパルス当たりの量子相関光子対数は、ポンプ光パルスのピークパワーＰ_o、非線形媒質の長さＬ、および光子対の帯域幅Δνの関数として近似的に次のように表される。

ここで、γは非線形定数であり、非線形媒質の非線形屈折率ｎ₂、非線形媒質の実効断面積Ａ_eff、光の速度ｃ、光子の角周波数ωを用いて次のように表される。

非線形媒質として通信用光ファイバの一種である分散シフトファイバ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓｈｉｆｔｅｄｆｉｂｅｒ：ＤＳＦ）を用いた場合、典型的なｎ₂、Ａ_effの値はそれぞれ２．４５×１０^‐20ｍ²／Ｗ、５０μｍ²である。ここで、波長１５５０ｎｍにおいて、ポンプ光としてパルス幅１００ｐｓ、ピークパワー１００ｍＷのパルスを用いて、帯域幅２５ＧＨｚの光子対をパルス当たり０．１ペア発生するために必要なファイバ長を式（１）から計算すると、約１０００ｍとなる。このように、非線形媒質として光ファイバを用いた場合、単位長さ当たりの光子対発生効率が小さい。そのため、非常に長いファイバ又は非常に大きな出力パワーを有するポンプ光源を必要とし、量子相関光子対発生部ひいては量子もつれ光子対装置の大型化・高コスト化を招く。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト及びサイズが低減された、自然放出四光波混合過程を用いる量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、偏波に関する量子もつれ対を出力する量子もつれ対光子対発生装置であって、光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光源が出力したポンプ光が入力され、前記ポンプ光の偏波を４５°の直線偏波に調整する偏波コントローラと、前記偏波コントローラにより調整された前記ポンプ光が第１の端子に入力され、縦偏波成分を第２の端子から、横偏波成分を第３の端子から出力する偏波ビームスプリッタと、前記偏波ビームスプリッタが出力した前記縦偏波成分が入力され、前記縦偏波成分の偏波面を調整する第１の偏波保持光ファイバと、前記偏波ビームスプリッタが出力した前記横偏波成分が入力され、前記横偏波成分の偏波面を調整する第２の偏波保持光ファイバと、前記第１および第２の偏波保持光ファイバが出力した前記縦偏波成分および前記横偏波成分が入力され、前記縦偏波成分および前記横偏波成分のそれぞれに基づいて、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子から構成される量子相関光子対を自然放出四光波混合過程により発生する単結晶半導体導波路と、前記縦偏波成分および前記横偏波成分に基づく前記量子相関光子対がそれぞれ前記第３の端子および前記第２の端子から前記偏波ビームスプリッタに入力され、前記偏波ビームスプリッタにおいて重ね合わされて形成された前記偏波ビームスプリッタの第１の端子から出力される量子もつれ光子対を取り出す取り出し手段と、前記取り出し手段により取り出される前記量子もつれ光子対より、前記ポンプ光を選択的に抑圧するポンプ光抑圧フィルタと、前記ポンプ光抑圧フィルタにより前記ポンプ光が抑圧された前記量子相関光子対から前記シグナル光子および前記アイドラ光子を分離してそれぞれを出力する分離出力手段とを備え、前記第１の偏波保持光ファイバは、前記偏波ビームスプリッタの前記第２の端子から出力される縦偏波成分の偏波面を、前記単結晶半導体導波路の屈折率固有軸に一致するように調整して前記単結晶半導体導波路に入力し、かつ前記単結晶半導体導波路から出力される前記屈折率固有軸に一致した偏波状態の光を、縦偏波として前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に入力し、前記第２の偏波保持光ファイバは、前記偏波ビームスプリッタの前記第３の端子から出力される横偏波成分の偏波面を、前記単結晶半導体導波路の前記屈折率固有軸に一致するように調整して前記単結晶半導体導波路に入力し、かつ前記単結晶半導体導波路から出力された前記屈折率固有軸に一致した偏波状態の光を、横偏波として前記偏波ビームスプリッタの前記第３の端子に入力することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が結晶対称性を有し、２次の非線形光学効果が抑制される半導体物質により構成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶により構成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記分離出力手段は、前記ポンプ光が前記単結晶半導体導波路中でラマン散乱されることにより発生する散乱光のピーク周波数とは異なる光周波数の光子を分離して出力するフィルタであることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記単結晶半導体導波路の断面寸法は、前記ポンプ光、前記シグナル光子、および前記アイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記単結晶半導体導波路の両端の一部が、前記単結晶半導体導波路の基板と平行な方向、前記基板と垂直な方向、または前記基板と平行な方向および垂直な方向の両方の方向に対して漸次狭くなっていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１において、前記取り出し手段は、光サーキュレータであることを特徴とする。

本発明によれば、自然放出四光波混合過程による量子相関光子対発生部として単結晶半導体導波路を用いることにより、コスト及びサイズが低減された、自然放出四光波混合過程を用いる量子もつれ光子対発生装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（形態１）
図１は、本発明の形態１に係る量子もつれ光子対発生装置を示している。量子もつれ光子対発生装置１００は、２連ポンプ光パルスを出力する２連ポンプ光パルス光源１０１と、２連ポンプ光パルスが入力され、シグナル光子およびアイドラ光子から構成される時間位置に関する量子もつれ光子対を発生するシリコン導波路１０２と、シリコン導波路１０２が発生した量子もつれ光子対より２連ポンプ光パルスを選択的に抑圧するポンプ光抑圧フィルタ１０３と、ポンプ光抑圧フィルタ１０３により２連ポンプ光パルスが抑圧された量子もつれ光子対からシグナル光子およびアイドラ光子を分離する分離用フィルタ１０４と、分離されたシグナル光子およびアイドラ光子をそれぞれ出力するシグナル光子出力端子１０４Ａおよびアイドラ光子出力端子１０４Ｂとを備える。

２連ポンプ光パルス光源１０１が出力する２連ポンプ光パルス（図２（ａ））が時間幅Δｔ_p、光周波数ｆ_pである場合にシリコン導波路１０２が発生する量子もつれ光子対（図２（ｂ））について説明する。２連ポンプ光パルスがシリコン導波路１０２に入力されると、各時間位置のポンプ光パルスに基づいて、自然放出四光波混合過程により２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子から構成される量子相関光子対が発生する。

そして、｜ｔ_k＞を時刻ｔ_kにおいて光子が１個存在する状態を表すとし、ポンプ光の強度を適切に設定して２連ポンプ光パルス光源１０１が出力した２つのポンプ光パルスに相当する時間位置ｔ₁およびｔ₂の両方において量子相関光子対が発生する確率が十分小さくなるようにすると、量子相関光子対が重ね合わされて、近似的に次式で表すことのできる時間位置に関する量子もつれ光子対がシリコン導波路１０２内で発生する。

ここで、添え字ｓおよびｉはシグナル光子およびアイドラ光子の状態であることを表す。また、φは２連ポンプ光パルスの位相差を表す。

本形態に係る量子もつれ光子対発生装置では、自然放出四光波混合過程により量子相関光子対がシリコン導波路内で発生する。たとえば、非特許文献３に報告されているシリコン導波路の非線形屈折率ｎ₂は９×１０^‐18 m²／Ｗ、実効断面積Ａ_effは０．０３３μｍ²である。この値は、上述した光ファイバにおける値と比べて非線形屈折率が高く実効断面積が小さいので、非線形定数γ、ひいては自然放出四光波混合過程により発生するパルス当たりの量子相関光子対数Ｉ_ppが大きくなる。実際にこれらの値を用いて、波長１５５０ｎｍにおいて、ポンプ光としてパルス幅１００ｐｓ、ピークパワー１００ｍＷのパルスを用いて帯域幅２５ＧＨｚの光子対をパルス当たり０．１ペア発生するために必要な導波路長を式（１）により計算すると、約２ｍｍとなる。このように、自然放出四光波混合過程による量子相関光子対発生部としてシリコン導波路を用いると、光ファイバを用いた場合に比べて量子もつれ光子対発生装置の大幅な小型化が可能である。また、量子もつれ光子対発生装置の大幅な小型化が可能であるので、半導体導波路長を適宜長くして所望の量子相関光子対数を得るのに必要なポンプ光パワーを低減することができる。そのため、安価なレーザーを２連ポンプ光パルス光源に用いて低コスト化を図ることができる。

なお、本形態では半導体導波路としてシリコン導波路を用いたが、導波路のコア部分が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、もしくはシリコンゲルマニウム混晶等の単結晶により構成されている単結晶半導体導波路であればよい。単結晶半導体導波路は、光ファイバと比較すると断面積が小さく非線形定数γが大きいので、導波路長を短くして量子もつれ光子対発生装置の小型化を実現できる。クラッド部分としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、ポリイミド等の有機膜、酸化アルミニウム、酸化チタン、樹脂類、水、または空気等が挙げられる。

また、単結晶半導体導波路としては、導波路のコア部分が結晶対称性を有し、２次の非線形光学効果が抑制される半導体物質により構成されているものを用いてもよい。パラメトリック下方変換等、２次の非線形光学効果が副次的に発生して雑音となる可能性を抑制することができる。特に、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶等がこのような物質として適している。

また、単結晶半導体導波路は、その断面寸法が、ポンプ光、シグナル光子、およびアイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすようにすることができる。

また、ポンプ光抑圧フィルタ並びに分離用フィルタ及びシグナル光子出力端子、アイドラ光子出力端子を、単結晶半導体導波路に集積化してもよい。図３に示した量子もつれ光子対発生装置３００は、２連ポンプ光パルス光源１０１と単結晶半導体導波路３１０から構成され、単結晶半導体導波路３１０には、自然放出四光波混合過程が生じる導波路部分３１１と、ポンプ光を選択的に抑圧するポンプ光抑圧フィルタ３１２と、シグナル光子とアイドラ光子を分離する分離用フィルタ３１３と、分離されたシグナル光子およびアイドラ光子をそれぞれ出力するシグナル光子出力端子３１３Ａおよびアイドラ光子出力端子３１３Ｂとが集積化されている。

また、２連ポンプ光パルス光源１０１が出力する光周波数のパルス間の位相差φは安定している必要があることに留意されたい。そうでないと、式（３）からも分かるように量子もつれ光子対の位相が安定せず、量子もつれ光子対と言えるものではなくなってしまう。

また、ポンプ光源として、２連ポンプ光パルス光源ではなく、光周波数がｆ_pであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている多数の連続ポンプ光パルスを出力する連続ポンプ光パルス光源を用いてもよい。Ｎ個の連続するポンプ光パルス間の位相関係が定まっているとすると、単結晶半導体導波路の出力より次式に示す時間位置に関する高次の量子もつれ状態を得る。

ここで、φ_kは時刻ｔ_kにおける光子対生成に寄与したポンプ光パルスの位相である。ポンプ光源として、光周波数がｆ_pの連続光を出力する連続光源を用いてもよく、その場合は連続的な時間位置に関する量子もつれ状態を発生することができる。

また、分離用フィルタは、波長によりシグナル光子およびアイドラ光子を分離するものであり、たとえば誘電体多層膜フィルタ、ファイバブラッググレーティング、アレイ導波路格子等を使用することができる。

（形態２）
図４は、本発明の形態２に係る量子もつれ光子対発生装置を示している。量子もつれ光子対発生装置４００は、ポンプ光源４０１と、偏波コントローラ４０２と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４０３、光ファイバ４０４、４０５およびシリコン導波路４０６から構成されるループと、ポンプ光抑圧フィルタ１０３と、分離用フィルタ１０４とを備える。

ポンプ光源４０１から出力された光周波数ｆ_pのポンプ光は、偏波コントローラ４０２により４５°の直線偏波に調整され、ＰＢＳ４０３を介してループに入力される。ＰＢＳ４０３の第１の端子４０３Ａに入力されたポンプ光はＰＢＳ４０３により縦（Ｖ）偏波および横（Ｈ）偏波に分離され、それぞれ第２の端子４０３Ｂ、光ファイバ４０４および第３の端子４０３Ｃ、光ファイバ４０５を介して半導体導波路４０６に入力される。ＨおよびＶ偏波のポンプ光は、シリコン導波路４０６中を伝搬する際に、自然放出四光波混合によりそれぞれ量子相関光子対｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iおよび｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iの状態を発生する。ここで、｜Ｘ＞_vはＸ（＝｛Ｈ，Ｖ｝）偏波の光子がモード_y（＝｛ｓ，ｉ｝）に１個存在する状態を示す。光周波数ｆ_sのシグナル光子と光周波数ｆ_iのアイドラ光子は、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす。

発生した量子相関光子対｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iおよび｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iの状態は、光ファイバ４０４および４０５を介して再びＰＢＳ４０３に入力され、そこでコヒーレントに重ね合わされる。ポンプパルス強度を調整して、量子相関光子対｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞_iと｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iが同時に発生する確率を十分小さくすることにより、近似的に次に示す偏波に関する量子もつれ光子対の状態が得られる。

発生した量子もつれ光子対は、偏波ビームスプリッタの第４の端子４０３Ｄを通してループから出力され、ポンプ光抑圧フィルタ１０３を透過させることにより残留しているポンプ光成分が抑圧される。その後、分離用フィルタ１０４に入力されてシグナル光子とアイドラ光子が分離され、それぞれが出力される。このようにして、偏波に関する量子もつれ光子対の発生が可能となる。

本形態に係る量子もつれ光子対発生装置では、形態１と同様に、自然放出四光波混合過程により量子相関光子対がシリコン導波路内で発生する。したがって、光ファイバを用いる場合と比べて非線形屈折率が高く実効断面積が小さいので、非線形定数γ、ひいては自然放出四光波混合過程により発生するパルス当たりの量子相関光子対数Ｉ_ppが大きくなり、量子もつれ光子対発生装置の小型化および低コスト化が図れる。

なお、本形態では半導体導波路としてシリコン導波路を用いたがこれに限定されないのは形態１と同様である。

また、偏波コントローラとしては、２分の１波長板と４分の１波長板を組み合わせたもの等を用いることができる。

（形態３）
図５は、本発明の形態３に係る量子もつれ光子対発生装置を示している。量子もつれ光子対発生装置５００は、ポンプ光源５０１と、偏波コントローラ５０２と、光サーキュレータ５０３と、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５０４、偏波保持ファイバ５０５、５０６、および半導体導波路５０７から構成されるループと、ポンプ光抑圧フィルタ１０３と、分離用フィルタ１０４とを備える。

ポンプ光５０１から出力された光周波数ｆ_pのポンプ光は、偏波コントローラ５０２により４５°の直線偏波に調整され、光サーキュレータ５０３の第１の端子５０３Ａに入力される。光サーキュレータの第２の端子５０３Ｂから出力されたポンプ光は、ＰＢＳ５０４の第１の端子５０４Ａに入力され、ＰＢＳ５０４により縦（Ｖ）偏波成分と横（Ｈ）偏波成分に分離される。ＶおよびＨ偏波成分は、ＰＢＳ５０４の第２の端子５０４Ｂおよび第３の端子５０４Ｃから出力され、それぞれ屈折率固有軸が偏波面に一致するように軸方向を調整された偏波保持ファイバ５０５および５０６に入力される。偏波保持ファイバ５０５および５０６は、屈折率固有軸に平行な偏波面の光がシリコン導波路５０７のＴＭモードにカップルするよう軸方向を調整され、シリコン導波路５０７に接続される。すなわち、ＰＢＳ５０４から出力されたＶ偏波のポンプ光は、半導体導波路５０７のＴＭモードにカップルされ、同様に、ＰＢＳ５０４から出力されたＨ偏波のポンプ光もシリコン導波路５０７のＴＭモードにカップルされる。シリコン導波路５０７を右方向に伝搬するポンプ光は、自然放出四光波混合により量子相関光子対｜ＴＭ＞_sr｜ＴＭ＞_irの状態を発生する。ここで、｜ＴＭ＞_srは右周り（ｒ）方向にシグナル光子がＴＭモードに１個ある状態を、｜ＴＭ＞_irは右周り（ｒ）方向にアイドラ光子がＴＭモードに１個ある状態を表す。同様に、半導体導波路５０７を左方向に伝搬するポンプ光は、自然放出四光波混合により｜ＴＭ＞_si｜ＴＭ＞_siの状態を発生する（添え字ｌは左方向を表す。）。ＴＭモードにある量子相関光子対｜ＴＭ＞_sr｜ＴＭ＞_irは、偏波保持ファイバ５０６の屈折率固有軸にカップルされ、Ｈ偏波状態でＰＢＳ５０４に第３の端子５０４Ｃから入力される。すなわち、ＰＢＳ５０４への入力の時点で、｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iで記述される状態に変換されている。同様に、状態｜ＴＭ＞_sl｜ＴＭ＞_ilは偏波保持ファイバ５０５の屈折率固有軸にカップルされ、Ｖ偏波の量子相関光子対｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iに変換されて第２の端子５０４ＢからＰＢＳ５０４に入力される。量子相関光子対｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iおよび｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iは、ＰＢＳ５０４において重ね合わされる。ポンプ光パルス強度を調整して、量子相関光子対｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iと｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iが同時に発生する確率を十分小さくすることにより、近似的に次に示す偏波に関する量子もつれ光子対の状態が得られる。

発生した量子もつれ光子対は、ＰＢＳ５０４の第１の端子５０４Ａから出力された後、光サーキュレータ５０３の第２の端子５０３Ｂに入力され、第３の端子５０３Ｃより取り出される。取り出された量子もつれ光子対は、ポンプ光抑圧フィルタ１０３を透過させることにより残留しているポンプ光成分が抑圧される。その後、分離用フィルタ１０４に入力され、シグナル光子とアイドラ光子が分離されて、それぞれが出力される。このようにして、偏波に関する量子もつれ光子対の発生が可能となる。

本形態に係る量子もつれ光子対発生装置では、形態１および２と同様に、自然放出四光波混合過程により量子相関光子対がシリコン導波路内で発生する。したがって、光ファイバを用いる場合と比べて非線形屈折率が高く実効断面積が小さいので、非線形定数γ、ひいては自然放出四光波混合過程により発生するパルス当たりの量子相関光子対数Ｉ_ppが大きくなり、量子もつれ光子対発生装置の小型化および低コスト化が図れる。

なお、本形態では半導体導波路としてシリコン導波路を用いたがこれに限定されないのは形態１および２と同様である。

また、本形態ではシリコン導波路のＴＭモードにポンプ光をカップルさせるとしたが、ＴＥモードにカップルさせてもよい。

また、量子もつれ光子対の取り出し手段として光サーキュレータを用いたが、光カプラ等を用いることができる。

（形態４）
従来技術のように光ファイバを非線形光学媒質として用いた場合、ポンプ光が自然放出四光波混合過程だけでなく自然放出ラマン散乱過程を誘起し、それにより発生した雑音光子により量子もつれ光子対の品質が劣化する問題があった。これは、通常の光ファイバを構成する石英ガラス（ｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａ）のアモルファス性により光ファイバのラマン散乱スペクトラムが連続的かつ広帯域なものになるため、シグナル光子またはアイドラ光子の波長チャネルへの自然放出ラマン散乱光子の混入を避けることは大変困難であることに起因する。光ファイバを冷却することにより自然放出ラマン散乱による雑音光子を抑圧することができることが報告されているが（非特許文献２参照）、この方式においては光ファイバの冷却装置が必要であり、装置の更なる大型化・高コスト化につながる。

本形態に係る量子もつれ光子対発生装置では、分離用フィルタ１０４、３１３の光周波数をラマン散乱ピークと異なるように配置することでこの問題を解決する。単結晶半導体導波路は、比較的狭帯域のラマン散乱スペクトラムを持つ。例えば単結晶シリコン導波路では、ポンプ光周波数から約１５．６ＴＨｚ離れた周波数において常温で帯域１０５ＧＨｚ程度の自然放出ラマン散乱が観測されている（非特許文献４参照）。このラマン散乱ピークの周波数位置に分離用フィルタ１０４、３１３の光周波数を配置すると、自然放出ラマン散乱により発生した量子相関を持たない光子がシグナル光子およびアイドラ光子のチャネルに混入し、雑音となる。そこで、分離用フィルタ１０４、３１３の光周波数をラマン散乱ピークと異なるように配置すると、光ファイバを非線形媒質として用いた場合と異なり、非線形媒質の温度制御を行わずとも、自然放出ラマン散乱による雑音光子のない、純度の高い量子もつれ光子対の発生が可能となる。

（形態５）
形態１において説明したような、導波路断面寸法がポンプ光、シグナル光子、およびアイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすように設計された単結晶半導体導波路においては、通常導波路寸法が数１００ｎｍのオーダーである。これは、一般的なシングルモード光ファイバのコア径に比べて非常に小さいため、光ファイバからの出射光をその単結晶半導体導波路に入力したり、その単結晶半導体導波路からの出力光子を光ファイバに入力することが大変困難であり、多くの場合大きな損失を伴う。

そこで、単結晶半導体導波路の両端にスポットサイズ変換構造を設けることにより、単結晶半導体導波路とポンプ光源等の他の装置とを、光ファイバを用いて低い挿入損失で光学的に接続することが可能となる。これにより、より低いポンプ光強度による量子もつれ光子対の発生が可能となり、コストを低減できる。また、発生した量子もつれ光子対を、効率よく導波路外に取り出して使用することができる。

スポットサイズ変換構造としては、例えば半導体導波路の両端の一部分が、単結晶半導体導波路の基板と平行な方向、基板と垂直な方向、または基板と平行な方向および垂直な方向の両方の方向に対して漸次狭くなっていることを特徴とする構造を用いることができる。

形態１に係る量子もつれ光子対発生装置を示す図である。ポンプ光パルスおよび量子もつれ光子対を説明するための図である。形態１に係る量子もつれ光子対発生装置の変形形態を示す図である。形態２に係る量子もつれ光子対発生装置を示す図である。形態３に係る量子もつれ光子対発生装置を示す図である。

１００、３００量子もつれ光子対発生装置
１０１２連ポンプ光パルス光源
１０２シリコン導波路
１０３、３１２ポンプ光抑圧フィルタ
１０４、３１３分離用フィルタ
１０４Ａ、３１３Ａシグナル光子出力端子
１０４Ｂ、３１３Ｂアイドラ光子出力端子
３１０単結晶半導体導波路
３１１導波路部分
４００、５００量子もつれ光子対発生装置
４０１、５０１ポンプ光源
４０２、５０２偏波コントローラ
４０３、５０４偏波ビームスプリッタ
４０３Ａ、５０４Ａ第１の端子
４０３Ｂ、５０４Ｂ第２の端子
４０３Ｃ、５０４Ｃ第３の端子
４０３Ｄ第４の端子
４０４、４０５光ファイバ
４０６、５０７シリコン導波路
５０３光サーキュレータ
５０３Ａ第１の端子
５０３Ｂ第２の端子
５０３Ｃ第３の端子
５０５、５０６偏波保持光ファイバ

Claims

偏波に関する量子もつれ対を出力する量子もつれ対光子対発生装置であって、
光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光源が出力したポンプ光が入力され、前記ポンプ光の偏波を４５°の直線偏波に調整する偏波コントローラと、
前記偏波コントローラにより調整された前記ポンプ光が第１の端子に入力され、縦偏波成分を第２の端子から、横偏波成分を第３の端子から出力する偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタが出力した前記縦偏波成分が入力され、前記縦偏波成分の偏波面を調整する第１の偏波保持光ファイバと、
前記偏波ビームスプリッタが出力した前記横偏波成分が入力され、前記横偏波成分の偏波面を調整する第２の偏波保持光ファイバと、
前記第１および第２の偏波保持光ファイバが出力した前記縦偏波成分および前記横偏波成分が入力され、前記縦偏波成分および前記横偏波成分のそれぞれに基づいて、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子から構成される量子相関光子対を自然放出四光波混合過程により発生する単結晶半導体導波路と、
前記縦偏波成分および前記横偏波成分に基づく前記量子相関光子対がそれぞれ前記第３の端子および前記第２の端子から前記偏波ビームスプリッタに入力され、前記偏波ビームスプリッタにおいて重ね合わされて形成された前記偏波ビームスプリッタの第１の端子から出力される量子もつれ光子対を取り出す取り出し手段と、
前記取り出し手段により取り出される前記量子もつれ光子対より、前記ポンプ光を選択的に抑圧するポンプ光抑圧フィルタと、
前記ポンプ光抑圧フィルタにより前記ポンプ光が抑圧された前記量子相関光子対から前記シグナル光子および前記アイドラ光子を分離してそれぞれを出力する分離出力手段と
を備え、
前記第１の偏波保持光ファイバは、前記偏波ビームスプリッタの前記第２の端子から出力される縦偏波成分の偏波面を、前記単結晶半導体導波路の屈折率固有軸に一致するように調整して前記単結晶半導体導波路に入力し、かつ前記単結晶半導体導波路から出力される前記屈折率固有軸に一致した偏波状態の光を、縦偏波として前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に入力し、
前記第２の偏波保持光ファイバは、前記偏波ビームスプリッタの前記第３の端子から出力される横偏波成分の偏波面を、前記単結晶半導体導波路の前記屈折率固有軸に一致するように調整して前記単結晶半導体導波路に入力し、かつ前記単結晶半導体導波路から出力された前記屈折率固有軸に一致した偏波状態の光を、横偏波として前記偏波ビームスプリッタの前記第３の端子に入力することを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が結晶対称性を有し、２次の非線形光学効果が抑制される半導体物質により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
前記分離出力手段は、前記ポンプ光が前記単結晶半導体導波路中でラマン散乱されることにより発生する散乱光のピーク周波数とは異なる光周波数の光子を分離して出力するフィルタであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
前記単結晶半導体導波路の断面寸法は、前記ポンプ光、前記シグナル光子、および前記アイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
前記単結晶半導体導波路の両端の一部が、前記単結晶半導体導波路の基板と平行な方向、前記基板と垂直な方向、または前記基板と平行な方向および垂直な方向の両方の方向に対して漸次狭くなっていることを特徴とする請求項５に記載の量子もつれ光子対発生装置。
前記取り出し手段は、光サーキュレータであることを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。