JP6115189B2 - 量子もつれ光子対発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置に関する。

量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置は、量子暗号や量子コンピュータなど、量子情報通信技術を実現するための重要な構成要素となっている。量子もつれ光子対発生装置の実現を目的として、従来、様々な技術が研究されている。様々な技術の中で、非線形光学媒体中でのパラメトリック蛍光を用いる技術が最も実用性に優れている。

パラメトリック蛍光は、非線形光学媒体に１個ないし複数個の励起光子が入力されると、シグナル光子及びアイドラー光子と呼ばれる光子対が一対発生する非線形光学現象である。ここで、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子は、エネルギー保存則に相当する相関関係や偏波についての相関関係がある。

これらの相関関係を利用することにより、量子もつれ光子対を生成することができる。例えば、非特許文献１には、シグナル光子及びアイドラー光子の光子対間に偏波相関がある偏波量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置が開示されている。ここでは、非線形光学媒体として、周期的変調構造を作りつけたＬｉＮｂＯ_３結晶（ＰＰＬＮ結晶：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）を用いたサニャック干渉計型の光干渉計を構成することで、偏波量子もつれ光子対を発生させている。

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

パラメトリック蛍光を利用して量子もつれ光子対を発生させる場合、パラメトリック蛍光現象を生じさせるために励起光子の光源が必要である。例えば、非特許文献１に開示されている量子もつれ光子対発生装置では、励起光子の光源（以下、励起光源と称する。）は、非線形光学媒体を含む光干渉計など量子もつれ対を発生する光学系とは別個に用意されている。

このため、励起光源と光干渉計とを有する量子もつれ光子対発生装置は、全体として大型で高コストとなる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、励起光源と光干渉計が一体化された、より小型で低コストの量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の量子もつれ光子対発生装置は、レーザ共振器と、偏波面変換器と、偏光ビームスプリッタと、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）フィルタとを備えて構成される。レーザ共振器は、光周波数ωｐを含む周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωｐの励起光子を生成する光増幅器、非線形光学効果により、励起光子から光周波数ωｓのシグナル光子及び光周波数ωｉのアイドラー光子の光子対を生成する非線形光学媒体、及び、励起光子の伝播方向に非線形光学媒体を挟む位置に設けられ、シグナル光子及びアイドラー光子を取り出す第１及び第２の光子対取出部を備えている。偏波面変換器は、第１の光子対取出部から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を９０度回転させる。偏光ビームスプリッタは、偏波面変換器からの出力光と、第２の光子対取出部からの出力光とを偏光合成する。ＷＤＭフィルタは、偏光ビームスプリッタからの出力光をシグナル光子の波長成分と、アイドラー光子の波長成分とに空間分離する。

この発明の量子もつれ光子対発生装置によれば、非線形光学媒体が、レーザ共振器の内部に設けられている。すなわち、励起光子の光源（以下、励起光源と称する。）と、非線形光学媒体を含む光干渉計など量子もつれ対を発生する光学系が一体化されている。このため、量子もつれ光子対発生装置のより小型で低コスト化が図られる。

第１のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。 第１のもつれ光子対発生装置に用いられる波長分離フィルタの特性を示す模式図である。 第１のもつれ光子対発生装置に用いられる光バンドパスフィルタの特性を示す模式図である。 第１のもつれ光子対発生装置の第１の変形例の概略構成図である。 第１のもつれ光子対発生装置の第２の変形例の概略構成図である。 第２のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。 第２のもつれ光子対発生装置に用いられる波長分離フィルタの特性を示す模式図である。 第２のもつれ光子対発生装置の変形例の概略構成図である。 レーザ共振器の概略構成図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１のもつれ光子対発生装置）
図１を参照して、この発明に係る量子もつれ光子対発生装置の第１の実施形態（以下、第１のもつれ光子対発生装置とも称する。）について説明する。図１は、第１のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。

第１のもつれ光子対発生装置１０は、レーザ共振器２０と光子対出力部８０を備えて構成される。

レーザ共振器２０は、光増幅器３０、非線形光学媒体４０、第１及び第２の光子対取出部、狭帯域の光バンドパスフィルタ６４、並びに、光遅延回路６６を備えていて、ループ型共振器として構成されている。このレーザ共振器２０は、光周波数ωｐでレーザ発振する。また、光子対出力部８０は、偏波面変換器８２と、偏光ビームスプリッタ８４と、光ローパスフィルタ８６と、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）フィルタ８８とを備えて構成される。

光増幅器３０の一方の端面３０ａは、第１の光経路６０により、非線形光学媒体４０の一方の端面４０ａに、光学結合されている。また、光増幅器３０の他方の端面３０ｂは、第２の光経路６１により、非線形光学媒体４０の他方の端面４０ｂに、光学結合されている。

第１の光経路６０には、狭帯域の光バンドパスフィルタ６４及び第１の光子対取出部として第１の波長分離フィルタ５０が設けられている。第１の波長分離フィルタ５０は第１〜３の入出力端５０ａ〜５０ｃを備えている。第１の波長分離フィルタ５０の第１の入出力端５０ａは、非線形光学媒体４０の一方の端面４０ａに接続されている。また、第１の波長分離フィルタ５０の第２の入出力端５０ｂは、狭帯域の光バンドパスフィルタ６４を経て、光増幅器３０の一方の端面３０ａに接続されている。第１の波長分離フィルタ５０の第３の入出力端５０ｃは、光子対出力部８０の偏波面変換器８２に接続されている。

第２の光経路６１には、光遅延回路６６及び第２の光子対取出部として第２の波長分離フィルタ５１が設けられている。第２の波長分離フィルタ５１は第１〜３の入出力端５１ａ〜５１ｃを備えている。第２の波長分離フィルタ５１の第１の入出力端５１ａは、非線形光学媒体４０の他方の端面４０ｂに接続されている。また、第２の波長分離フィルタ５１の第２の入出力端５１ｂは、光遅延回路６６を経て、光増幅器３０の他方の端面３０ｂに接続されている。第２の波長分離フィルタ５１の第３の入出力端５１ｃは、光子対出力部８０の偏光ビームスプリッタ８４に接続されている。

偏光ビームスプリッタ８４は、第１〜３の入出力端８４ａ〜８４ｃを備えている。偏光ビームスプリッタ８４の第１の入出力端８４ａは、第２の波長分離フィルタ５１の第３の入出力端５１ｃに接続されている。また、偏光ビームスプリッタ８４の第２の入出力端８４ｂは、偏波面変換器８２を経て、第１の波長分離フィルタ５０の第３の入出力端５０ｃに接続されている。偏光ビームスプリッタ８４の第３の入出力端８４ｃは、光ローパスフィルタ８６を経て、ＷＤＭフィルタ８８に接続されている。

光増幅器３０は、光周波数ωｐを含む、光周波数ωｐ近傍の周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωｐの励起光子を生成する。光増幅器３０として、半導体光増幅器や、エルビウム添加光ファイバ導波路等の光導波路タイプの増幅器など、任意好適な従来周知の光増幅器を用いるとことができる。ここでは、光増幅器３０として半導体光増幅器を用いる例を説明する。この場合、光増幅器３０に電流注入することにより、光学利得を生じさせるための駆動電源３４が設けられている。光増幅器が光導波路タイプの増幅器の場合、駆動電源３４に換えて、励起光子を生成する光源が用いられる場合もある。

また、光増幅器３０の両端面３０ａ及び３０ｂは、反射戻り光による動作不安定性を避けるために無反射コーティングされていることが望ましい。

ここでは、レーザ発振の発振偏光方向がＶ偏光であると仮定する。このレーザ発振光は、レーザ共振器を時計回り及び反時計回りの両方向で伝播する。

非線形光学媒体４０は、非線形光学効果により、励起光子から、光周波数ωｓのシグナル光子及び光周波数ωｉのアイドラー光子の光子対を生成する。非線形光学媒体４０として、例えば、周期的変調構造を作りつけたＬｉＮｂＯ_３結晶（ＰＰＬＮ結晶）を用いることができる。ここでは、ＬｉＮｂＯ_３結晶のｄ３３成分を利用する。レーザ発振の発振偏光方向がＶ偏光である場合、ｃ軸方向がＶ偏光方向と合致するようにＬｉＮｂＯ_３結晶を配置する。

この例では、非線形光学媒体４０は、非線形光学効果として、自然パラメトリック下方変換を生じさせるように、周期分極反転の周期が設定される。非線形光学媒体は、励起光子に対する自然パラメトリック下方変換光として、シグナル光子及びアイドラー光子を生成する。このとき、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光周波数ωｐ、ωｓ及びωｉは、ωｐ＝ωｓ＋ωｉの関係式を満たす。また、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光波長λｐ、λｓ及びλｉは、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係式を満たす。量子もつれ光子対の波長帯として、１．５μｍ帯を所望する場合は、励起光子の波長帯として、０．７５μｍを用いればよい。

また、非線形光学媒体４０の両端面４０ａ及び４０ｂは、反射戻り光による動作不安定性を避けるために無反射コーティングされていることが望ましい。

第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１は、励起光子の伝播方向に、非線形光学媒体４０を挟む位置に設けられている。第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１は、シグナル光子及びアイドラー光子をレーザ共振器２０から取り出す。また、第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１は、光周波数ωｐの励起光子を、レーザ共振器内に伝播させてレーザ発振を生じさせる。

このため、第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１が、シグナル光子の光周波数ωｓ及びアイドラー光子の光周波数ωｉと、励起光子の光周波数ωｐの間の境界周波数ωｘ未満の周波数を有する低周波成分の光子をレーザ共振器２０から取り出し、境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分の光子をそのままレーザ共振器２０内に伝播させるのが良い。

図２を参照して、波長分離フィルタの入出力特性を説明する。図２は、波長分離フィルタの入出力特性を示す模式図である。図２は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。図２中、実線Ｉは、第１の入出力端に入力された光に対し、第２の入出力端から出力される透過率を示し、点線ＩＩは、第１の入出力端に入力された光に対し、第３の入出力端から出力される透過率を示している。

これらの特性を示す、第１及び第２の光子対取出部を構成する波長分離フィルタは、市販の光ハイパスフィルタ又は光ローパスフィルタを利用して実現できる。

非線形光学媒体４０の一方の端面４０ａから時計回りの方向に出力される光は、第１の波長分離フィルタ５０の第１の入出力端５０ａに入力される。第１の入出力端５０ａから入力された光のうち、境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分は、第２の入出力端５０ｂから出力され、ループ共振器を時計回りに伝播する。一方、境界周波数ωｘ未満の周波数を有する低周波成分は、第３の入出力端５０ｃからレーザ共振器２０の外部に取り出される。第３の入出力端５０ｃから取り出された低周波成分の光は、光子対出力部８０の偏波面変換器８２に送られる。

一方、光増幅器３０の一方の端面３０ａから出力されて、反時計回りに伝播する光は、第２の入出力端５０ｂから第１の波長分離フィルタ５０に入力される。この第２の入出力端５０ｂから入力された境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分は、第１の入出力端５０ａから出力されて、非線形光学媒体４０に送られる。

また、非線形光学媒体４０の他方の端面４０ｂから反時計回りの方向に出力される光は、第２の波長分離フィルタ５１の第１の入出力端５１ａに入力される。第１の入出力端５１ａから入力された光のうち、境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分は、第２の入出力端５１ｂから出力され、ループ共振器を反時計回りに伝播する。一方、境界周波数ωｘ未満の周波数を有する低周波成分は、第３の入出力端５１ｃからレーザ共振器２０の外部に取り出される。第３の入出力端５１ｃから取り出された低周波成分の光は、光子対出力部８０の偏光ビームスプリッタ８４に送られる。

一方、光増幅器３０の他方の端面３０ｂから出力されて、時計回りに伝播する光は、第２の入出力端５１ｂから第２の波長分離フィルタ５１に入力される。この第２の入出力端５１ｂから入力された境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分は、第１の入出力端５１ａから出力されて、非線形光学媒体４０に送られる。

ここで、レーザ共振器２０には、狭帯域の光バンドパスフィルタ６４が設けられているのが良い。

図３を参照して、狭帯域の光バンドパスフィルタの入出力特性を説明する。図３は、狭帯域の光バンドパスフィルタの入出力特性を示す模式図である。図３は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。

狭帯域の光バンドパスフィルタ６４は、レーザ共振器の発振周波数を光周波数ωｐに限定するために用いられる。これにより、位相整合のとれない光周波数でのレーザ発振を抑制できるため、量子もつれ光子対の生成効率を増加させることができる。

また、ωｐ＝ωｓ＋ωｉの関係式を満たす組合せ以外の、光子対発生を抑制することができる。すなわち、励起光子の光周波数が一つに限定されれば、シグナル光子の光周波数ωｓに対応するアイドラー光子の光周波数ωｉも一つに限定される。このため、光子相関の相関度を上げることができる。

また、レーザ共振器２０には、光遅延回路６６が設けられているのが良い。光遅延回路６６は、レーザ共振器長の調整と、非線形光学媒体４０に左右両方向から入力される励起光子の位相差の調整とに用いられる。レーザ共振器長の調整により、レーザ発振の光周波数が、励起光子の光周波数ωｐに調整される。また、位相差の調整により量子もつれのもつれ具合を最大化できる。

上述したように、第１のもつれ光子対生成装置１０では、レーザ共振器２０は、ループ型共振器を時計回りに伝搬するシグナル光及びアイドラー光を第１の波長分離フィルタ５０から取り出し、反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光を第２の波長分離フィルタ５１から取り出す。

第１の波長分離フィルタ５０から取り出された光子対は、偏波面変換器８２を経て、偏光ビームスプリッタ８４に送られる。また、第２の波長分離フィルタ５１から取り出された光子対は、そのまま、偏光ビームスプリッタ８４に送られる。

偏波面変換器８２は、第１の波長分離フィルタ５０から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を９０度回転させる。ここで、シグナル光子及びアイドラー光子がＶ偏光である場合、偏波面変換器８２で、Ｈ偏光に変換される。

偏波面変換器８２としては、例えば、偏波面保持光ファイバをその中間箇所で９０度光学軸を変換して融着接続したものを利用できる。また、シグナル光子の光周波数ωｓとアイドラー光子の光周波数ωｉが近傍である場合は、１／２波長板を利用しても良い。

偏光ビームスプリッタ８４は、第１〜３の入出力端８４ａ〜８４ｃを有している。第１の入力端８４ａから入力されたＶ偏光の直線偏波光は、第３の入力端８４ｃから出力される。また、第２の入力端８４ｂから入力されたＨ偏光の直線偏波光は、第３の入力端８４ｃから出力される。このように偏光ビームスプリッタ８４は、Ｖ偏光とＨ偏光の直線偏波光を偏光合成して出力する。

偏光ビームスプリッタ８４から出力される光は、光ローパスフィルタ８６に送られる。光ローパスフィルタ８６は、シグナル光子及びアイドラー光子を透過させて、ＷＤＭフィルタ８８に送り、励起光子を遮断する。

光ローパスフィルタ８６から出力される光は、ＷＤＭフィルタ８８に送られる。ＷＤＭフィルタ８８は、シグナル光子の波長成分と、アイドラー光子の波長成分とに空間分離して、偏波量子もつれ光子対として出力する。ＷＤＭフィルタは、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）を用いて構成することができる。

なお、量子もつれ光子対発生装置は、コリメートレンズなどを利用して、各部品を空間光学系として構成としても良いし、光ファイバコネクタなどで光モジュールとして市販されている各部品を接続した光ファイバ光学系として構成しても良い。なお、この量子もつれ光子対発生装置を構成する光学系は、偏光保持光学系であることが望ましいが、光モジュールが偏光保持光学系でない場合は、偏波面コントローラなどを挿入しても良い。

この第１のもつれ光子対発生装置によれば、励起光源部であるレーザ共振器と、非線形光学媒体を含む光子対発生部が一体化されている。このため、より小型で低コストの量子もつれ光子対を提供することができる。また、励起光をレーザ共振器外に取り出す必要がないため、より高効率となる。

（第１のもつれ光子対発生装置の第１の変形例）
図４を参照して、第１のもつれ光子対発生装置の第１の変形例を説明する。図４は、第１の変形例のもつれ光子対発生装置１１の概略図である。

量子もつれのもつれ具合を最大化するためには、Ｖ偏光の光子対とＨ偏光の光子対の生成確率を同じにする必要がある。そのために、非線形光学媒体に入力される励起光の強度を第１の光経路６０及び第２の光経路６１のいずれについても等しくするのが良い。

そこで、この変形例のレーザ共振器２１では、光増幅器を第１及び第２の光増幅器３１及び３２の２つとし、第１及び第２の光増幅器３１及び３２、第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１を、非線形光学媒体４０を中心として対称に配置している。このように構成することで、Ｖ偏光の光子対とＨ偏光の光子対の生成確率を同じにできる。また、第１及び第２の波長分離フィルタ５０及び５１の損失特性にばらつきがある場合には、駆動電源３５及び３６の出力を調整することにより、２つの光増幅器３１及び３２の光学利得に差をつけて補償可能にすることもできる。

その他の構成要素については、第１のもつれ光子対発生装置１０と同様に構成できるので、重複する説明を省略する。

また、この例では、第１の光増幅器３１及び第２の光増幅器３２を接続する第３の光経路６２に、光バンドパスフィルタ６４及び光遅延回路６６を設けている。なお、光バンドパスフィルタ６４及び光遅延回路６６を、第１の光経路６０及び第２の光経路６２にそれぞれ設けて、光バンドパスフィルタ及び光遅延回路を含めて、対称に配置しても良い。

（第１のもつれ光子対発生装置の第２の変形例）
図５を参照して、第１のもつれ光子対発生装置の第２の変形例を説明する。図５は、第２の変形例のもつれ光子対発生装置１２の概略図である。

アプリケーションによっては、量子もつれ光子対を光パルス状に形成する必要がある。そこで、第２の変形例では、レーザ共振器２２内に光変調器６８を備えている。この光変調器６８により、励起光子を光パルス化し、その結果、量子もつれ光子対を光パルス状に形成できる。また、励起光子のピーク強度が増加するので、高効率化となる。

光変調器以外の構成要素については、第１のもつれ光子対発生装置の第１の変形例と同様に構成できるので、重複する説明を省略する。

なお、ここでは、第１のもつれ光子対発生装置の第１の変形例に光変調器を設ける構成について説明したが、第１のもつれ光子対発生装置に、光変調器を設けても良い。

（第２のもつれ光子対発生装置）
図６を参照して、この発明に係る量子もつれ光子対発生装置の第２の実施形態（以下、第２のもつれ光子対発生装置とも称する。）について説明する。図６は、第２のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。

第２のもつれ光子対発生装置１４は、非線形光学媒体４１が、励起光子に対するカスケード２次非線形光学効果による自然パラメトリック下方変換光として、あるいは、励起光子の自然４光波混合光としてシグナル光子及びアイドラー光子を生成する点が、第１のもつれ光子対発生装置と異なっている。

このとき、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光周波数ωｐ、ωｓ及びωｉは、２ωｐ＝ωｓ＋ωｉの関係式を満たす。また、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光波長λｐ、λｓ及びλｉは、２／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係式を満たす。量子もつれ光子対の波長帯として、１．５μｍ帯を所望する場合は、励起光子の波長帯として、１．５μｍを用いればよい。

この場合、第１及び第２の光子対取出部が、シグナル光子とアイドラー光子をレーザ共振器２４から取り出し、励起光子をレーザ共振器内に伝播させてレーザ発振を生じさせる波長分離フィルタで構成される。例えば、波長分離フィルタを、第１及び第２の誘電体多層膜光フィルタ５２及び５３で構成することができる。

図７を参照して、波長分離フィルタの入出力特性を説明する。図７は、波長分離フィルタの入出力特性を示す模式図である。図７は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。図７中、実線Ｉは、第１の入出力端に入力された光に対し、第２の入出力端から出力される透過率を示し、点線ＩＩは、第１の入出力端に入力された光に対し、第３の入出力端から出力される透過率を示している。

この場合、第１及び第２の光子対取出部を透過する光周波数は、励起光子の光周波数ωｐに限定されるため、狭帯域の光バンドパスフィルタは不要となる。

その他の構成については、第１のもつれ光子対発生装置と同様に構成できるので、ここでは、重複する説明を省略する。なお、第２のもつれ光子対発生装置が備える第１及び第２の光子対取出部を第１のもつれ光子対発生装置に適用しても良い。

この第２のもつれ光子対発生装置は、励起光子、アイドラー光子及びシグナル光子が同じ波長帯の光である。このため、単一波長帯で動作する光部品を用いて構成することができ、結合光学系の設計も容易になる。さらに、安価で信頼性の高い汎用部品を利用することができ、信頼性の向上及び低コスト化という利点もある。

（第２のもつれ光子対発生装置の変形例）
図８を参照して、第２のもつれ光子対発生装置の変形例を説明する。図８は、第２のもつれ光子対発生装置の変形例の概略図である。

この変形例のもつれ光子対発生装置１５は、第１及び第２の光子対取出部が異なっており、他の構成は図６を参照して説明した第２のもつれ光子対発生装置と同様なので説明を省略する。

この変形例では、第１の波長分離フィルタが、第１の光サーキュレータ５４及び第１のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５６で構成され、第２の波長分離フィルタが、第２の光サーキュレータ５５及び第２のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）５７で構成されている。

第１の光サーキュレータ５４は第１〜３の入出力端５４ａ〜５４ｃを備えている。第１の入出力端５４ａに入力された光は、第２の入出力端５４ｂから出力され、第２の入出力端５４ｂに入力された光は、第３の入出力端５４ｃから出力され、第３の入出力端５４ｃに入力された光は、第１の入出力端５４ａから出力される。

第１の光サーキュレータ５４の第２の入出力端５４ｂは、非線形光学媒体４１の一方の端面４１ａに接続されている。また、第１の光サーキュレータ５４の第１の入出力端５４ａは、光増幅器３０の一方の端面３０ａに接続されている。第１の光サーキュレータ５４の第３の入出力端５４ｃは、第１のＦＢＧ５６を経て偏波面変換器８２に接続されている。

第２の光サーキュレータ５５は第１〜３の入出力端５５ａ〜５５ｃを備えている。第２の光サーキュレータ５５の第２の入出力端５５ｂは、非線形光学媒体４１の他方の端面４１ｂに接続されている。また、第２の光サーキュレータ５５の第１の入出力端５５ａは、光遅延回路６６を経て、光増幅器３０の他方の端面３０ｂに接続されている。第２の光サーキュレータ５５の第３の入出力端５５ｃは、第２のＦＢＧ５７を経て偏光ビームスプリッタ８４に接続されている。

第１及び第２のＦＢＧ５６及び５７は、励起光子の光周波数ωｐに対応する波長λｐがブラッグ波長となっていて、光周波数ωｐの励起光子を反射する。これ以外の光周波数の光は、ＦＢＧを通過する。

光増幅器３０の一方の端面３０ａから出力された励起光子は、第１の光サーキュレータ５４の第１の入出力端５４ａに入力される。第１の入出力端５４ａに入力された光は、第２の入出力端５４ｂから出力されて非線形光学媒体４１の一方の端面４１ａに入力される。非線形光学媒体４１で生成されたシグナル光子及びアイドラー光子は、非線形光学媒体４１の他方の端面４１ｂから出力されて、第２の光サーキュレータ５５の第２の入出力端５５ｂに入力される。第２の入出力端５５ｂに入力された光は、第３の入出力端５５ｃから出力されて第２のＦＢＧ５７に入力される。第２のＦＢＧ５７は励起光子を反射する構成とされている。シグナル光子及びアイドラー光子は、第２のＦＢＧ５７を通過して偏光ビームスプリッタ８４に送られる。一方、非線形光学媒体４１の他方の端面４１ｂから出力された励起光子は、第２のＦＢＧ５７で反射され、第２の光サーキュレータ５５の第３の入出力端５５ｃ、第１の入出力端５５ａを経て、光増幅器３０に送られる。

光増幅器３０の他方の端面３０ｂから出力された励起光子は、第２の光サーキュレータ５５の第１の入出力端５５ａに入力される。第１の入出力端５５ａに入力された光は、第２の入出力端５５ｂから出力されて非線形光学媒体４１の他方の端面４１ｂに入力される。非線形光学媒体４１で生成されたシグナル光子及びアイドラー光子は、非線形光学媒体４１の一方の端面４１ａから出力されて、第１の光サーキュレータ５４の第２の入出力端５４ｂに入力される。第２の入出力端５４ｂに入力された光は、第３の入出力端５４ｃから出力されて第１のＦＢＧ５６に入力される。第１のＦＢＧ５６は励起光子を反射する構成とされている。シグナル光子及びアイドラー光子は、第１のＦＢＧ５６を通過して、偏波面変換器８２を経て、偏光ビームスプリッタ８４に送られる。一方、非線形光学媒体４１の一方の端面４１ａから出力された励起光子は、第１のＦＢＧ５６で反射され、第１の光サーキュレータ５４の第３の入出力端５４ｃ、第１の入出力端５４ａを経て、光増幅器３０に送られる。

（他の実施形態）
なお、上述した各実施形態及び変形例では、レーザ共振器をループ型共振器とした例を説明したが、これに限定されない。例えば、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器としても良い。

図９を参照して、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器とした場合について説明する。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器とした場合の模式図である。ファブリーペロー型の共振器を用いる場合、対称性の観点から、非線形光学媒体を挟む位置に１対の光増幅器３１及び３２を設ける（図９（Ｂ）参照。）か、あるいは、光増幅器を挟む位置に１対の非線形光学媒体４２及び４３を設けるのが良い（図９（Ｃ）参照）。

なお、ファブリーペロー型の共振器の場合、反射鏡７０が必要となる。これに対し、ループ型共振器は、反射鏡を設ける必要が無く、また、小型が容易である。従って、ループ型共振器を用いるのがより好ましい。

１０、１１、１２、１４、１５ もつれ光子対発生装置
２０、２１、２２、２４、２５ レーザ共振器
３０、３１、３２ 光増幅器
３４、３５、３６ 駆動電源
４０、４１、４２、４３ 非線形光学媒体
５０、５１ 波長分離フィルタ
５２、５３ 誘電体多層膜光フィルタ
５４、５５ 光サーキュレータ
５６、５７ ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
６０、６１、６２ 光経路
６４ 光バンドパスフィルタ
６６ 光遅延回路
６８ 光変調器
７０ 反射鏡
８０ 光子対出力部
８２ 偏波面変換器
８４ 偏光ビームスプリッタ
８６ 光ローパスフィルタ
８８ ＷＤＭフィルタ

Claims (12)

1. 光周波数ωｐを含む周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωｐの励起光子を生成する光増幅器、
   非線形光学効果により、前記励起光子から、光周波数ωｓのシグナル光子及び光周波数ωｉのアイドラー光子の光子対を生成する非線形光学媒体、及び
   励起光子の伝播方向に前記非線形光学媒体を挟む位置に設けられ、前記シグナル光子及びアイドラー光子を取り出す、第１及び第２の光子対取出部
   を備え、光周波数ωｐでレーザ発振するレーザ共振器と、
   前記第１の光子対取出部から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を９０度回転させる偏波面変換器と、
   前記偏波面変換器からの出力光と、前記第２の光子対取出部からの出力光とを偏光合成する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタからの出力光を前記シグナル光子の波長成分と、前記アイドラー光子の波長成分とに空間分離するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）フィルタと
   を備え、
   前記光増幅器が、第１の光増幅器及び第２の光増幅器により構成され、
   前記第１及び第２の光増幅器、前記第１及び第２の光子対取出部、並びに、前記非線形光学媒体が、当該非線形光学媒体を中心として対称に配置されている
   ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
2. 前記レーザ共振器が、ループ型共振器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
3. 前記レーザ共振器内に、光遅延回路を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
4. 前記レーザ共振器内に、光変調器を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
5. 前記偏光ビームスプリッタと前記ＷＤＭフィルタの間に、
   前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を透過させ、前記シグナル光子の光周波数ωｓと、前記アイドラー光子の光周波数ωｉの和で与えられる光周波数の光子を遮断する光ローパスフィルタを備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
6. 前記非線形光学媒体は、前記励起光子に対する自然パラメトリック下方変換光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
7. 前記非線形光学媒体は、前記励起光子に対するカスケード２次非線形光学効果による自然パラメトリック下方変換光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
8. 前記非線形光学媒体は、前記励起光子の自然４光波混合光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
9. 前記レーザ共振器内に、前記励起光子の波長成分を透過させる光バンドパスフィルタを備え、
   第１及び第２の光子対取出部が、前記シグナル光子の光周波数ωｓ及び前記アイドラー光子の光周波数ωｉと、前記励起光子の光周波数ωｐの間の境界周波数ωｘ未満の周波数を有する低周波成分の光子を前記レーザ共振器外に取り出し、前記境界周波数ωｘ以上の周波数を有する高周波成分の光子をレーザ共振器内を伝播させる波長分離フィルタで構成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の量子もつれ光子対発生装置。
10. 第１及び第２の光子対取出部が、前記シグナル光子の波長成分と、前記アイドラー光子の波長成分の光を前記レーザ共振器外に取り出し、前記励起光子の波長成分をレーザ共振器内を伝播させる波長分離フィルタで構成される
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
11. 前記波長分離フィルタが、誘電体多層膜光フィルタで構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の量子もつれ光子対発生装置。
12. 前記波長分離フィルタが、ファイバブラッググレーティングと光サーキュレータで構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の量子もつれ光子対発生装置。

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