JP5434440B2 - 量子もつれ光子対発生装置 - Google Patents

Description

本発明は量子もつれ光子対発生装置に関し、例えば、量子暗号、量子コンピュータなど、光子の量子力学的相関を利用した量子情報通信システムに適用し得るものである。

近年、量子暗号、量子コンピュータなど、量子力学レベルでの物理現象を利用した量子情報通信技術が注目を浴びている。中でも量子暗号は、暗号化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として注目を浴びており、特に活発な研究開発がなされている。

量子力学的相関を有する光子対、すなわち、量子もつれ光子対は、光子の非局所性を応用した高度な量子情報通信システムを実現するための重要な要素である。

従来より用いられてきた量子もつれ光子対を発生する手法の一つは、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換を用いる方法である。

特許文献１には、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶を用いた量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＢＢＯ結晶を直列に配置し、その中心に１／２波長板を配置する。これに直線偏波で波長３５１．１ｎｍの励起光（ポンプ光）を入力する。自然パラメトリック下方変換過程により、それぞれのＢＢＯ結晶から、励起光波長の２倍の波長（７０２．２ｎｍ）の相関光子対（シグナル光（信号光）、アイドラー光と呼ばれる）が出力される。励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が２つのＢＢＯ結晶の両方から同時に発生する確率は低く、どちらか一方から発生するとした場合、この装置から発生する相関光子対の状態は、一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態と、もう一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態との重ねあわせで与えられる。これら２つのＢＢＯ結晶から出力される相関光子対は、２つのＢＢＯ結晶の間に１／２波長板を配置し、励起光入力端に近い前段のＢＢＯ結晶から発生した相関光子対の偏波が装置出力端で９０°だけ回転する構成となっているために、偏波直交している。結果、このシステムから、偏波量子もつれ光子対が発生される。

上記と類似な構成で波長７００ｎｍ−８００ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生させた例が他にも多く報告されている。

一方、光ファイバの最小吸収損失波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生できれば、既存の商用光ファイバを用いて量子情報通信システムの長距離化が期待でき、産業応用上、特に有用である。

特許文献２には、同じく２次非線形光学媒質の一種である、周期的分極反転ＬｉＮｂＯ_３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ_３、以下、ＰＰＬＮと略する）導波路を用いた、波長１５５０ｎｍ帯での量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＰＰＬＮ導波路と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いたファイバーループ構造を有している。２つのＰＰＬＮ導波路は光学軸が直交するように配置されている。ＰＢＳを介して波長７７５ｎｍで４５°偏波した励起光（フェムト秒パルス）を入力する。特許文献１の場合と同様に、２つのＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５５０ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。さらにまた、特許文献１の場合と同様に、励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が、両方のＰＰＬＮ導波路から同時に発生せず、どちらか一方から発生すると、この装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。

また、非特許文献１には、ＰＢＳと単一のＰＰＬＮ素子を用いた波長１５５０ｎｍ帯量子もつれ光子対発生装置について記載されている。ここでは、ＰＢＳとＰＰＬＮ素子を結ぶ偏波保持光ファイバにおいて、その一箇所で９０°光軸変換箇所が設けられている（これはファイバ融着などによって容易に実現できる）。ＰＢＳを介して波長７７６ｎｍで４５°偏波した励起光を入力する。ＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５４２ｎｍ及び１５６２ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。励起光強度が十分弱い場合、これら相関光子対はループを時計回りに伝播する励起光か、ループを反時計回りに伝播する励起光のどちらか一方からしか発生しないとすると、装置から発生する相関光子対の状態は、ループを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。

特開２００３−２２８０９１ 特開２００５−２５８２３２

"Ｓｔａｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｌｅｃｏｍ−ｂａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ， ｐｕｌｓｅ−ｐｕｍｐｅｄ， ｓｈｏｒｔ ＰＰＬＮ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ" Ｈ．Ｃ．Ｌｉｍ， Ａ．Ｙｏｓｈｉｚａｗａ， Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ， ａｎｄ Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， Ｎｏ，１７， ｐｐ．１２４６０−１２４６８， ２００８．

従来の技術において、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、以下、ＳＰＤＣと略することもある）に基づいてシグナル光、アイドラー光の相関光子対を発生させ、また、それに基づいて量子もつれ光子対発生装置を構成しようとした場合、その装置構成上で、ＳＰＤＣ過程を生じさせる２次非線形光学媒質とともに、発生させるもつれ光子対の波長のおよそ半分の波長の励起光源が必須の構成要素であった。つまり、例えば、光ファイバ通信で利用されるのに適した波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対発生装置を実現しようとした場合、波長７７５ｎｍ帯の励起光源がその構成要素として必須であった。

この場合、下記のような課題がある。

特許文献２や非特許文献１に記載の方法において、量子もつれ光子対発生装置を実現する場合、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、波長７７５ｎｍ帯とその２倍波長の波長１５５０ｎｍ帯という、大きく異なる波長帯でともに動作する“特別に設計された”光部品である必要がある。

さらにまた、ＰＢＳやＰＰＬＮ素子、装置外部への光出力のための光ファイバなどの各種光部品の光結合のために、光学レンズなどの光結合部品が必要となるが、これら光学レンズなどもまた、波長７７５ｎｍ帯及び１５５０ｎｍ帯の双方で光結合が得られるような焦点距離の設計など、特殊な部品設計が必要となる。また、反射防止のための無反射コートもその両波長で対応する必要が生じる。

すなわち、従来技術においては、波長がおおよそ２倍異なる励起光、相関光子対の両方で動作する特殊な光部品を用意する必要があった。このことは、装置の作製コストが増加する一因となる。

さらにまた、一般的に言えば、大きく波長の異なる光に対して同等な特性が得られる設計は、その一方にのみ最適化された設計ほどの良好な特性は期待できない。具体的に言えば、例えばＰＢＳにおける偏波消光比や、レンズ系の結合効率などで、一方の波長（例えば１５５０ｎｍ帯）で最適な特性が得られるように用意された設計に比べれば、特性的には劣ることになる。つまりその分、ＰＰＬＮ素子への励起光入力や、相関光子対の出力などにおいて、過剰損失の増加などを犠牲にした装置設計となる。

一方、量子もつれ光子対を用いた量子情報通信システムは、タイムスロット当りの平均光子（対）数が１以下の、ごく微弱光（単一光子（対）、あるいはそれ以下に近い状態）を扱うシステムであり、ゆえにこのような過剰損失等が多く見込まれるシステム構成は、システム性能を阻害し、好ましいものではない。

さらに言えば、例えば１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生する装置を提供する上で、先に述べた１５５０ｎｍ帯で動作する受動光学部品だけではなく、そこで用いる励起光源などの能動光部品さえも１５５０ｎｍ帯レーザや光増幅器で対応できれば、既存の商用光通信システムで使用されている、信頼性が高く、低価格で、かつ制御性に優れた光部品を用いて装置提供できるため、実用上有用である。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、その目的とする所は、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。

本発明の量子もつれ光子対発生装置は、（１）偏波保持のループ光路と、（２）第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、（３）第１の２次非線形光学媒質と第２の１／２波長板と第２の２次非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、上記ループ光路を時計回りに伝播する第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、（４）偏波面が直交する、上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを偏波面が直交するように合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、（５）上記光変換生成手段へ入力される際の上記第１の分波励起光の偏波面と上記第２の分波励起光の偏波面とを揃えることと、上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への、上記第１の自然パラメトリック下方変換光と上記第２の自然パラメトリック下方変換光との偏波面が直交する合波出力を実行させることを少なくとも実現させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光について偏波方向を操作する、上記ループ光路に介在された偏波面操作手段とを備え、（６）上記第１の２次非線形光学媒質は、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、上記第２の２次非線形光学媒質が発生する上記ループ光路の時計回りに伝播する第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、（７）上記第２の２次非線形光学媒質は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する上記第２の光第２高調波を発生させ、かつ、上記第１の２次非線
形光学媒質が発生する上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって反時計回りに伝播する上記第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、（８）上記第２の１／２波長板は、上記第１又は第２の２次非線形光学媒質の一方から出力され、上記第１又は第２の２次非線形光学媒質の他方へ入力される上記第１又は第２の分波励起光の偏波面を９０°だけ回転させて出力し、（９）上記第１及び第２の光第２高調波と、上記第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光とが、上記ループ光路中に配置された上記第１又は第２の２次非線形光学媒質中において生成することを特徴とする。

本発明の量子もつれ光子対発生装置によれば、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる。

第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。 図１の偏波分離合成モジュールの第３入出力端からの励起光の偏波方向と、第１の１／２波長板の光軸方向との関係を示す説明図である。 図１の光変換生成部の各構成要素における光軸方向の説明図である。 図１の偏波分離合成モジュールの各入出力端と、各光の入出力関係を模式的に示した説明図である。 第１の実施形態に係る変形実施形態（１）の構成を示す構成要素の配置図である。 第１の実施形態に係る変形実施形態（２）の構成を示す構成要素の配置図である。 図１の光変換生成部に置き換わる他の光変換生成部の構成例を示す説明図である。 第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。 図８の非相反偏波面変換部における構成要素の光学軸方向の関係を示す説明図である。 第２の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。 第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。 図１１の第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板の光学軸方向の説明図である。 第３の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。 第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。 第４の実施形態における、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。

図１において、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０は、偏波分離合成モジュール１０１と、その２つの入出力端とを含んで構成されるサニャツク干渉計型の光ループＬＰと、この光ループＬＰの光路上に設置された、第１の１／２波長板１０４と光変換生成部１００とを少なくとも備えている。光変換生成部１００は、第１の２次非線形光学媒質１０２、第２の１／２波長板１０５、第２の２次非線形光学媒質１０３とで構成されている。第１の１／２波長板１０４は、光変換生成部１００と偏波分離合成モジュール１０１の一方の入出力端（図１の例では第３入出力端１０１−３）を結ぶ光路上に設置されている。また、第２の１／２波長板１０５は、第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２、１０３の間に設置されている。

さらにまた、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０は、励起光を上記光ループＬＰの光路中に入力し、また、上記光ループＬＰから出力される所望とする量子もつれ光子対波長成分のみを選択的に抽出して出力するための光入出力用光部品として、光サーキュレータ１０６、光ローパスフィルタ１０７及びＷＤＭ（波長分割多重化；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）フィルタ１０８を備えている。

この光ループＬＰは、偏波保持光学系で構成されるのが望ましい。そのために、光ループＬＰを構成する偏波分離合成モジュール１０１、第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３、第１及び第２の１／２波長板１０４及び１０５の光学軸の関係は、後述するような特別の配慮を持って構成されている。

また、この光ループＬＰは、各光学部品を光結合レンズのみを用いて空間的に結合することで実現しても良く（すなわち、光ファイバを利用しないで実現しても良く）、また、偏波保持光ファイバが結合されて光モジュールとして提供されているものを用いて構成しても良い。また、偏波保持光ファイバではなく、通常の偏波保持性を有しない光ファイバが結合されている光モジュールを用いた場合でも、適宜偏波面コントローラなどの付加光部品を用いることで、擬似的に偏波保持光学系を構成することでも実現できる。

ここで、入力励起光波長をλｐであるとする。この波長λｐは、所望する量子もつれ光子対波長の近傍の波長とする。すなわち、所望する量子もつれ光子対波長帯が１５５０ｎｍであるならば、λｐは１５５０ｎｍ近傍の値である。

λｓ、λｉを、所望する量子もつれ光子対のシグナル光、アイドラー光の波長とすると、入力励起光、シグナル光、アイドラー光の波長λｐ、λｓ、λｉは、（１）式のエネルギー保存則に相当する関係を満足する（但し、λｐ、λｓ、λｉはいずれも真空中での波長である）。

偏波分離合成モジュール１０１は、光サーキュレータ１０６の第２出力端１０６−２と結合する第１入出力端１０１−１と、第１入出力端１０１−１に対向する側に備えられた、第２の２次非線形光学媒質１０３の一端を結合する第２入出力端１０１−２と、第１の１／２波長板１０４の一端を結合する第３入出力端１０１−３と、第３入出力端１０１−３に対向する側に備えられた第４入出力端１０４−４を備えている。なお、第４入出力端１０４−４は、この第１の実施形態及び後述する第３の実施形態において、そこからの光の入出力を行うことはないので、例えば、光ファイバピグテール、光コネクタなどの光信号の入出力インターフェイスのための光部品を接続する必要はない。その場合において、第４入出力端１０４−４は、後に詳細に述べる詳細な動作原理の説明のために専ら便宜上設けているだけのものであり、それ自体は第１及び第３の実施形態における必須構成要素ではない。但し、後述する第２及び第４の実施形態においては、後に詳細に述べるように必須構成要素である。

光サーキュレータ１０６は、波長λｐの入力励起光を入力するための第１入力端１０６−１と、第１入力端１０６−１からの入力光を出力し偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１と結合する第２入出力端１０６−２と、第２入出力端１０６−２からの入力光を出力する第３入出力端１０６−３とを備えている。

偏波分離合成モジュール１０１及び光サーキュレータ１０６としては、波長λｐ近傍（λｓ、λｉを含む）でそれぞれ所望の動作を保証できるものを用いれば良い。すなわち、その半波長（λｐ／２）での動作は担保される必要はない。すなわち、波長λｐが１５５０ｎｍ近傍であれば、１５５０ｎｍ帯用の偏波分離合成モジュール、光サーキュレータとして一般的に市販されている光部品で良く、特許文献２や非特許文献１で述べているような、λｐ、λｐ／２の両波長で動作するような“特殊な”偏波分離合成モジュール等である必要はない。

また、以下の説明の便宜のために、偏波分離合成モジュール１０１へ波長λｐの光が入射する場合、入射光の偏波分離合成モジュールの偏波面選択反射面に対する電場ベクトルの振動方向に対応する成分を次のように定義する。すなわち、偏波面選択反射面へ入射する入射光の入射面に平行な方向に電場ベクトルが振動する成分をｐ成分、入射光の入射面に垂直な方向に電場ベクトルが振動する成分をｓ成分と呼ぶこととする。

そして、偏波分離合成モジュール１０１においては、第１入出力端１０１−１から入力されたｐ偏波成分は、第２入出力端１０１−２に出力され、第１入出力端１０１−１から入力されたｓ偏波成分は、第３入出力端１０１−３に出力される。また、第２入出力端１０１−２から入力されたｐ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力され、第３入出力端１０１−３から入力されたｓ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力される。

なお、偏波分離合成モジュール１０１としては、例えば、市販されている偏光ビームスプリッタの中から好適なものを選んで利用することができる。あるいはまた、上記の説明で想定している薄膜を用いたタイプの偏光ビームスプリッタに限定されず、偏波分離合成モジュール１０１は、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いたものであっても良い。

波長λｐの入力励起光は、光サーキュレータ１０６の第１入出力端１０６−１に入力され、第２入出力端１０６−２から出力され、その後、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へと入力され、ｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へと出力される。

第１の実施形態において、上記の偏波分離された入力励起光のｐ偏波成分とｓ偏波成分は、後に述べる理由によって同じ光強度でなければならない。そのために、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されるときの励起光は、ｐ偏波成分強度とｓ偏波成分強度の強度比が１：１であるように偏波調整されていなければならない。このように用意された入力励起光を、この明細書においては「４５°偏波の励起光」と呼ぶ。このような励起光を用意するには、例えば、光サーキュレータ１０６の第１入出力端１０６−１の事前に偏波面コントローラを用意し、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されるときの励起光の偏波状態を、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向から４５°だけ傾いた直線偏波となるように調整すれば良い。

第１及び第２の１／２波長板１０４及び１０５はそれぞれ、波長λｐの光に対して、その直交光軸間での光位相差がπとなる、いわゆる１／２波長板として動作するものである。この明細書においては、以後、特に断りのない限り、「１／ｎ波長板」（ｎ＝２，３，４，…）と呼んだ場合の波長（λ）は励起光波長λｐのことを指す。

第１の１／２波長板１０４の光軸方向は、図２に示すように用意されている。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１において、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光の偏波方向（ｓ偏波）に対して、光軸方向が４５°だけ回転している。すなわち、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光は、第１の１／２波長板１０４を通過した後、偏波方向が９０°だけ回転してｐ偏波方向に一致するものとなる。そして、このｐ偏波方向は、後に詳細に述べるように、第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３の特定の光学軸方向（第１の実施形態で説明する例では、ｚ光軸方向）と合致するように、各光学部品は配置されている。

第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３はそれぞれ、ＰＰＬＮなどの２次非線形光学効果を有する非線形光学媒質である。それぞれの２次非線形光学媒質は、波長λｐの入力励起光を入力すると、その半分の波長（λｐ／２）の光第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ光、以下、ＳＨＧ光と略する）を発生する。この明細書では、後の便宜のため、このＳＨＧ光を、中間ＳＨＧ光と呼ぶこともある。

さらにまた、これら２つの２次非線形光学媒質１０２、１０３は、それぞれ一方の２次非線形光学媒質から発生された上記中間ＳＨＧ光を受け入れて、このＳＨＧ光を種光としたＳＰＤＣ過程により、波長λｓのシグナル光及び波長λｉのアイドラー光の相関光子対を発生する。

以下に述べる第１の実施形態の動作の説明においては、簡便のために、２つの２次非線形光学媒質１０２、１０３に入出力する、入力励起光とそれによって発生する中間ＳＨＧ光は、同一偏波方向の直線偏波であるとする。また同じく、中間ＳＨＧ光とそれによって発生する本件で所望するシグナル光、アイドラー光のＳＰＤＣ相関光子対もまた、同一偏波方向の直線偏波であるとする。このようなことは、例えば、２次非線形光学媒質としてＰＰＬＮを用いた場合、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ_３３成分を、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用し、そのために、中間ＳＨＧ光発生のためにＰＰＬＮ結晶に入力する入力励起光、及びＳＰＤＣ相関光子対発生のためにＰＰＬＮ結晶に入力する中間ＳＨＧ光をｚ軸方向に偏波する直線偏波とし、結果、ＰＰＬＮ結晶から出力される所望するシグナル光、アイドラー光もまたｚ軸方向に偏波する直線偏波とすることで実現できる。

上述の例に従えば、光変換生成部１００を構成する、第１の２次非線形光学媒質１０２、第２の２次非線形光学媒質１０３、並びに、その間に配置された第２の１／２波長板１０５の光軸方向は、図３に示すように用意される。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１において、第２入出力端１０１−２から出力された入力励起光の偏波方向（ｐ偏波）に対して、第１の２次非線形光学媒質１０２及び第２の２次非線形光学媒質１０３のｚ光軸方向が一致している。一方、第２の１／２波長板１０５の光軸方向は、これから４５°だけ回転している。よって、今、一方の２次非線形光学媒質から、入力励起光、後述する本件で必要とはしない過渡的なシグナル光、アイドラー光がｚ軸方向の偏波で出力された場合、これらの光は、第２の１／２波長板１０５にて、それと偏波直交した（すなわち、ｓ偏波）直線偏波へと変換されて、もう一方の２次非線形光学媒質へと入力されることになる。

光ローパスフィルタ１０７は、光サーキュレータ１０６の第３入出力端１０６−３からの出力光のうち、第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３で発生した中間ＳＨＧ光の波長成分（λｐ／２）を除去する。光ローパスフィルタ１０７の通過光の波長成分は、後に詳細に説明する理由により、第１の実施形態においては、理想的にはシグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー波長成分（λｉ）のみであり、励起光波長成分（λｐ）は含まれない。

ＷＤＭフィルタ１０８は、光ローパスフィルタ１０７の通過光のうち、少なくともシグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー光波長成分（λｉ）を別々の光経路に切り分けて出力する。このようなＷＤＭフィルタ１０８としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー光波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。

ＷＤＭフィルタ１０８を通過したシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分は、光ファイバ通信網などの光伝送路を通過した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ、Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。

（Ａ−２）第１の実施形態の動作
以下では、第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３としてＰＰＬＮ結晶を適用し、その２次非線形光学定数のうちｄ_３３成分をＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用するとして、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０の動作を説明する。

偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２及び第３入出力端１０１−３から、それぞれｐ偏波、ｓ偏波で、同じ強度の励起光（波長λｐ）が出力される。ｐ偏波方向と、ＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向が一致するように、第１の２次非線形光学媒質１０２であるＰＰＬＮ結晶を配置する。また同じく、ｐ偏波方向と、ＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向が一致するように、第２の２次非線形光学媒質１０３であるＰＰＬＮ結晶を配置する。

まず、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２からｐ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を考える。

この励起光が入力することで、第２の２次非線形光学媒質１０３において中間ＳＨＧ光が発生する。また、この中間ＳＨＧ光を種光としたＳＰＤＣ過程により、同じＰＰＬＮ結晶（第２の２次非線形光学媒質１０３）内で、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する場合もある。

第２の２次非線形光学媒質１０３から出力される光は、入力励起光、中間ＳＨＧ光、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光である。これらの光は全て、ＰＰＬＮ結晶のｚ軸光軸方向と一致したｐ偏波光である。

第２の２次非線形光学媒質１０３からの出力光は、次に、第２の１／２波長板１０５を通過する。この際、波長がλｐ近傍である励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、偏波が９０°だけ回転してｓ偏波となって、第１の２次非線形光学媒質１０２へ入力される。

一方、波長がλｐ／２である中間ＳＨＧ光に対しては、第２の１／２波長板１０５は単に一波長分の位相差を与えるだけなので、偏波回転は生じない。ゆえに、中間ＳＨＧ光はｐ偏波のままで第１の２次非線形光学媒質１０２へ入力される。

次に、第１の２次非線形光学媒質１０２においては、入力される励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光はｓ偏波であるため、それらによる新たなＳＨＧ光は発生しない。その結果、それらによるＳＰＤＣ過程による第２、第３の過渡的なシグナル光、アイドラー光の光子対もまた発生しない。

一方、中間ＳＨＧ光はｐ偏波で第１の２次非線形光学媒質１０２へ入力されるため、ＳＰＤＣ過程による新規なシグナル光、アイドラー光が発生する。このシグナル光、アイドラー光の光子対が、所望する相関光子対となる。

その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２から出力される光は、その偏波状態において２組に分けて考えられる。すなわち、一組は、入力励起光、第２の２次非線形光学媒質１０３で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光であり、これらはｓ偏波である。また、もう一組は、中間ＳＨＧ光、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた所望するシグナル光、アイドラー光であり、これらはｐ偏波である。

次に、これらの光は、第１の１／２波長板１０４を通過する。その結果、中間ＳＨＧ光以外は９０°だけ偏波回転した後、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力される。

そして、入力励起光、第２の２次非線形光学媒質１０３で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光はｐ偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール１０１のこの第１の実施形態では実用に供していない第４入出力端１０１−４に出力される。一方、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた所望するシグナル光、アイドラー光はｓ偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１に出力される。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール１０１の波長依存性が無視できるならば、中間ＳＨＧ光はｐ偏波で入力されるために、偏波分離合成モジュール１０１の第１の実施形態では実用に供しない第４入出力端１０１−４に出力される。

つまり、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって、この光ループＬＰからは、ｓ偏波であるシグナル光、アイドラー光の所望する相関光子対が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力され、一方、入力励起光、第２の２次非線形光学媒質１０３で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光は偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力される。

次に、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３からｓ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を考える。

励起光はまず、第１の１／２波長板１０４を通過することで９０°だけ偏波回転が生じ、ｐ偏波となる。

この励起光が入力することで、上述した時計回りの励起光の場合と同様に、第１の２次非線形光学媒質１０２において、中間ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ過程による所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。

第１の２次非線形光学媒質１０２から出力される、入力励起光、中間ＳＨＧ光、所望しない過渡的なシグナル光、アイドラー光は、やはりｐ偏波光である。

これら第１の２次非線形光学媒質１０２からの出力光は、次に、第２の１／２波長板１０５を通過し、時計回りの場合と同様に、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光はｓ偏波、中間ＳＨＧ光はｐ偏波となって、第２の２次非線形光学媒質１０３へ入力される。

第２の２次非線形光学媒質１０３においては、上述したと同様に、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光による新たなＳＨＧ光、並びに、ＳＰＤＣ過程による新規の過渡的なシグナル光、アイドラー光は発生しない。

一方、中間ＳＨＧ光による、ＳＰＤＣ過程による新規シグナル光、アイドラー光の光子対は発生する。このシグナル光、アイドラー光の光子対が所望する相関光子対となる。

その結果、第２の２次非線形光学媒質１０３からは、ｓ偏波である、入力励起光、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光、並びに、ｐ偏波である、中間ＳＨＧ光、第２の２次非線形光学媒質１０３で生じた所望するシグナル光、アイドラー光が出力される。

これらの光は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力される。

そして、入力励起光、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光はｓ偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール１０１の第１の実施形態では実用に供しない第４入出力端１０１−４に出力される。一方、第２の２次非線形光学媒質１０３で生じた所望するシグナル光、アイドラー光はｐ偏波で入力されるため、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１に出力される。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール１０１の波長依存性が無視できるならば、中間ＳＨＧ光もｐ偏波で入力されるために、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１に出力される。

つまり、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって、この光ループＬＰからは、ｐ偏波であるシグナル光、アイドラー光の所望する相関光子対、並びに、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた中間ＳＨＧ光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力され、一方、入力励起光、第１の２次非線形光学媒質１０２で生じた過渡的なシグナル光、アイドラー光は偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力される。

非特許文献１と同じように、励起光強度が十分弱い場合、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、シグナル光とアイドラー光の相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したｓ偏波の相関光子対と、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したｐ偏波の相関光子対となる。すなわち、装置から発生する相関光子対の状態は、光ループＬＰを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。

図４は、上述した、偏波分離合成モジュール１０１の各入出力端と、各光の入出力関係を模式的に示した説明図である。図４（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、薄膜１０１Ｒを用いたタイプの偏光ビームスプリッタを用いた場合の模式図であり、図４（Ｂ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いた場合の模式図である。第１の実施形態では、偏光ビームスプリッタ及び偏光プリズムのいずれを用いても良い。

図４に示すように、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１からは、所望の偏波もつれ光子対成分（シグナル光、アイドラー光）及び光ループを反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間ＳＨＧ光成分が出力される。一方、強い入力励起光成分、時計回りの中間ＳＨＧ光成分、並びに、過渡的に発生したシグナル光成分、アイドラー光成分は、原理的には偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力される。

すなわち、所望の偏波もつれ光子対が出力される入出力端（偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１）からは、光強度が強く、またもつれ光子対と波長が近傍した、入力励起光成分、並びに、不要な過渡的なシグナル光・アイドラー光は、理想的には出力されない。

偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１からの出力光は、光サーキュレータ１０６の第２入出力端１０６−２に入力され、第３入出力端１０６−３に出力される。但し、ここでは、光サーキュレータ１０６の波長依存性を取りあえず無視する。

光サーキュレータ１０６の第３入出力端１０６−３からの出力光は、まず、光ローパスフィルタ１０７を通過することにより、波長λｐ／２のＳＨＧ光成分（反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間ＳＨＧ光成分）が除去される。

次に、ＷＤＭフィルタ１０８によって、シグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー光波長成分（λｉ）を別々の光経路に切り分けて出力する。このようなＷＤＭフィルタ１０８としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー光波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。ＷＤＭフィルタ１０８を通過したシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分は、光ファイバ通信網などの光伝送路を通過した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ、Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。

以上のように、第１の実施形態においては、ＳＰＤＣ過程の種光となる、波長λｐ／２の（中間）ＳＨＧ光は、偏波分離合成モジュール１０１の構成する光ループＬＰの外部から供給することなく、光ループＬＰ中に配置された２次非線形光学媒質１０２ないしは１０３内で自律的に生成される。そして、この中間ＳＨＧ光は、２つの２次非線形光学媒質１０２、１０３及び第２の１／２波長板１０５で構成する光路部分以外では不要な光成分である。すなわち、上述した光路以外では、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、偏波分離合成モジュール１０１や光サーキュレータ１０６などは、波長λｐ近傍で所望の動作をするもので良く、波長λｐ／２で動作する必要がないため、従来技術のような特殊な光部品を用いる必要がない。この点は、２次非線形光学媒質へ励起光を入力するためのレンズ系などの結合光学系に関しても言え、すなわち、波長λｐ／２及びλｐの双方で動作する結合系である必要はなく、λｐでのみ動作する結合系で良い。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を実現することができる。

さらに言えば、波長λｐ／２の中間ＳＨＧ光は、２つの２次非線形光学媒質内以外では不要な光成分であるため、偏波分離合成モジュール１０１や結合レンズ系で多大な光損失を受けてもなんら問題はなく、むしろその場合、後段の光ローパスフィルタ１０７で必要とされるＳＨＧ光成分除去のためのフィルタ透過特性への負荷が小さくなり、望ましい。

さらにまた、第１の実施形態においては、所望する量子もつれ光子対が光ループＬＰ外へ出力される光出力端（偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１）からは、所望する量子もつれ光子対と波長近傍し、かつ、所望する量子もつれ光子対と同等あるいはそれ以上の光強度を有する、入力励起光成分や過渡的なシグナル光、アイドラー光といった光成分が、原理的には出力されることがない。

ゆえに、所望する量子もつれ光子対の出力端に、光強度の強い入力励起光成分の漏れ光成分が混在することがないため、所望する量子もつれ光子対の波長が入力励起光波長に十分近い場合でも動作させることができる。原理的に言えば、同一とすることもできる（すなわち、λｓ＝λｉ＝λｐ）。

このことは、発生する量子もつれ光子対の有する全波長帯域をより有効に活用するという点で、実用上有用である。特に、波長が同じ相関光子対（すなわち、λｓ＝λｉ）であるとき、波長に関しても光子の識別不可能性が生じ、これも高度な量子情報通信技術にとって望ましい。また、量子もつれ光子対の有する全波長帯域を狭くするような構造上の工夫を施した２次非線形光学媒質を用いて、単位波長辺りのもつれ光子対発生効率が高い、高効率量子もつれ光子対発生などにも有用となる。

第１及び第２の２次非線形光学媒質１０２及び１０３としては、所望の量子もつれ光子対の波長に応じて、ＬｉＮｂＯ_３結晶やＰＰＬＮ結晶などのバルク結晶や、それに光導波路構造を作りこんだＰＰＬＮ導波路など様々な２次非線形光学媒質を利用できる。波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を考えた場合、上記特許文献２や非特許文献１で用いられているＬｉＮｂＯ_３結晶は、その代表的な例である。

一方、第１の実施形態を実行するに当たっては、２次非線形光学媒質１０２、１０３内でのＳＨＧ発生とＳＰＤＣ発生を高効率に実行することが、特に産業応用上重要である。そのためにはＳＨＧ発生過程とＳＰＤＣ発生過程のそれぞれにおける、入力励起光とＳＨＧ光との位相整合条件、さらにはＳＨＧ光とシグナル光、アイドラー光との位相整合条件が重要である。

バルク結晶を用いた場合、角度整合を用いた位相整合を用いるのが一般的であるが、この場合、特許文献１などにも示されるように、シグナル光とアイドラー光との空間的分離により、量子もつれ状態の純度が劣化するのが問題となる。

一方、強誘電体の周期的分極反転構造など、２次非線形光学係数が空間的に変調された構造を用いると、角度整合に依らず擬似的な位相整合条件を実現することができるメリットがある。

さらにまた、光導波路構造を作り込んだ２次非線形光学媒質では、上述のような空間分離の問題を改善できると共に、強い光閉じ込めによる実効的な２次非線形光学係数の増加により、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生確率を増加できるメリットがある。

上述の理由から、第１の実施形態が意図している、波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を構成する２次非線形光学媒質１０２、１０３としては、ＰＰＬＮ導波路がその最適な一例である。

ＰＰＬＮ導波路におけるＳＨＧ発生過程、ＳＰＤＣ発生過程におけるエネルギー保存則、運動量保存則（すなわち、位相整合条件）は（２）式〜（５）式のようになる。波数及び波長は、ＰＰＬＮ導波路内での実効屈折率ｎを介して（６）式の関係がある。

（２）式及び（４）式はエネルギー保存則に基づく各光成分の波長の関係を表している。すなわち、ＳＨＧ光は入力励起光の半分の波長であり、また、このＳＨＧ光を種光として生成するシグナル光、アイドラー光の光周波数（＝ｃ／λ、ｃは真空中での光速）の和は、ＳＨＧ光の光周波数に等しく、同時にまた入力励起光の光周波数の半分に等しいことを意味する。

（３）式及び（５）式が位相整合に関わる式である。励起光波長λｐと、ＰＰＬＮ導波路形状から実効屈折率ｎ_ｐ、ｎ_ＳＨＧが決定されれば、（３）式及び（６）式に基づいて分極反転周期Λが決定される。

シグナル光、アイドラー光の波長が異なるとした場合（λｓ≠λｐ、λｉ≠λｐ）、一般に（３）式及び（５）式は両立しない。つまり、ＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程の位相整合条件は一般には両立しない。

よく知られた非線形光学効果を記述する結合モード方程式の解から、位相不整合の場合、発生確率は｛ｓｉｎ^２（δＬ／２）｝／（δＬ／２）^２に比例して低下していくと考えられる。ここで、δは（７）式で表されるＳＰＤＣ過程における位相不整合量、ＬはＰＰＬＮ導波路長である。

発生確率の低下が最大値（位相整合下の値）の５０％までを、仮に許容不整合量と仮定すると、｛ｓｉｎ^２（δＬ／２）｝／（δＬ／２）^２＝０．５から≒２．７８となる。これがＳＰＤＣ過程において生じる相関光子対の波長帯域を制限する。すなわち、相関光子対として発生するシグナル光及びアイドラー光の波長範囲を決定する。

また、実効屈折率の波長変化が励起光波長近傍でほぼ線形である場合、すなわち励起光波長近傍での実効屈折率が（８）式で表される範囲では、（４）式、（６）式及び（８）式を用いて、（９）式が得られ、すなわち、この範囲で位相整合条件の（３）式及び（５）式は両立する。

以上の検討から、第１の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１０を実現するためには、まず、ＳＨＧ発生の位相整合条件である（３）式を満足するようにＰＰＬＮ導波路の分極反転周期Λを決定すれば良いことが分かる。その結果、（５）式で示すＳＰＤＣ発生過程における位相整合を満足するか、少なくとも許容範囲のうちの位相不整合量内にある波長組み合わせ（λｓ、λｉ）の相関光子対がＳＰＤＣ過程に基づいて発生し、その結果、所望する量子もつれ光子対が発生できるものと期待できる。

（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１０によれば、以下の効果を奏することが期待できる。

すなわち、従来技術と異なり、ＳＰＤＣ過程の種光となる波長λｐ／２のＳＨＧ光を、偏波分離合成モジュール１０１の形成する光ループＬＰの光路外部から供給することなく、光ループＬＰの光路中に配置された２つの２次非線形光学媒質１０２、１０３自身で発生させる。ここで発生させたＳＨＧ光は、２次非線形光学媒質１０２、１０３以外の光部品で不要な成分であり、すなわち、その他の装置構成部品において、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、装置を構成する、偏波分離合成モジュール、結合レンズなどの光学部品において、波長λｐ、λｐ／２での両方で動作する特殊な光部品を用いる必要がない。また、所望する量子もつれ光子対の出力端において、当該量子もつれ光子対と波長が近傍し、かつ、当該量子もつれ光子対と光強度が同程度あるいはより強い、入力励起光などの不要な光成分が、原理的には混在して出力されることがない。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減できる。また、使用するもつれ光子対の波長帯域を広くとったり、狭くとったりといった、より柔軟な装置設計にも対応でき、かつ高純度な量子もつれ状態を生成できる、量子もつれ光子対発生装置を提供することができる。

（Ａ−４）第１の実施形態の変形実施形態
第１の実施形態に対し、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態を変形した実施形態を種々上げることができる。

図５は、光サーキュレータを用いない構成の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

図５に示す量子もつれ光子対発生装置１０Ａにおいては、ＷＤＭフィルタ１０８としてＡＷＧを用いている。ＡＷＧ１０８として、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー光波長（λｉ）、及び、励起光波長（λｐ）の３波長を透過波長成分として有するＡＷＧを用いる。

ＡＷＧ１０８においては、その透過波長に相当する波長の光を入力する、複数の透過光入出力ポートと、それぞれの透過光入出力ポートに入力された光を合波出力する共通入出力ポートを有する。逆に、共通入出力ポートに入力された光は、それぞれの波長に応じて分波され、それぞれの透過波長に相当する透過光入出力ポートへ分波出力される。

ＡＷＧ１０８の上述した特性を利用して下記のような構成をとる。すなわち、励起光波長に相当する透過光入出力ポートへ励起光を入力し、共通入出力ポートからの出力光を偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力し、図１に示した第１の実施形態と同様にして２次非線形光学媒質１０２、１０３へ入力する。

偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光は、ＡＷＧ１０８の共通入出力ポートへ入力され、シグナル光、アイドラー光がそれぞれ対応する透過光入出力ポートへ出力される。さらに、中間ＳＨＧ波長成分を除去するために、必要であればシグナル光、アイドラー光の透過光入出力ポートに光ローパスフィルタ１０７−ｓ、１０７−ｉを接続して、ＳＨＧ光波長成分を除去する。

図６は、光サーキュレータを用いない構成の他の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

図６に示す量子もつれ光子対発生装置１０Ｂにおいては、波長λｐの波長成分のみを選択的に透過（あるいは反射）する狭帯域な光バンドパスフィルタ１１０を用いる。ここで、シグナル光及びアイドラー光の波長は、光バンドパスフィルタ１１０の透過（又は反射）帯域に掛からないように、励起光波長λｐから十分離れているものとする。

図６では、反射型光バンドパスフィルタ１１０を示している。光バンドパスフィルタ１１０の反射特性を利用して、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ波長λｐの励起光を入力する。偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光のうち、励起光波長成分は、仮に残存成分があっても反射型光バンドパスフィルタ１１０で反射され、その透過ポートへは出力されない。この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、中間ＳＨＧ波長成分を除去するために、光ローパスフィルタ１０７を接続して、中間ＳＨＧ光波長分を除去する。その後、ＷＤＭフィルタ１０８に接続して、シグナル光、アイドラー光をそれぞれ分離出力する。

図７は、光変換生成部の第１の実施形態以外の構成例を示す説明図である。図１に示した第１の実施形態では、光変換生成部１００は、個別部品の第１の２次非線形光学媒質１０２、第２の１／２波長板１０５、第２の２次非線形光学媒質１０３が直列的に配置されて構成されるものであった。図７に示す光変換生成部１００Ｃは、各構成要素を、同一結晶基板上に一括形成したものである。この一括形成構造は、下記の参照文献の３００ページの図７に示される、集積化偏波無依存ＱＰＭ−ＤＦＧ波長変換デバイスの素子構造とほぼ類似の構造である。

参照文献：宮澤信太郎・粟村直 監修、「分極反転デバイスの基礎と応用」、平成１７年６月８日第１版第１刷発行、発行元（株）オプトロニクス社
図７に示す光変換生成部１００Ｃの構造の実現においては、まず、単一のＬｉＮｂＯ_３基板上に、分極反転構造（図７（Ｂ）参照）と導波路構造（図７（Ａ）参照）を形成し、ＰＰＬＮ導波路を形成する。その後、導波路の中心部に第２の１／２波長板１０５を埋め込む。第２の１／２波長板１０５を挟んだ一方のＰＰＬＮ導波路部分が、第１の２次非線形光学媒質１０２と同様な機能を発揮する第１の２次非線形光学媒質部１０２Ｃとなっており、他方のＰＰＬＮ導波路部分が、第２の２次非線形光学媒質１０３と同様な機能を発揮する第２の２次非線形光学媒質部１０３Ｃとなっている。

導波路構造としては、参照文献に記載されているように、ＴＥ、ＴＭ両偏波とも導波するＺｎ拡散導波路を用いても良いが、この変形実施形態の場合、プロトン交換導波路のような、一方の偏波（この場合、ＴＭ偏波）に対してのみ導波路として機能し、それと直交する偏波（ＴＥ偏波）に対しては導波路として機能せず、むしろ大きな挿入損失を生じさせるような導波路とした方が、むしろ効果が大きい。

すなわち、この場合、この変形実施形態のｐ偏波方向とＴＭ偏波方向が合致するが、このとき、一段目の２次非線形光学媒質から出力される入力励起光、並びに、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、二段目の２次非線形光学媒質をＴＥ偏波として伝播することにより、大きな伝播損失を受けることになるためである。すなわち、これらの光は、二段目の２次非線形光学媒質で大きな伝播損失を受けた上に、偏波分離合成モジュール１０１にて所望する量子もつれ光子対と偏波分離されるため、所望する量子もつれ光子対を出力する出力端（偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１）において、より大きな入力励起光、並びに、過渡的なシグナル光、アイドラー光の削減効果を得ることができる。

なお、以上までの説明では、入力励起光、入力励起光によって発生する中間ＳＨＧ光、中間ＳＨＧによって発生するＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向が同一であるとして説明を行った。

しかし、一方、入力励起光、中間ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向が同一でない場合においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることはできる。例えば、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ_３１成分を利用した場合、第１の１／２波長板１０４の配置箇所を、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に近い側とすることで、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図８は、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｄは、第１の実施形態で述べた動作を基本とし、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを、偏波分離合成モジュールの異なる入出力端を介してそれぞれ入出力するものである。

図８において、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｄは、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０４に代えて、ファラデー回転子と１／２波長板とからなる２組の非相反偏波面変換部（光学部品のペア）２１１、２１２を用いている。各非相反偏波面変換部２１１、２１２は、光ループＬＰの光路上で、第１の２次非線形光学媒質１０２、第２の１／２波長板１０５、第２の２次非線形光学媒質１０３とで構成される光変換生成部１００を前後に挟んで配置される。なお、第１の実施形態で用いた光サーキュレータ１０６は、この第２の実施形態では使用されていない。

符号２０７、２０９を付した構成要素はそれぞれ、波長λｐの励起光に対して４５°だけ偏波回転させる第１、第２のファラデー回転子であり、符号２０８、２１０を付した構成要素はそれぞれ、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０４と同様に、波長λｐの光に対していわゆる１／２波長板として動作する、第３、第４の１／２波長板である。

第１のファラデー回転子２０７と第３の１／２波長板２０８のペアで第１の非相反偏波面変換部２１１が構成され、同様に、第２のファラデー回転子２０９と第４の１／２波長板２のペアで第２の非相反偏波面変換部２１２が構成されている。第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２は同様なものである。

各非相反偏波面変換部２１１、２１２における構成要素の光学軸方向の関係は、図９に示すように調整されている。なお、図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１における構成要素の光学軸方向の関係を示しているが、第２の非相反偏波面変換部２１２においても同様である。

第１の非相反偏波面変換部２１１において、第１のファラデー回転子２０７側あるいは第３の１／２波長板２０８側から、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力する。動作の項で詳述するが、この特定偏波方向は、偏波分離合成モジュール１０１におけるｐ偏波方向若しくはｓ偏波方向の一方に一致する。第３の１／２波長板２０８の光学軸は、この特定偏波方向（図９ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように調整されている。

偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、第２の１／２波長板１０５、第２の２次非線形光学媒質１０３、光ローパスフィルタ１０７及びＷＤＭフィルタ１０８は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。

（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｄの動作を説明する。

第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。

以下では、まず、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力され、光ループＬＰを反時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。

偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。このときの第１の非相反偏波面変換部２１１内における偏波状態の変化を、図９（Ａ）を参考にして説明する。

図９（Ａ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光を、右向きの矢印で表している。このｓ偏波励起光が第１のファラデー回転子２０７を通過する。第１のファラデー回転子２０７を通過することによって、図中反時計回りに４５°の偏波回転が生じる。その結果、第１のファラデー回転子２０７からの出力光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。このような偏波方向を有する第１のファラデー回転子２０７からの出力光が第３の１／２波長板２０８を通過する。第３の１／２波長板２０８の偏波方向（光学軸）は、特定偏波方向（ｐ偏波方向）と２２．５°の角をなしている。第３の１／２波長板２０８に入力する光の偏波方向は、ｐ偏波方向に対して４５°の傾きを有するため、第３の１／２波長板２０８の光学軸に対しては２２．５°の角を有し、その結果、第３の１／２波長板２０８からの出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。

このことは、第３の１／２波長板２０８を通過して出力された励起光の偏波方向がｐ偏波方向となっていることを意味する。すなわち、第１の非相反偏波面変換部２１１内を、第１のファラデー回転子２０７、第３の１／２波長板２０８の順番で通過した励起光は、偏波方向が反時計回りに９０°だけ回転される。なお、このような偏波方向の回転は、第２の非相反偏波面変換部２１２でも同様である。このような回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。

第１の非相反偏波面変換部２１１から出力された励起光は、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第１の実施形態と同様に、第２の２次非線形光学媒質１０３から、ｓ偏波の励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。

これらの光は、次に、第２の非相反偏波面変換部２１２に入力される。このとき、励起光、並びに、それと波長が近い過渡的なシグナル光、アイドラー光、並びに、ＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過した場合と同様に、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過することにより、偏波状態が９０°だけ回転される。つまり、励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光はｐ偏波に変換され、所望するＳＰＤＣ相関光子対はｓ偏波に変換される。

その後、以上のように光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた、波長が近い、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、及び、ＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力される。このとき、偏波状態がｓ偏波であるＳＰＤＣ相関光子対は、第４入出力端１０１−４へ出力される。すなわち、最初に励起光が入力された第１入出力端とは異なる第４入出力端から、ＳＰＤＣ相関光子対が出力される。

それに対し、偏波状態がｐ偏波である励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、最初に励起光が入力された入出力端と同じ第１入出力端１０１−１へ出力される。

次に、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力され、光ループＬＰを時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。

偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２を、第３の１／２波長板２１０、第２のファラデー素子２０９の順番に通過する。このときの偏波状態の変化を、図９（Ｂ）を参照しながら説明する。図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１について示しているが、上述したように、第２の非相反偏波面変換部２１２についても同様であり、図９における符号「２０７」を符号「２０９」と、符号「２０８」を符号「２１０」と置き換えて見れば、図９は、第２の非相反偏波面変換部２１２を表している図面と見ることができる。

図９（Ｂ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光はｐ偏波であるから、図中上向きの矢印で表す。このｐ偏波励起光が第４の１／２波長板２１０を通過する。第４の１／２波長板２１０への励起光の偏波方向は、第４の１／２波長板２１０の光学軸と２２．５°の角をなしているため、その結果、第４の１／２波長板２１０の出力光の偏波方向は右斜め上４５°向き矢印の方向で表すことができる。次に、第２のファラデー回転子２０９を通過するとき、反時計回りに４５°だけ回転するため、その結果、第２のファラデー回転子２０９の出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。すなわち、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過してもｐ偏波のままである。

以上のように、第２の非相反偏波面変換部２１２内を、第４の１／２波長板２１０、第２のファラデー回転子２０９の順番で通過した励起光は、偏波方向が回転されない。このような無回転は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも同様である。この無回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。

以上から明らかなように、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過した励起光は、ｐ偏波の励起光として、第２の２次非線形光学媒質１０３に入力される。その結果、第１の実施形態と同様に、第１の２次非線形光学媒質１０２から、ｓ偏波の励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。

これらの光は、次に、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。ここでも、励起光、並びに、それと波長が近い過渡的なシグナル光、アイドラー光、ＳＰＤＣ相関光子対は、偏波状態をそのままに通過する。

その後、以上のように光ループＬＰを時計回りに伝播してきた、波長が近い、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、及び、ＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力される。このとき、偏波状態がｐ偏波であるＳＰＤＣ相関光子対は、第４入出力端１０１−４へ出力される。すなわち、最初に励起光が入力された第１入出力端とは異なる第４入出力端から、ＳＰＤＣ相関光子対が出力される。

そして、その時計回りに伝播してきたＳＰＤＣ相関光子対が入力された第４入出力端は、上述した光ループＬＰを反時計回りに伝播してきたＳＰＤＣ相関光子対が出力される入出力端と同一であるが、時計回りに伝播してきたＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向は、反時計回りに伝播してきたＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向とは直交している。

これに対し、偏波状態がｓ偏波である励起光、及び、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、最初に励起光が入力された入出力端と同じ、第１入出力端１０１−１へ出力される。

すなわち、この第２の実施形態の場合、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から、偏波量子もつれ光子対が発生される。

次に、それぞれの２次非線形光学媒質１０２、１０３から発生した、波長が半分（λｐ／２）の中間ＳＨＧ光が、第１の非相反偏波面変換部２１１、及び、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過するときの偏波状態を考える。まず、１／２波長板は、ＳＨＧ光に対しては１波長板であるので、ここではなんらの偏波回転も生じない。一方、ファラデー回転子においては、波長が励起光の半分であるため、偏波回転角が９０°となる。

すなわち、非相反偏波面変換部（２１１、２１２）は、中間ＳＨＧ光に対しては、ファラデー回転子と１／２波長板をどの順番で通過しても９０°だけ偏波回転を与える（図９（Ｃ）、（Ｄ））。

図１０は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１０に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）とは異なるポート（ここでは第４入出力端１０１−４）から、光ループＬＰを反時計回りに伝播した励起光によって発生した中間ＳＨＧ光成分と共に出力される。

一方、第１の実施形態の場合と同様、このポート（ここでは第４入出力端１０１−４）からは、入力励起光成分、過渡的なシグナル光、アイドラー光成分、並びに、光ループＬＰを時計回りに伝播した励起光によって発生した中間ＳＨＧ光成分は出力されない。これらの光成分は全て、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力される。

その後、第１の実施形態と同様に、光ローパスフィルタ１０７、ＷＤＭフィルタ１０８によって、余分な中間ＳＨＧ光成分、また、場合によっては、残存励起光波長成分を除去した上で、シグナル光、アイドラー光成分を分岐出力させる。

第２の実施形態の構成を、図１に示す第１の実施形態や、図５、図６に示す第１の実施形態に対する変形実施形態の構成と比べれば、次のような違いがある。すなわち、第２の実施形態においては、偏波分離合成モジュール１０１において、励起光の入力ポート（第１入出力端１０１−１）と、所望する量子もつれ光子対が出力されるポート（第４入出力端１０１−４）とが異なり、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはない。その結果、それぞれの入出力端に光アイソレータを設置することで、反射戻り光による装置の動作不安定性の影響を排除でき、より高安定に動作する装置提供が可能となる。

（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１０Ｄによれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、励起光の入力ポートと所望する量子もつれ光子対が出力されるポートが異なる装置構成を実現できる。その結果、それぞれの入出力端に光アイソレータを設置することで、反射戻り光による装置の動作不安定性の影響を排除でき、より高安定に動作する装置提供が可能となる。

（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第３の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ｃ−１）第３の実施形態の構成
図１１は、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

図１１において、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｅは、第１の実施形態と同様な構成に加え、光変換生成部１００と偏波分離合成モジュール１０１を光学的に接続する２箇所の光路のうち、第１の１／２波長板１０４が挿入されていない側の光路に、偏波面変換部３１４を設けたものである。偏波面変換部３１４は、第５の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第６の１／２波長板３１３を縦続接続したものである。

第５の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第６の１／２波長板３１３の光学軸方向は、図１２に示すように選定されている。

偏波面変換部３１４には、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力される。後述するように、この特定偏波方向とは、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向か、ｐ偏波方向の一方に一致する。第５の１／２波長板３１１及び第６の１／２波長板３１３の光学軸は、この特定偏波方向（図中ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように選定されている。一方、１／４波長板３１２の光学軸は、この特定偏波方向と４５°の角をなすように調整されている。

光変換生成部１００、偏波分離合成モジュール１０１、第１の１／２波長板１０４、光サーキュレータ１０６及びＷＤＭフィルタ１０８は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。

（Ｃ−２）第３の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｅの動作を説明する。

第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。

第３の実施形態の後述する特徴的な効果は、偏波面変換部３１４における偏波回転の波長依存性によってもたらされる。以下、図１２を参照しながら、このことを説明する。

図１２（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光（波長λｐ）が、偏波面変換部３１４を通過する際の偏波状態の変化を示している。

偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光（波長λｐ）を、図中上向きの矢印で表している。この励起光が第５の１／２波長板３１１を通過する。第５の１／２波長板３１１の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように選定されている。そのため、第５の１／２波長板３１１から出力される励起光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。

次に、励起光は、１／４波長板３１２を通過する。１／４波長板３１２の光軸方向は、ｐ偏波方向と４５°の角をなすように配置されている。そのため、１／４波長板３１２へ入力される励起光の偏波方向は、１／４波長板３１２の一方の光学軸方向と合致しており、その結果、１／４波長板３１２を通過してもなんらの偏波回転も生じない。

次に、励起光は、第６の１／２波長板３１３を通過する。第６の１／２波長板３１３の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように配置されている。そのため、第６の１／２波長板３１３から出力される励起光の偏波方向は、反時計回りに４５°だけ回転し、すなわち、図中上向きの矢印方向で表される偏波方向の光となって出力される。

すなわち、波長λｐの励起光が、偏波面変換部３１４を通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）を保ったまま出力される。このことは、図１２（Ｂ）に示されるように、励起光が偏波面変換部３１４に逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このような偏波状態の維持は、内部を構成する１／２波長板３１１、３１３や１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されているときに生じる。

次に、励起光の半分の波長（λｐ／２）の中間ＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するときの偏波方向の変換の様子を、図１２（Ｃ）、（Ｄ）を参照しながら説明する。

１／２波長板３１１、３１３、１／４波長板３１２は、波長λｐ／２の中間ＳＨＧ光に対してはそれぞれ、１波長板、１／２波長板として動作する。

従って、第５の１／２波長板３１１に入力されたｐ偏波（上向き矢印）の中間ＳＨＧ光はｐ偏波のまま出力される。

次に１／４波長板３１２を通過するとき、１／４波長板３１２は中間ＳＨＧ光に対しては１／２波長板として動作し、かつ、その光学軸方向が入力偏波方向と４５°の角をなすため、その結果、出力光の偏波方向は９０°だけ回転している（右向き矢印）。

次に、第６の１／２波長板３１３を通過するときには、なんらの偏波方向の回転も生じない。

すなわち、波長λｐ／２の中間ＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）から９０°だけ偏波回転する（ｓ偏波に変換される）。このことは、図１２（Ｄ）に示されるように、中間ＳＨＧ光が逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このことは、内部を構成する１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｓ偏波方向あるいはｐ偏波方向と４５°の角をなすように設定されているときに生じる。

以上の結果をまとめると、次のようになる。すなわち、偏波面変換部３１４を通過するとき、波長λｐの励起光とそれに近い波長のシグナル光及びアイドラー光は偏波回転されないのに対し、波長λｐ／２の中間ＳＨＧ光は９０°だけ偏波回転する。このような偏波方向（偏波面）の変換のために、内部を構成する二つの１／２波長板３１１、３１３とひとつの１／４波長板３１２の光学軸方向が、それぞれ、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向に対して２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されている。

以上の偏波面変換部３１４の変換動作を踏まえて、第３の実施形態の全体動作を説明する。

偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（ｐ偏波）は、偏波面変換部３１４を通過し、偏波変換されずに（ｐ偏波のまま）、第２の２次非線形光学媒質１０３に入力される。その結果、第１の実施形態と同様に、第１の２次非線形光学媒質１０２から、ｓ偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。

これらの光は、次に、第１の１／２波長板１０４に入力され、ＳＤＰＣ相関光子対は９０°だけ偏波回転してｓ偏波になるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光はｐ偏波となる。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、偏波状態がｓ偏波であるＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｐ偏波である入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。

一方、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力され、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（ｓ偏波）は、第１の１／２波長板１０４において９０°だけ偏波回転してｐ偏波へと変換され、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の実施形態と同様に、第２の２次非線形光学媒質１０３から、ｓ偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。

これらの光は、次に、偏波面変換部３１４へ入力され、ＳＤＰＣ相関光子対は偏波回転せずｐ偏波のまま出力されるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光はｓ偏波として出力される。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、偏波状態がｐ偏波であるＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｓ偏波である入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。

ここで、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力されるＳＰＤＣ相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｓ偏波であるのに対し、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｐ偏波であるので、第１の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から、偏波量子もつれ光子対が発生される。

図１３は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１３に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端と同じ入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）から出力されるのに対し、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光成分は、光ループＬＰの伝播方向に関わらず、第４入出力端１０１−４へ出力される。

すなわち、所望する量子もつれ光子対と、それ以外の光成分とは、偏波分離合成モジュール１０１の異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることはない。その結果、第１や第２の実施形態と異なり、中間ＳＨＧ光を除去するための光ローパスフィルタ１０７は原理的に必要ない構成となっている。

また、図示は省略するが、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態に関しては、第１の実施形態に対する変形実施形態（図５、図６）と同様に、ＷＤＭフィルタ１０８として用いるＡＷＧフィルタの双方向入出力特性を利用した構成（図５）や、光バンドパスフィルタ１１０を利用した構成（図６）のような変形実施形態を挙げることができ、このような変形実施形態においても、第３の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（Ｃ−３）第３の実施形態の効果
第３の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１０Ｅによれば、第１、第２の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、原理的にはＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタ１０７が不要となる。また現実には、偏波分離合成モジュール１０１での中間ＳＨＧ光に対する偏波消光比が不十分であっても（本件では、偏波分離合成モジュール１０１は長波長の励起光及びＳＰＤＣ相関光子対に最適化した回路を想定しているため、短波長の中間ＳＨＧ光に対しての偏波消光比は必ずしも保証しない）、少なくとも残留中間ＳＨＧ光成分は第１、第２の実施形態に比べて低下することが期待できるため、少なくとも光ローパスフィルタ１０７の中間ＳＨＧ光成分除去の負荷が低減する効果が期待できる。その結果、装置コストの低下が期待できる。

（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第４の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（Ｄ−１）第４の実施形態の構成
図１４、第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、既述した図１、図８、図１１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。

第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｆは、第２の実施形態の特徴構成と、第３の実施形態の特徴構成とを共に導入し、第２の実施形態における作用効果と、第３の実施形態における作用効果を共に得ることができるようにしたものである。すなわち、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを偏波分離合成モジュールのそれぞれ異なる入出力端を介して入出力する構成を有し、かつ、中間ＳＨＧ光を除去するための光ローパスフィルタが原理的には不要となるものである。

図１４に示す第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｆは、図８に示した第２の実施形態の構成に加えて、第３の実施形態で説明した偏波面変換部３１４を、第２の２次非線形光学媒質１０３と第２のファラデー回転子２０９との間に挿入している。

（Ｄ−２）第４の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１０Ｆの動作を説明する。

第３の実施形態の動作の項で説明したように、偏波面変換部３１４の挿入によっても、波長が近傍する励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じない。

そのため、光ループＬＰを時計回りに伝播する光成分に関して考えれば、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２及び偏波面変換部３１４で偏波面回転しないため、ｐ偏波のまま第２の２次非線形光学媒質１０３に入力され、その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２から、ｓ偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。

そして、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、ＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも偏波回転しないため、入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光は、ｓ偏波のまま偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。一方、ＳＰＤＣ相関光子対は、ｐ偏波のまま偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力される。さらに、中間ＳＨＧ光はｓ偏波に変換されて偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力される。

次に、光ループＬＰを反時計回りに伝播する光成分に関して考えれば、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を第１のファラデー回転子２０７、第３の１／２波長板２０８の順に通過してｐ偏波に変換される。そして、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第２の２次非線形光学媒質１０３から、ｓ偏波の入力励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光と、ｐ偏波の中間ＳＨＧ光、所望するＳＰＤＣ相関光子対が発生される。そして、次に偏波面変換部３１４を通過するが、第３の実施形態で説明した動作により、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光はｓ偏波、ＳＰＤＣ相関光子対はｐ偏波として、偏波面変換部３１４から出力される。

次に第２の非相反偏波面変換部２１２を通過する際、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、全て９０°だけ偏波方向が回転されるため、ｐ偏波、ｐ偏波、ｐ偏波、ｓ偏波として出力される。その結果、ＳＰＤＣ相関光子対は、ｓ偏波で偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力され、一方、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光はｐ偏波として偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力される。

図１５は、励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１５に示すように、所望する量子もつれ光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力される一方、その他の光成分（励起光、過渡的なシグナル光、アイドラー光、中間ＳＨＧ光）は全て第１入出力端１０１−１へ出力される。

すなわち、第４の実施形態においては、第２の実施形態の作用効果である、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とが、偏波分離合成モジュールの異なる入出力端を介してそれぞれ入出力されるという作用効果と、第３の実施形態の作用効果である、所望する量子もつれ光子対と、それ以外の光成分とが偏波分離合成モジュールの異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることがないという作用効果を同時に実現することができる。

（Ｄ−３）第４の実施形態の効果
第４の実施形態によれば、第２及び第３の実施形態の効果を共に得ることができる。

（Ｅ）他の実施形態
上記各実施形態では、２次非線形光学媒質としてＰＰＬＮ結晶を用いた場合を説明したが、本文中にも記載したように、上記各実施形態の効果はＰＰＬＮ結晶以外の２次非線形光学媒質を用いた場合でも生じることができる。また、２次非線形光学媒質としては、バルク結晶、又は光導波路構造を作りこんだＰＰＬＮ導波路のような導波路型デバイスだけでなく、その他様々な形態の２次非線形光学媒質を用いることができる。

また、第１の実施形態や第３の実施形態で用いる第１の１／２波長板１０４が、光ループＬＰの光路中でどのような位置に配置されるかは設計的事項である。すなわち、例えば、２次非線形光学媒質のｄ_１１成分を利用して、各実施形態の効果を得る場合には、第１の１／２波長板１０４を偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第１の２次非線形光学媒質１０２を接続する光路に配置しても良い。すなわち、配置箇所は、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光及び中間ＳＨＧ光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。同様に、第２〜第４の実施形態で記述された偏波面変換部３１４や、第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２に関しても、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光及び中間ＳＨＧ光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。

上記各実施形態では、光ループＬＰが、偏波面保持光ファイバを用いた有線ループになっているものを示しているが、例えば、一部区間が空間的な区間であっても良い。

１０、１０Ａ〜１０Ｆ…量子もつれ光子対発生装置、１００…光変換生成部、１０１…偏波分離合成モジュール、１０２…第１の２次非線形光学媒質、１０３…第２の２次非線形光学媒質、１０４、１０５、２０８、２１０、３１１、３１３…１／２波長板、１０６…光サーキュレータ、１０７、１０７−ｓ、１０７−ｉ…光ローパスフィルタ、１０８…ＷＤＭフィルタ、２０７、２０９…ファラデー回転子、２１１、２１２…非相反偏波面変換部、３１２…１／４波長板、３１４…偏波面変換部、ＬＰ…光ループ。

Claims (11)

1. 偏波保持のループ光路と、
   第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、
   第１の２次非線形光学媒質と第２の１／２波長板と第２の２次非線形光学媒質とが反時計回りにこの順番に直列接続されて構成され、偏波面が直交する、上記ループ光路を時計回りに伝播する第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを生成する光変換生成手段と、
   偏波面が直交する、上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを偏波面が直交するように合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、
   上記光変換生成手段へ入力される際の上記第１の分波励起光の偏波面と上記第２の分波励起光の偏波面とを揃えることと、上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への、上記第１の自然パラメトリック下方変換光と上記第２の自然パラメトリック下方変換光との偏波面が直交する合波出力を実行させることを少なくとも実現させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光のうち、少なくとも一つ以上の光について偏波方向を操作する、上記ループ光路に介在された偏波面操作手段とを備え、
   上記第１の２次非線形光学媒質は、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、上記第２の２次非線形光学媒質が発生する上記ループ光路の時計回りに伝播する第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
   上記第２の２次非線形光学媒質は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する上記第２の光第２高調波を発生させ、かつ、上記第１の２次非線形光学媒質が発生する上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって反時計回りに伝播する上記第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させ、
   上記第２の１／２波長板は、上記第１又は第２の２次非線形光学媒質の一方から出力され、上記第１又は第２の２次非線形光学媒質の他方へ入力される上記第１又は第２の分波励起光の偏波面を９０°だけ回転させて出力し、
   上記第１及び第２の光第２高調波と、上記第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光とが、上記ループ光路中に配置された上記第１又は第２の２次非線形光学媒質中において生成する
   ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
2. 複数の入出力端を有する偏波分離合成モジュールが上記励起光分波入力手段及び上記変換光合波出力手段として適用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。
3. 上記偏波面操作手段は第１の１／２波長板でなり、上記第１の１／２波長板は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を９０°だけ回転させて出力することを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
4. 上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部でなり、
   上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記光変換生成手段と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
   上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
   上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第４の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
5. 上記偏波面操作手段は、第１の１／２波長板と偏波面変換部とでなり、
   上記ループ光路中に、上記偏波面変換部と、上記光変換生成手段と、上記第１の１／２波長板とが、時計回りにこの順番で配置され、
   上記偏波面変換部は、第５の１／２波長板、１／４波長板、第６の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成され、
   上記第１の１／２波長板は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を９０°だけ回転させて出力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
6. 上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部と、偏波面変換部とでなり、
   上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記光変換生成手段と、上記偏波面変換部と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
   上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
   上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第４の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
   上記偏波面変換部は、第５の１／２波長板、１／４波長板、第６の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
7. 合波出力された上記第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光が通過する上記第２のループ外光路に、上記入力励起光の波長成分を除去し、かつ、上記第１及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光が有するシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分をそれぞれ異なる光出力端に出力する第１の波長選択型フィルタを有する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
8. 上記第１の波長選択型フィルタがＡＷＧフィルタであることを特徴とする請求項７に記載の量子もつれ光子対発生装置。
9. 合波出力された上記第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光が通過する上記第２のループ外光路に、上記第１及び第２の光第２高調波成分の少なくとも一方を除去する光ローパスフィルタを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
10. 上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に光サーキュレータが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜９のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
11. 上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に、上記第２のループ外光路を伝播してきた上記入力励起光波長成分を透過又は反射し、上記第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光のシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分を反射又は透過する第２の波長選択型フィルタが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜９のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。

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