JP5723260B2 - Polarization-entangled photon pair generator - Google Patents
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Description
本発明は偏波もつれ光子対発生素子に関する。 The present invention relates to a polarization entangled photon pair generating element.
近年、量子力学の基本的な性質を直接応用することにより、新たな情報通信や信号処理を実現しようとする量子情報処理技術の研究が盛んに行われている。例えば、不確定性原理により、光子一つがどのような偏波状態にあるかを完全に測定することはできない。このことを利用して共有鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式は「量子暗号通信」と呼ばれ、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。また、この量子暗号における伝送距離の延長のため、「量子テレポーテーション」と呼ばれる量子状態を転送するシステムの開発が行われている。 In recent years, research on quantum information processing technology that attempts to realize new information communication and signal processing by directly applying the basic properties of quantum mechanics has been actively conducted. For example, due to the uncertainty principle, it is impossible to completely measure the polarization state of one photon. An encryption method that uses this to perform key distribution in the shared key encryption method is called “quantum encryption communication”, and is an extremely secure encryption communication system in which the security of the encryption key is guaranteed by the principle of quantum mechanics. is there. Also, in order to extend the transmission distance in this quantum cryptography, a system for transferring quantum states called “quantum teleportation” has been developed.
量子力学的相関を有する光子対（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。光子の量子状態を量子テレポーテーションにより共有するためには、送信者と受信者と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利用することにより、長距離伝送に適した量子暗号通信システムを提供することができる。 A photon pair (quantum entangled photon pair) having a quantum mechanical correlation is an important element in the quantum information communication system as described above. In order to share the quantum state of a photon by quantum teleportation, it is necessary to share a entangled photon pair between the sender and the receiver. By using the entangled photon pair, a quantum cryptography communication system suitable for long-distance transmission can be provided.
量子もつれ光子対を発生する方法として、量子相関光子対発生技術があり、近年、光ファイバやシリコン細線導波路等における自然放出四光波混合過程（ＳＦＷＭ； Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｆｏｕｒ Ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ）を用いた量子相関光子対の発生技術が報告されている（非特許文献１、２参照）。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半導体単結晶導波路に、光周波数ｆpのポンプ光が入力されると、
２ｆp＝ｆs＋ｆi（１）
を満たす光周波数ｆsのシグナル光子および光周波数ｆi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みなことができるため、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。
As a method of generating a entangled photon pair, there is a quantum correlation photon pair generation technique, and in recent years, a quantum correlation photon using a spontaneous emission four-wave mixing process (SFWM) in an optical fiber, a silicon wire waveguide, or the like. A pair generation technique has been reported (see Non-Patent Documents 1 and 2). This is as follows. When pump light having an optical frequency f p is input to a semiconductor single crystal waveguide that is a third-order nonlinear optical medium,
2f p = f s + f i (1)
Idler photons signal photon and the optical frequency f i of the optical frequency f s is generated to satisfy the. The photon pair composed of the signal photon and the idler photon has a quantum mechanical correlation with respect to time position (generation time) or polarization, and forms a quantum correlation photon pair. Since a quantum entangled state can be regarded as a superposition state of quantum correlated states, generating a quantum correlated photon pair is an important elemental technique for generating a quantum entangled photon pair.
このようなＳＦＷＭ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また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。 The generation of such a quantum correlation photon pair using SFWM is different from the generation using the conventional second-order nonlinear optical effect, and the optical frequencies of the four photons contributing to the nonlinear optical effect are almost the same. There are features. Thereby, there is an advantage that it is relatively easy to satisfy the phase matching condition. Further, since the optical frequencies of the four photons are substantially the same, the group velocities of the four photons are also substantially the same. Therefore, when pulsed pump light is used, walk-off between the pump light pulse and the signal photon pulse or idler photon pulse can be suppressed to a small value. As a result, the obtained photon pair pulse has a pulse shape close to the Fourier transform limit. This is an effective characteristic in experiments that require quantum interference of photons from independent photon pair sources, such as quantum teleportation.
このようなＳＦＷＭを用いた量子相関光子対の発生を行う非線形媒質としてシリコン細線導波路を用いることで、それ以前に用いられてきた光ファイバに比べ、特に以下のような３つの利点が得られる。 By using a silicon fine wire waveguide as a nonlinear medium for generating a quantum correlation photon pair using such SFWM, the following three advantages can be obtained compared to optical fibers used before that time. .
１つ目の利点は、シリコン細線導波路を用いることで、装置の小型化・低コスト化が図れることである。例えば、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量子相関光子対数は、ポンプ光パルスのピークパワーＰ0、非線形媒質の長さＬおよび媒質の非線形性の大きさを表す非線形定数γを用いて、（γＰ0Ｌ）2に比例する。ここで、非特許文献１で用いられている光ファイバのγは２［１／Ｗ／ｋｍ］程度である。一方、シリコン細線導波路のγは３００［１／Ｗ／ｍ］（３×１０5［１／Ｗ／ｋｍ］）程度であり（非特許文献２）、光ファイバに比べ５桁程度大きい。したがって、同一ポンプ光強度において同一の光子数生成率を得るためには、シリコン細線導波路の長さは光ファイバの長さの約１／１００，０００でよい。このため、シリコン細線導波路を用いることで、非常に短い長さ（サイズ）の導波路または比較的低強度のポンプ光源を用いることができる。 The first advantage is that the size and cost of the device can be reduced by using a silicon fine wire waveguide. For example, when there is no loss of the nonlinear medium and the phase matching condition is satisfied, the quantum correlation photon logarithm generated by the spontaneous emission four-wave mixing process is the peak power P 0 of the pump light pulse, the length L of the nonlinear medium, and Using a nonlinear constant γ representing the magnitude of nonlinearity of the medium, it is proportional to (γP 0 L) 2 . Here, γ of the optical fiber used in Non-Patent Document 1 is about 2 [1 / W / km]. On the other hand, γ of the silicon wire waveguide is about 300 [1 / W / m] (3 × 10 5 [1 / W / km]) (Non-Patent Document 2), which is about five orders of magnitude larger than that of optical fibers. Therefore, in order to obtain the same photon number generation rate at the same pump light intensity, the length of the silicon wire waveguide may be about 1 / 100,000 of the length of the optical fiber. For this reason, by using a silicon fine wire waveguide, a very short length (size) waveguide or a pump light source having a relatively low intensity can be used.
２つめの利点は、シリコン細線導波路を用いることで、導波路の冷却なしに雑音光子対を抑制することが可能であり、装置の小型化・低コスト化が図れることである。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光子対の品質が劣化する問題がある。これは、通常の光ファイバを構成する石英ガラス（ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａ）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。この問題を回避するため、非特許文献１においては、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している。しかし、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。一方、シリコン細線導波路等の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２）。そこで、偏波もつれ光子対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、非線形媒質の冷却を行わずとも、自然放出ラマン散乱による雑音光子のない、純度の高い偏波もつれ光子対の発生が可能となる。 The second advantage is that the use of the silicon fine wire waveguide can suppress the pair of noise photons without cooling the waveguide, and the device can be reduced in size and cost. When an optical fiber is used as a nonlinear optical medium, there is a problem that the pump light induces not only the spontaneous emission four-wave mixing process but also the spontaneous emission Raman scattering process, and noise photons generated thereby deteriorate the quality of the photon pair. This is because the Raman scattering spectrum of the optical fiber is continuous and broadband due to the amorphous nature of fused silica that constitutes a normal optical fiber, so that the spontaneous emission Raman of the signal photon or idler photon into the wavelength channel This is because it is very difficult to avoid mixing of scattered photons. In order to avoid this problem, in Non-Patent Document 1, noise photons due to spontaneous emission Raman scattering are suppressed by cooling the fiber. However, this system requires an optical fiber cooling device, which leads to further increase in size and cost of the device. On the other hand, single crystal semiconductor waveguides such as silicon fine wire waveguides have a relatively narrow band Raman scattering spectrum. For example, in a single crystal silicon waveguide, spontaneous emission Raman scattering with a bandwidth of about 105 GHz is observed at room temperature at a frequency separated from the pump light frequency by about 15.6 THz (Non-Patent Document 2). Therefore, if the optical frequency of the polarization entangled photon pair is different from the Raman scattering peak, unlike the case where the optical fiber is used as the nonlinear medium, the noise photon due to spontaneous emission Raman scattering is not required without cooling the nonlinear medium. This makes it possible to generate highly entangled photon pairs with high purity.
３つめの利点は、シリコン細線導波路をもちいることで、量子相関光子対を次段の量子演算回路へ高効率に結合させることが可能となることである。最近の光子量子演算の動向として、光子を干渉させて演算を行う光回路をシリコン基板上の平面光波回路（ＰＬＣ； Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）上に実装する試みが世界中で行われている（非特許文献３）。ＰＬＣを用いることで、自由空間に比べて非常に高い光路安定性を得ることが可能になる上、非常に多数の光子を用いた大規模な演算を行う場合にも装置を小型化可能であるという大きな利点がある。このようなＰＬＣ上の量子演算装置へ量子相関光子対を自由空間光学系あるいは光ファイバ系から導入する場合、空間モードの大きさ及び形状の違いから、平面光波回路への１００％の結合は技術的に困難であるため、利用可能な光子数の低下を招く。そこで、シリコン細線導波路を量子相関光子対源として用いることで、光子対源も次段のＰＬＣ型量子演算回路と同一チップ上に集積化可能となり、上記の結合効率の問題は解決する。 The third advantage is that a quantum correlation photon pair can be coupled to the next-stage quantum arithmetic circuit with high efficiency by using a silicon thin wire waveguide. As a recent trend of photon quantum computation, attempts have been made all over the world to mount an optical circuit that performs computation by causing photon interference on a planar lightwave circuit (PLC) on a silicon substrate (non-patented). Reference 3). By using a PLC, it is possible to obtain very high optical path stability compared to free space, and it is possible to reduce the size of the apparatus even when performing a large-scale calculation using a very large number of photons. There is a big advantage. When a quantum correlation photon pair is introduced from such a free space optical system or an optical fiber system into a quantum arithmetic device on a PLC, 100% coupling to a planar lightwave circuit is a technology due to the difference in the size and shape of the spatial mode. The number of available photons is reduced. Therefore, by using a silicon wire waveguide as a quantum correlation photon pair source, the photon pair source can also be integrated on the same chip as the PLC type quantum arithmetic circuit in the next stage, and the above problem of the coupling efficiency is solved.
このような半導体単結晶導波路における量子相関光子対発生技術を用いて量子もつれ光子対の発生を行うことで、量子相関光子対発生において得られた数多くの利点を、量子もつれ光子対発生においても同様に得ることができる。 By generating quantum entangled photon pairs using the quantum correlation photon pair generation technology in such a semiconductor single crystal waveguide, many advantages obtained in quantum correlation photon pair generation can be obtained even in quantum entangled photon pair generation. It can be obtained similarly.
量子もつれ光子対では、様々な物理量に関しての量子力学的相関を有する場合が考えられるが、ここでは、偏波状態に関する量子もつれ光子対（以下、偏波もつれ光子対）を想定する。横方向の偏波（Ｈ偏波）を有する単一の光子状態を｜Ｈ＞とし、縦方向の偏波（Ｖ偏波）を有する単一の光子の状態を｜Ｖ＞とする。偏波もつれ状態にある光子対の一方をシグナル光子、他方をアイドラ光子と呼ぶこととし、それぞれ添え字ｓおよびｉで表す。このとき、偏波もつれ光子対の状態は、例えば次式（２）のように表される。 A quantum entangled photon pair may have a quantum mechanical correlation with respect to various physical quantities. Here, a quantum entangled photon pair related to a polarization state (hereinafter, a polarization entangled photon pair) is assumed. Let | H> be a single photon state having lateral polarization (H polarization) and | V> be a single photon state having vertical polarization (V polarization). One of the photon pairs in the polarization entangled state is called a signal photon, and the other is called an idler photon, which are represented by subscripts s and i, respectively. At this time, the state of the polarization entangled photon pair is expressed, for example, by the following equation (2).
これらＨおよびＶの偏波は、シリコン細線導波路においてはそれぞれＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対応する。しかし、シリコン細線導波路においてそれら二つの偏波を利用することは、群速度の違いによるパルス間ウォークオフの問題を生じる。例えば、コアの断面が幅４８０ｎｍ、高さ２００ｎｍであるようなシリコン細線導波路において、ＴＥ偏波モードの群屈折率ｎg,TEは４．２であり、ＴＭ偏波モードの群速度ｎg,TMの値３．０に比べて大きい。この違いにより、導波路長が１ｃｍの場合、約４０ｐｓのウォークオフが生じてしまう。よって、｜Ｈ＞偏波の光子の波束と｜Ｖ＞偏波の光子の波束とが伝搬中に分離してしまい、ひいては式（２）に示すような偏波もつれ状態の純度の低下を招く。したがって、シリコン細線導波路を用いる場合、導波路内ではどちらか一方の偏波モードのみを用いて偏波エンタングルメントを得るという工夫が必要であった。 These polarizations of H and V correspond to TE polarization and TM polarization, respectively, in the silicon wire waveguide. However, using these two polarizations in a silicon wire waveguide causes a problem of pulse-to-pulse walk-off due to a difference in group velocity. For example, in a silicon fine wire waveguide whose core cross section has a width of 480 nm and a height of 200 nm, the TE refractive index group refractive index ng, TE is 4.2, and the TM polarized mode group velocity ng , TM value is larger than 3.0. Due to this difference, when the waveguide length is 1 cm, a walk-off of about 40 ps occurs. Therefore, the wave packet of | H> polarized photon and the wave packet of | V> polarized photon are separated during propagation, and as a result, the purity of the polarization entangled state as shown in equation (2) is reduced. . Therefore, when a silicon fine wire waveguide is used, it has been necessary to devise a method of obtaining polarization entanglement using only one of the polarization modes in the waveguide.
このような要求を実現するため、今回発明者の武居らはシリコン細線導波路の他に外部光回路としてファイバーループ干渉計を導入し、導波路内において単一の偏波（ＴＭ）のみを用いた偏波もつれ光子対装置を提案・実証している（非特許文献４、特許文献１）。これは次のようなものである。 In order to realize such a requirement, the present inventors Takei et al. Introduced a fiber loop interferometer as an external optical circuit in addition to the silicon fine wire waveguide, and used only a single polarization (TM) in the waveguide. The proposed polarization entangled photon pair device has been proposed and verified (Non-Patent Document 4, Patent Document 1). This is as follows.
図１は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ｆp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５０４Ｂ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５０４Ａ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。 FIG. 1 shows a quantum entangled photon pair generator. The entangled photon pair generating apparatus 500 includes a pump light source 501, a polarization controller 502, an optical circulator 503, a polarization beam splitter (PBS) 504, polarization maintaining fibers 505 and 506, and a semiconductor waveguide 507. Loop, a pump light suppression filter 103, and a separation filter 104. The pump light having the optical frequency f p output from the pump light 501 is adjusted to 45 ° linearly polarized light by the polarization controller 502 and input to the first terminal 503A of the optical circulator 503. The pump light output from the second terminal 503B of the optical circulator is input to the first terminal 504B of the PBS 504, and is separated into a vertical (V) polarization component and a horizontal (H) polarization component by the PBS 504. The V and H polarization components are output from the second terminal 504A and the third terminal 504C of the PBS 504, and the polarization maintaining fibers 505 whose axial directions are adjusted so that the natural axes of the refractive index coincide with the polarization planes, respectively. 506 is input.
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、ＰＢＳ５０４Ａ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、ＰＢＳ５０４Ｃ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。 The polarization maintaining fibers 505 and 506 are connected to the silicon waveguide 507 with the axial direction adjusted so that light having a polarization plane parallel to the natural axis of the refractive index is coupled to the TM mode of the silicon waveguide 507. That is, the V-polarized pump light output from the PBS 504A is coupled to the TM mode of the semiconductor waveguide 507. Similarly, the H-polarized pump light output from the PBS 504C is also coupled to the TM mode of the silicon waveguide 507. Is done.
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＞sl｜ＴＭ＞sl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。 The pump light propagating in the right direction through the silicon waveguide 507 generates a state of a quantum correlation photon pair | TM> sr | TM> ir by spontaneous emission four-wave mixing. Here, | TM> sr is a state where there is one signal photon in the TM mode in the clockwise direction (r), and | TM> ir is a state where there is one idler photon in the TM mode in the clockwise direction (r). Represent. Similarly, the pump light propagating leftward in the semiconductor waveguide 507 generates a state of | TM> sl | TM> sl by spontaneous emission four-wave mixing (the subscript l indicates the leftward direction). The quantum correlation photon pair | TM> sr | TM> ir in the TM mode is coupled to the refractive index intrinsic axis of the polarization maintaining fiber 506 and is input to the PBS 504 from the third terminal 504C in the H polarization state. That is, at the time of input to the PBS 504, the state is converted to a state described by | H> s | H> i . Similarly, the state | TM> sl | TM> il is coupled to the eigen axis of the refractive index of the polarization maintaining fiber 505 and converted to a V-polarized quantum correlation photon pair | V> s | V> i to be the second Input from the terminal 504B to the PBS 504. Quantum correlated photon pairs | H> s | H> i and | V> s | V> i are superimposed in PBS 504.
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、近似的に式（２）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５０４Ｂ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。 By adjusting the pump light pulse intensity and sufficiently reducing the probability that the quantum correlation photon pair | H> s | H> i and | V> s | V> i are generated at the same time, The state of the entangled photon pair with respect to the polarization shown is obtained. The generated entangled photon pair is output from the first terminal 504B of the PBS 504, then input to the second terminal 503B of the optical circulator 503, and taken out from the third terminal 503C. The extracted entangled photon pair is transmitted through the pump light suppression filter 103, so that the remaining pump light component is suppressed. Thereafter, the signal is input to the separation filter 104, and the signal photon and the idler photon are separated and output. In this way, entangled photon pairs relating to polarization can be generated.
しかし、偏波もつれ光子対発生装置の更なる小型化・低コスト化のためには、光ファイバで構成されるような外部光回路は極力用いない方がよい。また、前述のように光ファイバとシリコン細線導波路の結合は有限の結合損失を生じることからも、外部ファイバ系との接続を避けることで、偏波もつれ光子対のさらなる性能向上を得ることができる。また、偏波もつれ発生素子部をＰＬＣ量子演算回路と同じ基板上に集積することで、量子演算に必要な偏波もつれ光子対を高密度に集積することができるようになり、量子演算の計算容量を向上することができる。 However, in order to further reduce the size and cost of the polarization entangled photon pair generator, it is better not to use an external optical circuit composed of an optical fiber as much as possible. In addition, as described above, the coupling between the optical fiber and the silicon thin wire waveguide causes a finite coupling loss. Therefore, by avoiding the connection with the external fiber system, it is possible to further improve the performance of the polarization entangled photon pair. it can. In addition, by integrating the polarization entanglement generating element unit on the same substrate as the PLC quantum arithmetic circuit, it becomes possible to integrate the polarization entangled photon pairs necessary for the quantum arithmetic at a high density, and to calculate the quantum arithmetic. Capacity can be improved.
本発明はこのような状況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、外部光回路を用いない、シリコン導波路素子を用いたワンチップ偏波もつれ光子対発生素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and the object thereof is to generate one-chip polarization entangled photon pairs using a silicon waveguide element without using an external optical circuit with reduced cost and size. It is to provide an element.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、ＴＥ偏波ポンプ光およびＴＭ偏波ポンプ光の１：１重ね合わせである斜め４５度に偏波されたポンプ光が入力され、このポンプ光のうちＴＥ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第１の量子相関光子対を生成すると共に、ＴＭ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第２の量子相関光子対を生成する第１の単結晶半導体導波路と、前記第１の単結晶半導体導波路を通過したＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分と前記自然放出四光波混合過程によって生成された第１の量子相関光子対および第２の量子相関光子対との偏波面をそれぞれ９０度回転させる偏波回転素子と、前記偏波面が９０度回転されたＴＥ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第３の量子相関光子対を生成すると共に前記偏波面が９０度回転されたＴＭ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第４の量子相関光子対を生成する第２の単結晶半導体導波路と、を備え、前記第１の単結晶半導体導波路および第２の単結晶半導体導波路は導波方向における長さが互いに等しく、かつ該第１の単結晶半導体導波路および第２の単結晶半導体導波路の導波方向における長さが前記偏波回転素子の導波方向における長さより長く構成されることにより、前記第２の単結晶半導体導波路における、前記偏波面が９０度回転された第１の量子相関光子対および前記第４の量子相関光子対から偏波もつれ光子対を生成し、前記単結晶半導体導波路はシリコン細線導波路であることを特徴とする偏波もつれ光子対発生素子である。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in one embodiment is configured to receive pump light polarized at an angle of 45 degrees, which is a 1: 1 superposition of TE polarized light and TM polarized light. The first quantum correlation photon pair is generated by the spontaneous emission four-wave mixing process for the TE polarization component of the pump light, and the second quantum is generated by the spontaneous emission four-wave mixing process for the TM polarization component. A first single crystal semiconductor waveguide that generates a correlated photon pair; a TE polarization component and a TM polarization component that have passed through the first single crystal semiconductor waveguide; and a first emission generated by the spontaneous emission four-wave mixing process. A polarization rotator that rotates the planes of polarization of one quantum correlated photon pair and the second quantum correlated photon pair by 90 degrees, respectively, and a spontaneous emission four-wave with respect to a TE polarized component whose plane of polarization is rotated by 90 degrees The third quantum by the mixing process A second single-crystal semiconductor waveguide for generating a fourth quantum correlation photon pair by a spontaneous emission four-wave mixing process with respect to a TM polarization component in which the plane of polarization is rotated by 90 degrees and generating a Seki photon pair; The first single crystal semiconductor waveguide and the second single crystal semiconductor waveguide have the same length in the waveguide direction, and the first single crystal semiconductor waveguide and the second single crystal semiconductor waveguide Since the length of the waveguide in the waveguide direction is longer than the length of the polarization rotation element in the waveguide direction, the polarization plane of the second single crystal semiconductor waveguide is rotated by 90 degrees. A polarization entangled photon pair is generated from the quantum correlation photon pair and the fourth quantum correlation photon pair, and the single crystal semiconductor waveguide is a silicon wire waveguide , is there.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図２は、本発明の偏波もつれ光子対発生素子のコア部分の接続構成を示す図であり、図３は偏波もつれ光子対発生素子のコア部分の概略構成を示す図である。図２に示すように、偏波もつれ光子対発生素子１０のコア部分は、シリコン細線導波路（Ｓｉ ｗｉｒｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＳＷＷともいう）１と、偏波回転素子（ＰＲともいう）３と、シリコン細線導波路（ＳＷＷ）２とがポンプ光の導波方向に縦続接続されて構成される。シリコン細線導波路１、２には共に自然放出四光波混合過程（ＳＦＷＭ）を生じる同一の構成の単結晶半導体が用いられ、この２つのシリコン細線導波路１、２の間に配置される偏波回転素子３により偏波が９０度回転される。導波方向において、シリコン細線導波路１、２は互いに等しい長さ（Ｌ1＝Ｌ2）を有し、この長さが偏波回転素子３の長さよりも長い（Ｌ1＝Ｌ2＞Ｌ3）構成により、偏波が斜め４５度偏波であるポンプ光が入力されると、ＳＦＷＭにより所望の偏波もつれ光子対を得ることができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 2 is a diagram showing a connection configuration of the core part of the polarization entangled photon pair generating element of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the core part of the polarization entangled photon pair generating element. As shown in FIG. 2, the core part of the polarization entangled photon pair generating device 10, a silicon wire waveguide: and (Si wire Waveguide also referred to as S W W) 1, (also referred to as PR) polarization rotation element 3, Silicon thin wire waveguides (SWW) 2 are connected in cascade in the waveguide direction of pump light. Both the silicon wire waveguides 1 and 2 use a single crystal semiconductor having the same configuration that generates a spontaneous emission four-wave mixing process (SFWM), and the polarization disposed between the two silicon wire waveguides 1 and 2. The rotation element 3 rotates the polarization by 90 degrees. In the waveguide direction, the silicon thin wire waveguides 1 and 2 have the same length (L 1 = L 2 ), and this length is longer than the length of the polarization rotation element 3 (L 1 = L 2 > L). 3 ) With the configuration, when pump light whose polarization is an oblique 45-degree polarization is input, a desired polarization-entangled photon pair can be obtained by SFWM.
図３に示すように、偏波もつれ光子対発生素子１０のコア部分において、シリコン細線導波路１、２は、断面積が一定の扁平な形状の導波路１、２で構成されている。偏波回転素子３は、前記導波路１、２よりも断面積が小さいが断面積が一定で正方形の断面形状を有する第一のコア３２と、第一のコア３２の周囲に設けられた第二のコア３４とを有し、さらに第一のコア３２の上流側および下流側には導波路１および導波路２とのそれぞれに接続するためにテーパ状に形成された導波路であるテーパ部３１、３３とを有している。偏波もつれ光子対発生素子１０は、図３に示すシリコン細線導波路１、２および偏波回転素子３の周囲に不図示のクラッドを設けて構成されている。ここで、扁平とは、幅をＷ、高さをＨとしたとき、Ｗ＞Ｈであることを言う。また、図３に示す概略構成には、各導波路の配置関係を示されているのであり、長さ（Ｌ1＝Ｌ2＞Ｌ3）の関係は示されていない。 As shown in FIG. 3, in the core portion of the polarization entangled photon pair generating element 10, the silicon thin wire waveguides 1 and 2 are constituted by flat waveguides 1 and 2 having a constant cross-sectional area. The polarization rotator 3 has a first core 32 having a square cross-sectional shape with a constant cross-sectional area smaller than those of the waveguides 1 and 2, and a first core 32 provided around the first core 32. And a tapered portion which is a waveguide formed in a tapered shape so as to be connected to each of the waveguide 1 and the waveguide 2 on the upstream side and the downstream side of the first core 32. 31 and 33. The polarization entangled photon pair generating element 10 is configured by providing a clad (not shown) around the silicon thin wire waveguides 1 and 2 and the polarization rotating element 3 shown in FIG. Here, flat means that W> H, where W is the width and H is the height. Further, the schematic configuration shown in FIG. 3 shows the arrangement relationship of the waveguides, and does not show the relationship of the length (L 1 = L 2 > L 3 ).
シリコン細線導波路１、２とテーパ部３１、３３と第一のコア３２とは同一の材料からなり、一体形成されている。伝搬方向の中心軸は、シリコン細線導波路１、２とテーパ部３１、３２と第一のコア３２との各導波路の中心部分にあり、シリコン細線導波路１、２と第一のコア３２とでは一致していないが、シリコン細線導波路１、２を伝搬する光と第一のコア３２を伝搬する光とがテーパ部３１、３２により光学的に接続されている。一方、第一のコア３２と第二のコア３４とは伝搬方向の中心軸が一致していない偏芯二重コア構成となっている（非特許文献５、特許文献２）。偏波回転素子３はシリコン細線導波路１伝搬後の光の偏波を９０度だけ回転させてシリコン細線導波路２に接続するように設定されている。 The silicon fine wire waveguides 1 and 2, the tapered portions 31 and 33, and the first core 32 are made of the same material and are integrally formed. The center axis of the propagation direction is at the center of each waveguide of the silicon thin wire waveguides 1 and 2, the tapered portions 31 and 32 and the first core 32, and the silicon thin wire waveguides 1 and 2 and the first core 32 are located. The light propagating through the silicon thin wire waveguides 1 and 2 and the light propagating through the first core 32 are optically connected by the tapered portions 31 and 32, respectively. On the other hand, the first core 32 and the second core 34 have an eccentric double core configuration in which the central axes in the propagation direction do not coincide with each other (Non-Patent Document 5 and Patent Document 2). The polarization rotating element 3 is set so as to rotate the polarization of the light after propagating through the silicon fine wire waveguide 1 by 90 degrees and to connect to the silicon fine wire waveguide 2.
ここで、偏芯二重コア構造を有する偏波もつれ光子対発生素子について説明する。図４は偏芯二重コア構造を有する偏波もつれ光子対発生素子のコア構成を示す図であり、（ａ）は偏波回転素子３の断面図であり、（ｂ）はシリコン細線導波路１、２と偏波回転素子３との構成を示す上面図である。図４（ａ）に示すように、第一のコア３２は第二のコア３４内部に設けられている。第二のコア３４の左下部分に第一のコア３２が設けられている。この第一のコア３２は第二のコア３４の左端に対してオフセットを有している。一例として、第一のコア３２の断面は２００ｎｍ×２００ｎｍであり、第二のコア３４の断面は８４０ｎｍ×８４０ｎｍであり、シリコン細線導波路１、２の断面は、幅４００ｎｍであり、高さ２００ｎｍに形成されている。また、導波方向において、シリコン細線導波路１、２の長さはそれぞれ１ｃｍであり、テーパ部３１、３３の長さはそれぞれ１０μｍであり、第一のコアおよび第二のコアの長さは３５μｍである。なお、シリコン細線導波路１、２は、典型的には、断面サイズを４００ｎｍから５００ｎｍの範囲の幅とし、２００ｎｍから２２０ｎｍの高さとすることが可能である。 Here, a polarization entangled photon pair generating element having an eccentric double core structure will be described. FIG. 4 is a diagram showing a core configuration of a polarization entangled photon pair generating element having an eccentric double core structure, (a) is a sectional view of the polarization rotation element 3, and (b) is a silicon fine wire waveguide. 2 is a top view showing the configuration of 1 and 2 and the polarization rotation element 3. FIG. As shown in FIG. 4A, the first core 32 is provided inside the second core 34. The first core 32 is provided in the lower left part of the second core 34. The first core 32 has an offset with respect to the left end of the second core 34. As an example, the cross section of the first core 32 is 200 nm × 200 nm, the cross section of the second core 34 is 840 nm × 840 nm, the cross section of the silicon fine wire waveguides 1 and 2 is 400 nm wide, and has a height of 200 nm. Is formed. Further, in the waveguide direction, the lengths of the silicon fine wire waveguides 1 and 2 are each 1 cm, the lengths of the taper portions 31 and 33 are each 10 μm, and the lengths of the first core and the second core are 35 μm. The silicon thin wire waveguides 1 and 2 can typically have a cross-sectional size having a width in the range of 400 nm to 500 nm and a height of 200 nm to 220 nm.
偏波もつれ光子対発生素子１０において、直線偏波である入射光は、入力用の導波路コア１から入射するが、入力用の導波路コア１が扁平形状であるために、ＴＥおよびＴＭの偏波はそれぞれ保持される。そして、入射光は、テーパ形状の導波路コアであるテーパ部３１を経て第一のコア３２および第二のコア３４を伝搬する際に偏波が回転し、所望の回転角だけ回転した後にテーパ形状の出力用導波路コアであるテーパ部３３を経て出力用の導波路２に出力される。出力用の導波路コア２が扁平形状であるために、ＴＥおよびＴＭの偏波はそれぞれ保持される。 In the polarization entangled photon pair generating element 10, incident light that is linearly polarized light is incident from the input waveguide core 1. Since the input waveguide core 1 has a flat shape, TE and TM Each polarization is maintained. Then, when the incident light propagates through the first core 32 and the second core 34 through the taper portion 31 which is a tapered waveguide core, the polarization is rotated, and after being rotated by a desired rotation angle, the incident light is tapered. The signal is output to the output waveguide 2 through the tapered portion 33 which is a shaped output waveguide core. Since the output waveguide core 2 has a flat shape, the TE and TM polarized waves are maintained.
入力側の導波路１、３１と第一のコア３２と出力側の導波路３３、２の材料としては、シリコンなどの高屈折率材料を用いる。これらのコアの断面積は、シリコンを用いる場合は０．１μｍ2以下である。クラッドの材料としては、第一のコア３２、第二のコア３４より低屈折率の材料を用いる。具体的には酸化シリコンやエポキシ樹脂、ポリイミド、その他の各種ポリマなどがある。第二のコア３４の材料としては、第一のコア３２とクラッドの中間の屈折率を持つシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、１．５以上の屈折率を持つポリマ材料などを用いる。第一のコア３２の材料がシリコンで、第二のコア３４の材料が屈折率１．６のシリコン酸窒化膜の場合、第二のコア３４の断面積は１．５μｍ2以下である。なお、図３、４では、第二のコア３４が第一のコア３２のみを覆っている場合を例に挙げて示しているが、これに限るものではなく、第二のコア３４が、第一のコア３２だけでなく、テーパ部３１、３３の一部あるいは全体を覆うようにしてもよい。 As materials for the input-side waveguides 1 and 31, the first core 32, and the output-side waveguides 33 and 2, a high refractive index material such as silicon is used. The cross-sectional area of these cores is 0.1 μm 2 or less when silicon is used. As a cladding material, a material having a lower refractive index than the first core 32 and the second core 34 is used. Specific examples include silicon oxide, epoxy resin, polyimide, and various other polymers. As the material of the second core 34, a silicon nitride film or silicon oxynitride film having a refractive index intermediate between the first core 32 and the clad, a polymer material having a refractive index of 1.5 or more, or the like is used. When the material of the first core 32 is silicon and the material of the second core 34 is a silicon oxynitride film having a refractive index of 1.6, the cross-sectional area of the second core 34 is 1.5 μm 2 or less. 3 and 4 exemplify the case where the second core 34 covers only the first core 32, the present invention is not limited to this. You may make it cover not only the one core 32 but some or the whole taper parts 31 and 33. FIG.
この偏波もつれ光子対発生素子１０に、斜め４５度偏波、すなわちＨ偏波とＶ偏波が１対１で重ね合わされているようなポンプ光を入力した場合の光の生成について説明する。入力されたポンプ光の伝搬は、シリコン細線素子１中では、図５に示すようにＴＥ（Ｈ）偏波の光の伝搬（図５の（ａ）に示される系統）とＴＭ（Ｖ）偏波の光の伝搬（図５の（ｂ）に示される系統）に分離して考えることができる。 A description will be given of the generation of light when the polarization entangled photon pair generating element 10 is input with pump light having an oblique 45-degree polarization, that is, H-polarization and V-polarization superimposed one-to-one. As shown in FIG. 5, the propagation of the input pump light propagates TE (H) polarized light (system shown in (a) of FIG. 5) and TM (V) polarization in the silicon wire element 1. It can be considered separately in the propagation of wave light (system shown in FIG. 5B).
ポンプ光がＴＥ偏波の場合（ａ）、このポンプ光はシリコン細線導波路１にてＳＦＷＭにより｜ＴＥ＞s｜ＴＥ＞iの偏波状態を有する量子相関光子対Ａを生成する。次に偏波回転素子３にて、ポンプ光及び生成された光子対Ａの偏波状態はそれぞれ、ＴＭおよび｜ＴＭ＞s｜ＴＭ＞iへと回転される。さらにシリコン細線導波路２において、ＴＭ状態の偏波は、新たな｜ＴＭ＞s｜ＴＭ＞iの光子対Ｂを生成する。 When the pump light is TE polarized light (a), the pump light generates a quantum correlation photon pair A having a polarization state of | TE> s | TE> i by SFWM in the silicon wire waveguide 1. Next, in the polarization rotation element 3, the polarization states of the pump light and the generated photon pair A are rotated to TM and | TM> s | TM> i , respectively. Further, in the silicon wire waveguide 2, the TM state polarization generates a new photon pair B of | TM> s | TM> i .
ポンプ光がＴＭ偏波の場合（ｂ）、ポンプ光はシリコン細線導波路１にてＳＦＷＭにより｜ＴＭ＞s｜ＴＭ＞iの偏波状態を有する量子相関光子対Ｃを生成する。次に偏波回転素子３にて、ポンプ光及び生成された光子対Ｃの偏波状態はそれぞれ、ＴＥおよび｜ＴＥ＞s｜ＴＥ＞iへと回転される。さらにシリコン細線導波路２において、ＴＥ状態のポンプ光は、新たな｜ＴＥ＞s｜ＴＥ＞iの光子対Ｄを生成する。 When the pump light is TM polarized light (b), the pump light generates a quantum correlation photon pair C having a polarization state of | TM> s | TM> i by SFWM in the silicon wire waveguide 1. Next, in the polarization rotation element 3, the polarization states of the pump light and the generated photon pair C are rotated to TE and | TE> s | TE> i , respectively. Further, in the silicon wire waveguide 2, the pump light in the TE state generates a new photon pair D of | TE> s | TE> i .
なお、ＳＷＦＭの発生効率は極めて低いため、上記光子対ＡからＤのうち二対以上の生成が同時に起こることはほとんどない（あるいは、同時に起こることのないようにポンプ光強度を設定できる）。 Since the generation efficiency of SWFM is extremely low, two or more pairs of the photon pairs A to D are hardly generated at the same time (or the pump light intensity can be set so as not to occur simultaneously).
ここで、図１に示すような扁平形状のシリコン細線導波路１中におけるＴＥポンプ光によるＴＥ偏波光子対の生成効率と、ＴＭポンプ光によるＴＭ偏波光子対の生成効率とを比べると、前者の方が圧倒的に高い。これは、ＳＷＦＭが主に生じるシリコンコア部への光閉じ込めが、ＴＥ偏波の方がＴＭ偏波に比べて強いためである（図６参照）。図６には、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波のそれぞれにおける導波路断面の電界分布が示されており、図示の中央部にシリコン細線導波路１が示されている。 Here, when the generation efficiency of the TE polarized photon pair by the TE pump light in the flat silicon thin wire waveguide 1 as shown in FIG. 1 is compared with the generation efficiency of the TM polarized photon pair by the TM pump light, The former is overwhelmingly higher. This is because light confinement in the silicon core portion where SWFM mainly occurs is stronger in TE polarization than in TM polarization (see FIG. 6). FIG. 6 shows the electric field distribution of the waveguide cross section in each of the TE polarized wave and the TM polarized wave, and the silicon fine wire waveguide 1 is shown in the center of the figure.
これらの生成効率の違いを計算する。ＳＷＦＭにより発生する光子対数Ｉは、ポンプ光のシリコン細線導波路１への入射パワーをＰ、シリコン細線導波路１の長さをＬとし、導波路の単位長さ当りの損失αを考慮すると、次式（３）のように表わされる。 The difference between these generation efficiencies is calculated. The photon pair number I generated by the SWFM is such that the incident power of the pump light to the silicon fine wire waveguide 1 is P, the length of the silicon fine wire waveguide 1 is L, and the loss α per unit length of the waveguide is considered. It is expressed as the following equation (3).
ここでＬeffは伝搬損失を考慮した導波路の実効的な長さで、Ｌeff＝（１−ｅｘｐ（−αＬ））／αである。また、ｇはパラメトリックゲイン関数と呼ばれ、次式（４）であらわされる。 Here, L eff is an effective length of the waveguide considering propagation loss, and L eff = (1−exp (−αL)) / α. Moreover, g is called a parametric gain function and is expressed by the following equation (4).
ΔβはＳＷＦＭにおける波数不整合であり、シリコン細線導波路における伝搬定数β（λ）（λは伝搬する光の波長）を用いて次式（５）と表される。ここで添字ｐ、ｓ、ｉはポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子を示す。
Δβ＝２β（λp）−（λｓ）−（λｉ） （５）
Δβ is a wave number mismatch in SWFM, and is expressed by the following equation (5) using a propagation constant β (λ) (λ is a wavelength of propagating light) in a silicon wire waveguide. Here, the subscripts p, s, and i indicate pump light, signal photon, and idler photon.
Δβ = 2β (λp) − (λs) − (λi) (5)
式（３）およびエネルギー保存条件（１）を用い、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波における光子対生成効率の計算結果を図７に示す。ここで各パラメータは次の通りである。Ｌ＝２ｃｍ、ポンプ光強度Ｐ＝１００ｍＷである。ＴＥ偏波についてα＝１．５ｄＢ／ｃｍ、γ＝３００［１／Ｗ／ｍ］（非特許文献２）。ＴＭ偏波についてα＝１．０ｄＢ／ｃｍ、γ＝６０［１／Ｗ／ｍ］（この値は、ＴＥモードにおけるγの値と、ＴＥモードおよびＴＭモードにおけるコア内への光強度閉じ込め割合の比から求めた）。β（λ）については、ビーム伝搬法により求めた屈折率分散（図８（ａ））を用いた。またポンプ光波長として１．５５μｍを用いた。図７より、ＴＥ偏波のポンプ光を用いた場合、生成される光子対数はＴＭ偏波の場合と比べて１桁以上大きくなることが分かる。これは、前述のコアへの光閉じ込めの具合が大きく異なることによる。また、ＴＭ偏波ポンプにおいて、生成される光子対の帯域幅はＴＥ偏波の場合に比べて極めて狭い。これは、ＴＭ偏波モードの方がＴＥ偏波モードより大きな群速度分散を有するため、シグナル光子（あるいはアイドラ光子）の波長がポンプ光から少しでも離れてしまうと、位相整合を満たすことができなくなるからである。参考のため、この導波路における群速度分散の大きさを、よく用いられる分散パラメータＤ＝ｄ（ｄβ（ω）／ｄω）／ｄλとして図８（ｂ）に示す。ここでωは光の角周波数で、ω＝２π／λである。 FIG. 7 shows the calculation result of the photon pair generation efficiency in the TE polarization and the TM polarization using the equation (3) and the energy conservation condition (1). Here, each parameter is as follows. L = 2 cm, pump light intensity P = 100 mW. For TE polarization, α = 1.5 dB / cm, γ = 300 [1 / W / m] (Non-Patent Document 2). For TM polarization, α = 1.0 dB / cm, γ = 60 [1 / W / m] (this value is the value of γ in TE mode and the ratio of light intensity confinement in the core in TE mode and TM mode. Ratio). For β (λ), refractive index dispersion (FIG. 8A) obtained by the beam propagation method was used. Further, 1.55 μm was used as the pump light wavelength. From FIG. 7, it is understood that when TE polarized pump light is used, the number of photon pairs generated is one digit or more larger than that of TM polarized light. This is because the optical confinement in the core is greatly different. Further, in the TM polarization pump, the bandwidth of the generated photon pair is extremely narrow compared to the case of TE polarization. This is because the TM polarization mode has a larger group velocity dispersion than the TE polarization mode, so that the phase matching can be satisfied if the wavelength of the signal photon (or idler photon) is far from the pump light. Because it disappears. For reference, the magnitude of group velocity dispersion in this waveguide is shown in FIG. 8B as a commonly used dispersion parameter D = d (dβ (ω) / dω) / dλ. Here, ω is the angular frequency of light, and ω = 2π / λ.
図７に示す結果より、ＴＭ偏波ポンプにおける光子対生成効率は、ＴＥ偏波のそれと比べて無視できるほど小さいことが分かった。加えて、シグナル光子及びアイドラ光子の波長を、ＴＭ偏波ポンプにより生成される光子対が十分小さいように適切に選ぶことができる。このようにした場合、前述の光子対ＡからＤのうち、光子対Ｂおよび光子対Ｃの発生がほとんど起こらないとして無視することができる。残りの光子対Ａおよび光子対Ｄにより、式（２）に示すような偏波もつれ状態を得ることができる。 From the results shown in FIG. 7, it was found that the photon pair generation efficiency in the TM polarization pump is negligibly small compared with that of TE polarization. In addition, the wavelengths of the signal photons and idler photons can be selected appropriately so that the photon pairs generated by the TM polarization pump are sufficiently small. In such a case, it is possible to ignore that the generation of the photon pair B and the photon pair C among the photon pairs A to D described above hardly occurs. With the remaining photon pair A and photon pair D, a polarization entangled state as shown in equation (2) can be obtained.
ＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の群速度が大きく異なるため、ウォークオフが問題となることを前述した。しかし本発明の偏波もつれ光子対発生素子１０では、この影響は完全に排除することができる。すなわち本発明の偏波もつれ光子対発生素子では図９に示すように、入力端で同時刻で入力されたＴＥ偏波（図中破線の波で示されている）の光パルス及びＴＭ偏波（図中実線の波で示されている）の光パルスは、偏波もつれ光子対発生素子１０の中途領域ではパルス中心位置の差が生じているが、出力端においてＴＥ偏波パルス及びＴＭ偏波パルス間の中心位置が一致している。これは入射ポンプ光がＴＥ偏波とＴＭ偏波との場合を比較すると、シリコン細線導波路１においてＴＭ偏波の光はＴＥ偏波に比べて早く伝搬する。しかし、偏波回転素子３によって偏波が９０度回転したのち、各々の偏波は入れ替わるため、シリコン細線導波路２での群速度差によるウォークオフも逆方向に働く。したがって、シリコン細線導波路１とシリコン細線導波路２の長さが等しい場合、入射ポンプ光のウォークオフはキャンセルされる。同様に、生成される光子対についても、光子対はつねにポンプ光と同一偏波で発生することから、ウォークオフの効果をキャンセルすることができる。 As described above, since the group velocity between the TE polarized wave and the TM polarized wave is greatly different, the walk-off becomes a problem. However, in the polarization entangled photon pair generating element 10 of the present invention, this influence can be completely eliminated. That is, in the polarization entangled photon pair generating element of the present invention, as shown in FIG. 9, the optical pulse and TM polarization of TE polarization (indicated by the broken wave in the figure) inputted at the same time at the input end In the optical pulse (indicated by the solid line wave in the figure), a difference in the pulse center position occurs in the middle region of the polarization entangled photon pair generating element 10, but the TE polarization pulse and the TM polarization at the output end. The center positions between the wave pulses are the same. Compared to the case where the incident pump light is TE polarized light and TM polarized light, TM polarized light propagates faster in the silicon thin wire waveguide 1 than TE polarized light. However, since each polarization is switched after the polarization is rotated 90 degrees by the polarization rotation element 3, the walk-off due to the group velocity difference in the silicon fine wire waveguide 2 also works in the reverse direction. Therefore, when the lengths of the silicon fine wire waveguide 1 and the silicon fine wire waveguide 2 are equal, the walk-off of the incident pump light is canceled. Similarly, with respect to the generated photon pair, since the photon pair is always generated with the same polarization as the pump light, the effect of the walk-off can be canceled.
偏波回転素子３もシリコンをコアとする導波路であるため、その部分において発生する光子対が雑音として問題となる可能性がある。しかし、偏波もつれ光子対発生素子１０においては、偏波回転素子３の長さが約５０μｍ程度であり、シリコン細線導波路の長さが１ｃｍである、図４に示されている一例のように、偏波回転素子３の長さはシリコン細線導波路の長さに比べて十分短い。また、光子対数は、式（３）から導波路長の二乗に比例する。したがって、偏波回転素子３において発生する光子対は、他のＳＷＷにて発生する光子対に比べて少なく、無視することができる。 Since the polarization rotation element 3 is also a waveguide having silicon as a core, a photon pair generated in that portion may cause a problem as noise. However, in the polarization entangled photon pair generation element 10, the length of the polarization rotation element 3 is about 50 μm, and the length of the silicon wire waveguide is 1 cm, as in the example shown in FIG. In addition, the length of the polarization rotation element 3 is sufficiently shorter than the length of the silicon wire waveguide. In addition, the photon logarithm is proportional to the square of the waveguide length from Equation (3). Therefore, the number of photon pairs generated in the polarization rotator 3 is smaller than that generated in other SWWs and can be ignored.
実際の導波路損失を考慮すると、シリコン細線導波路２入射時のポンプ光強度は、シリコン細線導波路１入射時に比べ小さくなる。したがって、両者で生じる光子対ＡおよびＤの生成確率が等しくならず、式（２）の偏波もつれ状態が劣化してしまう可能性がある。しかし、導波路へ入射する偏波面の傾き角を斜め４５度としておくことで、この問題は自動的に解決する。この理由について図１０を参照して説明する。 Considering the actual waveguide loss, the pump light intensity when entering the silicon thin wire waveguide 2 is smaller than when entering the silicon thin wire waveguide 1. Therefore, the generation probabilities of the photon pairs A and D generated in both are not equal, and the polarization entanglement state of the equation (2) may be deteriorated. However, this problem is automatically solved by setting the inclination angle of the polarization plane incident on the waveguide to 45 degrees obliquely. The reason for this will be described with reference to FIG.
図１０を参照すると、いま、シリコン細線導波路１へ入射するＴＥ偏波のポンプ光（ａ）の強度をＰTE、ＴＭ偏波のポンプ光（ｂ）の強度をＰTMとする。偏波回転素子３の透過率をηとすると、シリコン細線導波路２入射時のＴＭ偏波として入射したポンプ光（ｂ）の光強度はηｅｘｐ（-αTMＬ）ＰTMとなる。ここでαTMはＴＭ偏波光に対するシリコン細線導波路の単位長さあたりの伝搬損である。シリコン細線導波路１およびシリコン細線導波路２の長さが等しいこと、光子対ＡおよびＤはそれぞれＴＥ偏波のポンプ光より生成されることを考慮すると、それぞれの部分で発生する光子対数は、それぞれの導波路へ入射するポンプ光の強度に比例する。したがって、光子対ＡおよびＤの生成効率は、ＰTE 2および（ηｅｘｐ（-αTMＬ）ＰTM）2にそれぞれ比例することとなる。 Referring to FIG. 10, it is assumed that the intensity of the TE polarized pump light (a) incident on the silicon thin wire waveguide 1 is P TE and the intensity of the TM polarized pump light (b) is P TM . Assuming that the transmittance of the polarization rotation element 3 is η, the light intensity of the pump light (b) incident as TM polarized light when the silicon thin wire waveguide 2 is incident is ηexp (−α TM L) P TM . Here, α TM is a propagation loss per unit length of the silicon wire waveguide with respect to TM polarized light. Considering that the lengths of the silicon wire waveguide 1 and the silicon wire waveguide 2 are equal, and that the photon pairs A and D are generated from pump light of TE polarization, respectively, the number of photon pairs generated in each part is It is proportional to the intensity of the pump light incident on each waveguide. Therefore, the generation efficiency of the photon pairs A and D is proportional to P TE 2 and (ηexp (−α TM L) P TM ) 2 , respectively.
一方、光子対Ａはシリコン細線導波路１にて発生するため、後部であるシリコン細線導波路２にて発生する光子対Ｄに比べて、偏波回転素子３およびシリコン細線導波路２の分だけ長く伝搬することとなる。これらの余分な部分を伝搬する際の光子対Ａの透過率は、光子対Ａはシリコン細線導波路２をＴＭ偏波として伝搬することから、（ηｅｘｐ（-αTMＬ））2である。ここで二乗は、光子対の透過率は、光子対を構成するそれぞれの光子の透過率の積として得られることによる。この光子対Ａに対する透過率も考慮に入れると、シリコン細線導波路２出射後の光子対ＡおよびＤの数はそれぞれ（ηｅｘｐ（-αTMＬ）ＰTE）2および（ηｅｘｐ（-αTMＬ）ＰTM）2となる。これらはＰTE＝ＰTMのときにのみ相等しい。したがって、シリコン細線導波路１へ入射するポンプ光の偏波を斜め４５度とすることで、ＰTE＝ＰTMを実現し、光子対ＡおよびＤの生成効率を等しくすることが可能となる。 On the other hand, since the photon pair A is generated in the silicon fine wire waveguide 1, compared to the photon pair D generated in the silicon fine wire waveguide 2 which is the rear part, only the polarization rotation element 3 and the silicon fine wire waveguide 2 are used. It will propagate for a long time. The transmittance of the photon pair A when propagating through these extra portions is (ηexp (−α TM L)) 2 because the photon pair A propagates through the silicon wire waveguide 2 as TM polarization. Here, the square is due to the fact that the transmittance of the photon pair is obtained as a product of the transmittances of the respective photons constituting the photon pair. Taking into consideration the transmittance for the photon pair A, the numbers of photon pairs A and D after exiting the silicon wire waveguide 2 are (ηexp (−α TM L) P TE ) 2 and (ηexp (−α TM L), respectively. ) PTM ) 2 . These are equivalent only when P TE = P TM . Therefore, by making the polarization of the pump light incident on the silicon thin wire waveguide 1 obliquely 45 degrees, P TE = P TM can be realized and the generation efficiency of the photon pairs A and D can be made equal.
上記においては簡単のため偏波回転素子３の挿入損失に偏波依存性を考慮しなかったが、実際には偏波依存性が存在する場合がある。その場合には、入射偏波の傾きを適宜調整することで、光子対ＡおよびＤの生成効率を等しくすることが可能である。 In the above description, the polarization dependence is not considered in the insertion loss of the polarization rotator 3 for simplicity. However, there is a case where the polarization dependence actually exists. In that case, the generation efficiencies of the photon pairs A and D can be made equal by appropriately adjusting the inclination of the incident polarization.
入射偏波面の傾きを４５度とする手段は、ポンプ光源と一体に構成されてもよいが、図１１に示すように、入射偏波面の傾きを４５度とする新たな偏波回転素子４を、シリコン細線導波路１の前段に新たに設けて偏波もつれ光子対発生素子１０に集積することも可能である。この場合、入射ポンプ光の偏波はＴＥあるいはＴＭでよいため、入射光の偏波の調整が簡単になるという利点がある。このときの偏波回転手段４は、前述の偏波回転素子３と同様の構成で、かつシリコン細線３２および第２コア３４の伝搬方向の長さが半分であるような構成をとることができる。 The means for setting the inclination of the incident polarization plane to 45 degrees may be integrated with the pump light source. However, as shown in FIG. 11, a new polarization rotation element 4 having the inclination of the incident polarization plane of 45 degrees is provided. It is also possible to provide a new stage before the silicon wire waveguide 1 and integrate it in the polarization entangled photon pair generating element 10. In this case, since the polarization of the incident pump light may be TE or TM, there is an advantage that the adjustment of the polarization of the incident light becomes easy. The polarization rotation means 4 at this time can have a configuration similar to that of the above-described polarization rotation element 3 and a configuration in which the length of the silicon fine wire 32 and the second core 34 in the propagation direction is halved. .
図１２は、偏波もつれ光子対発生素子１０を用いた偏波もつれ光子対発生装置の全体構成を示す図である。図１２に示すように、本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置は、光周波数がｆpのポンプ光を出力するポンプ光源４０と、ポンプ光を斜め４５度偏波とする偏波調整手段５０と、２ｆp＝ｆs＋ｆiの関係を満たす光周波数ｆsのシグナル光子および光周波数ｆiのアイドラ光子から構成される、式（２）で表わされるような偏波もつれ光子対を発生する前述の偏波もつれ光子対発生素子１０と、偏波もつれ光子対発生素子１０からの出力よりポンプ光を選択的に減衰させるポンプ光減衰手段６０と、ポンプ光減衰手段を透過した光子対からシグナル光子およびアイドラ光子を分離して出力する分離手段７０とを少なくとも備える。 FIG. 12 is a diagram illustrating an overall configuration of a polarization entangled photon pair generation device using the polarization entangled photon pair generation element 10. As shown in FIG. 12, the polarization entangled photon pair generating device according to the present invention includes a pump light source 40 that the optical frequency outputs pump light of f p, polarization adjusting means for the pump light and oblique 45-degree polarization 50, composed of idler photons 2f p = f s + signal photon of f i optical frequency f s which satisfies the relationship and the optical frequency f i, the polarization-entangled photon pairs, as represented by the formula (2) occurs The polarization entangled photon pair generating element 10, the pump light attenuating means 60 for selectively attenuating the pump light from the output from the polarization entangled photon pair generating element 10, and the photon pair transmitted through the pump light attenuating means. Separation means 70 for separating and outputting signal photons and idler photons.
光源４０は、例えば、半導体レーザーであり、光周波数がｆpのポンプ光を出力する。またポンプ光はパルス形状を有していてもよい。 Light source 40 is, for example, a semiconductor laser, an optical frequency outputs pump light of f p. The pump light may have a pulse shape.
また、ポンプ光減衰手段６０は、光子対発生部からの出力よりポンプ光を選択的に減衰させる（除去する）。例えば、ポンプ光減衰部６０は、ファイバーブラッググレーティングなどから構成すればよい。 The pump light attenuating means 60 selectively attenuates (removes) the pump light from the output from the photon pair generating unit. For example, the pump light attenuating unit 60 may be composed of a fiber Bragg grating or the like.
分離手段７０は、ポンプ光減衰部６０を透過した光子対からシグナル光子およびアイドラ光子を分離して出力する。分離したシグナル光子は、シグナル光子出力部から出力され、アイドラ光子は、アイドラ光子出力部から出力される。分離手段７０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、例えば誘電体多層膜フィルタやファイバーブラッググレーティング、アレイ光導波路から構成することができる。 The separating means 70 separates and outputs the signal photon and the idler photon from the photon pair transmitted through the pump light attenuating unit 60. The separated signal photons are output from the signal photon output unit, and the idler photons are output from the idler photon output unit. The separating means 70 separates signal photons and idler photons according to wavelength, and can be composed of, for example, a dielectric multilayer filter, a fiber Bragg grating, or an array optical waveguide.
本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置では、ＳＷＦＭにより、偏波もつれ光子対がシリコン細線導波路内で発生する。前述したように、ＳＷＦＭによる偏波もつれ光子対生成素子としてシリコン細線導波路を用いた偏波もつれ光子対生成素子１０によれば、光ファイバを用いた場合に比べて光子対発生装置の大幅な小型化が可能である。また、所望の偏波もつれ光子対を得るためにシリコン細線導波路を長くしても十分に小型であり、導波路長を適宜に長くして、所望の偏波もつれ光子対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。これにより、安価なレーザーを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。 In the polarization entangled photon pair generating apparatus according to the present invention, a polarization entangled photon pair is generated in the silicon wire waveguide by SWFM. As described above, according to the polarization entangled photon pair generating element 10 using the silicon fine wire waveguide as the polarization entangled photon pair generating element by SWFM, the photon pair generating device is greatly compared with the case of using the optical fiber. Miniaturization is possible. Also, even if the silicon wire waveguide is lengthened to obtain the desired polarization entangled photon pair, it is sufficiently small and necessary to obtain the desired polarization entangled photon pair by appropriately increasing the waveguide length. The pump light power can be reduced. This makes it possible to reduce the cost by using an inexpensive laser as the pump light pulse light source.
また、偏波回転素子としては、図３、４に示したような構成に限る必要はなく、特許文献２や特許文献３で他に挙げられているような様々な形態をとることができる。 Further, the polarization rotation element need not be limited to the configuration shown in FIGS. 3 and 4, and can take various forms as mentioned elsewhere in Patent Document 2 and Patent Document 3.
また、上記ではＳＷＦＭを生じる非線形媒質としてシリコン細線導波路を挙げたが、本発明はこれに限らず、コア材料が単結晶半導体である導波路を用いることができる。単結晶半導体導波路としては、光導波路のコア部分が中心対称性を有し、二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など、二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などがこのような物質として適している。これら材料を用いたコアより光導波路を構成すれば、光ファイバと比較するとコア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偏波もつれ光子対発生装置の小型化を実現できる。また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、樹脂膜、水、または空気等が挙げられる。これらは、偏波回転素子部の材料についても同様である。特に偏波回転素子の第２コアの屈折率は、第１コアの材料の屈折率より小さく、かつクラッドの材料の屈折率より大きければよい。 In the above description, a silicon fine wire waveguide is used as a nonlinear medium for generating SWFM. However, the present invention is not limited to this, and a waveguide whose core material is a single crystal semiconductor can be used. As the single crystal semiconductor waveguide, a waveguide composed of a semiconductor material in which the core portion of the optical waveguide has central symmetry and the secondary nonlinear optical effect is suppressed may be used. The possibility that second-order nonlinear optical effects such as parametric down-conversion will occur as a secondary noise will be suppressed. In particular, single crystal silicon, single crystal germanium, silicon germanium mixed crystal, or the like is suitable as such a substance. If the optical waveguide is composed of a core made of these materials, the core cross-sectional area is smaller and the nonlinear constant γ is larger than that of the optical fiber, so the waveguide length is shortened and the polarization entangled photon pair generator is downsized. it can. Examples of the clad portion include a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an organic film such as polyimide, an aluminum oxide, a titanium oxide, a resin film, water, or air. The same applies to the material of the polarization rotation element section. In particular, the refractive index of the second core of the polarization rotation element may be smaller than the refractive index of the first core material and larger than the refractive index of the cladding material.
また、単結晶半導体による光導波路は、コアの断面構造を、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。 Moreover, the optical waveguide made of a single crystal semiconductor can satisfy the single mode condition for the pump light, the signal photon, and the idler photon in the cross-sectional structure of the core.
ところで、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コアの断面の寸法（幅、高さ）が設計された単結晶半導体導波路は、通常コアの断面寸法が、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。このため、光ファイバからの出射光を光子対発生部としての単結晶半導体導波路に入力（光結合）し、また、この単結晶半導体導波路からの出力光子を光ファイバに出力（光結合）することが容易ではなく、多くの場合、光損失を伴う。 By the way, the single crystal semiconductor waveguide in which the dimensions (width, height) of the core are designed so as to satisfy the single mode condition for the pump light, the signal photon, and the idler photon, the cross-sectional dimension of the core is usually It is on the order of several hundred nm. This is very small compared to the core diameter of a general single mode optical fiber. Therefore, light emitted from the optical fiber is input (optically coupled) to a single crystal semiconductor waveguide as a photon pair generating unit, and output photons from the single crystal semiconductor waveguide are output to an optical fiber (optically coupled). It is not easy to do and often involves light loss.
これに対し、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光結合損失で光学的に接続することが可能となる。このような、スポットサイズ変換構造による光結合で、より低いポンプ光強度による偏波もつれ光子対の生成が可能となり、コストの低減が可能となる。また、発生した偏波もつれ光子対を、効率よく光導波路より取り出して使用することができる。また、ＰＬＣで構成された量子演算装置へ、同一基板上で直接接続することができる。 In contrast, by providing spot size conversion structures at both ends of the single crystal semiconductor waveguide, the single crystal semiconductor waveguide and other devices such as a pump light source can be optically coupled with low optical coupling loss using an optical fiber. It becomes possible to connect. Such optical coupling by the spot size conversion structure makes it possible to generate a polarization entangled photon pair with a lower pump light intensity, thereby reducing the cost. Further, the generated polarization-entangled photon pair can be efficiently extracted from the optical waveguide and used. In addition, it is possible to directly connect to a quantum arithmetic device configured by PLC on the same substrate.
スポットサイズ変換構造としては、例えば単結晶半導体導波路の両端の一部分が、端部に行くほど断面の寸法が漸次小さくなる構造がある。例えば、光導波路が形成されている基板平面に平行な方向のコア幅が、漸次小さくなればよい。また、基板の法線方向のコア高さが漸次小さくなっていてもよい。また、コア幅およびコア高さが漸次小さくなっていてもよい。このスポットサイズ変換構造を、図１２に示す第１のシリコン細線導波路の入射側、及び第２のシリコン細線導波路の出射側に設けることにより、上記結合効率の問題を解決することができる。 As a spot size conversion structure, for example, there is a structure in which a part of both ends of a single crystal semiconductor waveguide gradually decreases in cross-sectional dimension toward the end. For example, the core width in the direction parallel to the substrate plane on which the optical waveguide is formed only needs to be gradually reduced. Further, the core height in the normal direction of the substrate may be gradually reduced. Further, the core width and the core height may be gradually reduced. By providing this spot size conversion structure on the incident side of the first silicon fine wire waveguide and the emission side of the second silicon fine wire waveguide shown in FIG. 12, the problem of the coupling efficiency can be solved.
本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置では、ＳＷＦＭにより、偏波もつれ光子対が単結晶半導体導波路および偏波回転素子より構成される導波路で発生する。この構成により、前述したようなシリコン細線導波路内の強い偏波依存性に関するウォークオフの問題を解決し、非特許文献４及び特許文献１で報告されているような光ファイバによる外部光回路を用いることなく、上の単結晶半導体導波路のみで偏波もつれ光子対を発生することが可能となる。 In the polarization entangled photon pair generating apparatus according to the present invention, a polarization entangled photon pair is generated by a SWFM in a waveguide composed of a single crystal semiconductor waveguide and a polarization rotation element. This configuration solves the problem of walk-off related to the strong polarization dependence in the silicon thin wire waveguide as described above, and an external optical circuit using an optical fiber as reported in Non-Patent Document 4 and Patent Document 1. Without using it, it becomes possible to generate a polarization-entangled photon pair only with the upper single crystal semiconductor waveguide.
また、斜め４５度の偏波を有するポンプ光を用いることで、それぞれの導波路で誘起される伝搬損失の影響をキャンセルし、式（２）で表わされるような偏波もつれ状態を純度よく得ることができる。 In addition, by using pump light having an oblique polarization of 45 degrees, the influence of the propagation loss induced in each waveguide is canceled, and the polarization entangled state represented by the equation (2) is obtained with high purity. be able to.
また、単結晶半導体導波路を光子対発生用媒質として用いることで、ＳＦＷＭを用いた量子相関光子対の発生を行う非線形媒質としてシリコン細線導波路を用いることで得られる従来の３つの利点と同様の利点を得ることができるのは言うまでもない。 Further, by using a single crystal semiconductor waveguide as a photon pair generating medium, the same as the conventional three advantages obtained by using a silicon fine wire waveguide as a nonlinear medium for generating a quantum correlation photon pair using SFWM. It goes without saying that you can get the benefits of.
シリコン細線導波路（単結晶半導体導波路）に偏波回転素子を組み合わせた構成の導波路を用いることにより、ファイバ干渉計などの外部光回路を用いずに、ワンチップで偏波もつれ光子対を発生させる素子を初めて実現した。 By using a waveguide with a polarization rotation element combined with a silicon wire waveguide (single crystal semiconductor waveguide), a single-chip polarization entangled photon pair can be generated without using an external optical circuit such as a fiber interferometer. The element to be generated was realized for the first time.
１、２ シリコン細線導波路
３ 偏波回転素子
１０ 偏波もつれ光子対発生素子
３１、３３ テーパ部
３２ 第一のコア
３４ 第二のコア
４０ 光源
５０ 偏波調整手段
６０ ポンプ光減衰手段
７０ 分離手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Silicon fine wire waveguide 3 Polarization rotation element 10 Polarization entangled photon pair generation element 31, 33 Tapered part 32 1st core 34 2nd core 40 Light source 50 Polarization adjustment means 60 Pump light attenuation means 70 Separation means
Claims (2)
前記第１の単結晶半導体導波路を通過したＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分と前記自然放出四光波混合過程によって生成された第１の量子相関光子対および第２の量子相関光子対との偏波面をそれぞれ９０度回転させる偏波回転素子と、
前記偏波面が９０度回転されたＴＥ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第３の量子相関光子対を生成すると共に前記９０度回転されたＴＭ偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第４の量子相関光子対を生成する第２の単結晶半導体導波路と、
を備え、
前記第１の単結晶半導体導波路および第２の単結晶半導体導波路は導波方向における長さが互いに等しく、かつ該第１の単結晶半導体導波路および第２の単結晶半導体導波路の導波方向における長さが前記偏波回転素子の導波方向における長さより長く構成されることにより、前記第２の単結晶半導体導波路における、前記偏波面が９０度回転された第１の量子相関光子対および前記第４の量子相関光子対から偏波もつれ光子対を生成し、
前記単結晶半導体導波路はシリコン細線導波路であることを特徴とする偏波もつれ光子対発生素子。 Pump light polarized at an angle of 45 degrees, which is a 1: 1 superposition of TE-polarized pump light and TM-polarized pump light, is input. A first single-crystal semiconductor waveguide for generating a first quantum correlated photon pair by a mixing process and generating a second quantum correlated photon pair by a spontaneous emission four-wave mixing process for the input TM polarization component; ,
The TE polarization component and the TM polarization component that have passed through the first single crystal semiconductor waveguide, and the first quantum correlation photon pair and the second quantum correlation photon pair generated by the spontaneous emission four-wave mixing process A polarization rotation element that rotates the plane of polarization by 90 degrees, and
A third quantum correlation photon pair is generated by a spontaneous emission four-wave mixing process with respect to the TE polarization component whose polarization plane has been rotated by 90 degrees, and spontaneous emission with respect to the TM polarization component rotated by 90 degrees. A second single crystal semiconductor waveguide that generates a fourth quantum correlated photon pair by a light wave mixing process;
With
The first single crystal semiconductor waveguide and the second single crystal semiconductor waveguide have the same length in the waveguide direction, and the first single crystal semiconductor waveguide and the second single crystal semiconductor waveguide are guided. Since the length in the wave direction is longer than the length in the waveguide direction of the polarization rotation element, the first quantum correlation in which the polarization plane is rotated by 90 degrees in the second single crystal semiconductor waveguide. Generating a entangled photon pair from the photon pair and the fourth quantum correlation photon pair ;
The polarization entangled photon pair generating element, wherein the single crystal semiconductor waveguide is a silicon fine wire waveguide .
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| WO2022038590A1 (en) * | 2020-08-16 | 2022-02-24 | B.G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University | On-chip entangled photon pair source |
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