JP6376697B2

JP6376697B2 - 光発生装置および光発生方法

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Publication number: JP6376697B2
Application number: JP2014543330A
Authority: JP
Inventors: バーンズ・ティモシー; 喜久山本; ルーク・ペーター・ファン
Original assignee: Inter University Research Institute Corp Research Organization of Information and Systems
Current assignee: Inter University Research Institute Corp Research Organization of Information and Systems
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: JPWO2014065332A1; WO2014065332A1

Description

本発明は、非古典光を発生させる光発生装置および光発生方法、特に、負のウィグナー関数値を有する光を発生させる光発生装置および光発生方法に関する。

量子光学分野においては、光の量子状態を表現する際にウィグナー関数が用いられる。このウィグナー関数は、光が古典的な状態においては、確率密度関数であって負の値をとることはない。古典的な光は、光が生成されるときに光子間に相互作用が全く生じていないときに現れるものであり、古典的な光子間は相互作用がないことから、通常の古典的な光のウィグナー関数値は正である。

しかし、光の間に有効的な相互作用が存在する場合など、非古典的な状態においては、ウィグナー関数は負の値をとることが知られている。負のウィグナー関数値を有する非古典光には、量子コンピューティング（連続変数量子コンピューティング）における演算や情報伝送の手段としての大きな期待が寄せられており、従来、負のウィグナー関数値を有する光を発生させるための手法が提案されている。

鈴木重成、外３名、"光の量子状態制御"、［online］、［平成２４年８月３１日検索］、インターネット＜URL：http://www2.nict.go.jp/advanced_ict/quantum/about/03kasai.html＞

非特許文献１には、スクィーズド光から負のウィグナー関数値を有する非古典光を得る手法が紹介されている。この手法は、スクィーズド光を、所定の反射率を有するビームスプリッタに入射させ、ビームスプリッタにより反射された光の検出をトリガとして、ビームスプリッタを透過した光に対しゲーティング処理を施すことによって、スクィーズド光から負のウィグナー関数値を有する非古典光を得るものである。

しかしながら、上記の手法では、その原理上、負のウィグナー関数値を有する非古典光は所定の確率においてのみ生成される。すなわち、上記の手法では、非古典光は確率論的にのみ生成され、定常的に発生させることはできない、という問題がある。量子コンピューティング（連続変数量子コンピューティング）の一般的実現には、定常的な非古典光の発生が求められており、非特許文献１のような確率的手法とは異なる、負のウィグナー関数値を有する非古典光を発生する新規な手法が求められている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、負のウィグナー関数値を有する非古典光を定常的に出力可能な光発生装置、光発生方法を提供することにある。

実施の態様において、両端部に配された一対のミラー部と、当該一対のミラー部に挟まれた量子井戸部とを備え、当該量子井戸部において励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器と、前記量子井戸部内に励起子を生成する励起部と、前記共振器から出力される出力光の位相を安定化させる位相安定化部とを備えた光発生装置が提供される。

実施の態様において、両端部に配された一対のミラー部と、当該一対のミラー部に挟まれた量子井戸部とを備え、当該量子井戸部において励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器の前記量子井戸部内に励起子を生成する段階と、前記共振器から出力される出力光の位相を安定化させる段階とを備えた光発生方法が提供される。

本発明によれば、負のウィグナー関数値を有する非古典光を定常的に出力することが可能となる。

第１の実施形態の光発生装置の構成を示すブロック図励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器の構成を示す図共振器の詳細な設計例を示す図共振器内のエネルギー準位を示すグラフ共振器内に生成された励起子ポラリトン凝縮体から発せられる光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ図５中の矢示点線断面におけるウィグナー関数の様子を示すグラフ注入同期を施さない共振器内に生成された励起子ポラリトン凝縮体から発せられる光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ注入同期を施した共振器内に生成された励起子ポラリトン凝縮体から発せられる光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ注入同期を施した高いＱ値を有する共振器内に生成された励起子ポラリトン凝縮体から発せられる光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフシミュレーションパラメータとウィグナー関数の値との関係を示したグラフ第２の実施形態の光発生装置の構成を示すブロック図光発生装置の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ光発生装置の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ光発生装置の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示したグラフ第３の実施形態の光発生装置の構成を示すブロック図第４の実施形態の光発生装置の構成を示すブロック図第４の実施形態における共振器に設けられた励起子注入のための電極を説明するための図第４の実施形態における電子（または正孔）を注入するための電極の形状を説明するための図第５の実施形態における共振器に配置された金属膜を説明するための図

以下、添付の図面を参照して、本実施形態の光発生装置、光発生方法を説明する。

［第１の実施形態］
［１．光発生装置の構成］
図１を参照して、本実施形態の光発生装置の構成について説明する。同図に示されるように、光発生装置１００は、ポンプレーザ１と共振器２と注入同期レーザ３とを備えている。光発生装置１００は、これらの構成によってコヒーレントな出力光を発生する装置である。

ポンプレーザ１は、共振器２を励起させるための励起レーザを出射する構成である。例えば、ポンプレーザ１としては、チタンサファイアレーザを採用することができる。チタンサファイアレーザは、出力光の波長を調整可能である。この出力光の波長は、例えば７６０〜７８０（ｎｍ）程度に調整してもよい。また、ポンプレーザ１の出力は、４００〜４０００（Ｗ／ｃｍ^２）程度以上としてもよい。ポンプレーザ１としてチタンサファイアレーザを採用した場合には、レーザ光の出力として連続出力だけでなくパルス出力を得ることも可能となる。一般に、ポンプレーザ１を効率よく動作させるためには、レーザ媒質に蓄積されているエネルギーを十分に抽出する必要があるために、レーザ光がレーザ媒質内を空間的にむらなく、多数回パスできる構造としておくことが好ましい。

図２は、半導体層からなる共振器２の構造を示している。同図に示されるように、共振器２は、ＧａＡｓ基板上において、ＡｌＡｓ層の両端部（上下端）に一対の誘電体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）である反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂを備えて形成されている。図２に示される通り、本実施形態の反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂは、ＡｌＡｓ−ＧａＡｌＡｓ多層膜で構成されている。反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂの間のＡｌＡｓ層中には複数の量子井戸ＱＷ（ＧａＡｓ層）が形成されている。反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂの反射率は、後述の強結合条件を満たすほど長く光子を閉じ込められるだけのものでなくてはならない。強結合条件をより確かに実現するために、量子井戸ＱＷは、共振モードの腹の部分に形成されることが好ましい。量子井戸ＱＷには、励起により形成される電子−正孔対の励起子ｅｘが存在している。この励起子ｅｘは、ポンプレーザ１からのポンピング光によって励起可能な状態となっている。すなわち、ポンプレーザ１は量子井戸ＱＷ内に励起子を生成する励起部である。量子井戸ＱＷにおいて、励起子ｅｘが励起されると、励起子−光子の強結合状態が作り出す励起子ポラリトンが確認される。

図３は、共振器２の積層膜構造について、より詳細な設計例を示している。同図に示されるように、共振器２は、ＧａＡｓ基板上の積層膜構造からなっている。共振器２は、両端部に配された一対の反射鏡ＤＢＲｔおよびＤＢＲｂと、この反射鏡ＤＢＲｔおよびＤＢＲｂに挟まれた量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４とを備えている。量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４では、励起子ポラリトン凝縮体が形成可能となっている。このうち、反射鏡ＤＢＲｔは、膜厚５６８オングストロームのＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ａｓ層と膜厚６５９オングストロームのＡｌＡｓ層とを、前者は１７層、後者は１６層、積層して形成される。また、反射鏡ＤＢＲｂは、膜厚５６８オングストロームのＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ａｓ層と膜厚６５９オングストロームのＡｌＡｓ層とを各２０層積層して形成される。量子井戸部ＱＷ１，ＱＷ２，ＱＷ３，ＱＷ４は、いずれも４層のＧａＡｓ層（膜厚各７０オングストローム）とその間を仕切るバリア層（膜厚３０オングストロームのＡｌＡｓ層）から構成されている。なお、バリア層の材質は、ＡｌＡｓには限られない。図３のような設計を採用すれば、量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４での共振モードの振幅を強くすることができ、効果的な励起子ポラリトンの生成を実現することができる。

図４は、共振器２内のエネルギー準位を説明するグラフである。同図において、縦軸はエネルギー、横軸は量子井戸平面内の運動量を示している。また、図４において、Ｅ_Ｐはキャビティの光子エネルギーレベル、Ｅ_ｅｘは励起子ｅｘのエネルギーレベルを示しており、その重ね合わせの状態として、Ｅ_ＵＰは励起子ポラリトンの高エネルギー準位レベル、Ｅ_ＬＰは励起子ポラリトンの低エネルギー準位レベルを示している。

キャビティ内の励起子ｅｘは、光子ｐとの間で強結合を行い、光子ｐと励起子ｅｘの重ね合わせ状態として新しい量子状態である励起子ポラリトンｅｘｐｌが形成される。すなわち、励起子ｅｘの放出した光子ｐが、反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂにて跳ね返されて再度同じ位相状態の励起子ｅｘを形成することを繰り返すことによって、光子ｐと励起子ｅｘとのコヒーレントな結合状態が形成される。

図４に示されるように、光子ｐが励起子ｅｘと強結合をすれば、励起子ポラリトンｅｘｐｌとなって、低エネルギー準位レベルＥ_ＬＰに落ち込み、更なる冷却により、励起子ポラリトン凝縮体ｅｘｐｌｃとなる。この励起子ポラリトン凝縮体ｅｘｐｌｃは、ＧａＡｓからなる量子井戸ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）の中であれば、１０〜１００Ｋ程度の凝縮温度となる。したがって、共振器２は、液体ヘリウム槽にて冷却されることが好ましい。なお、量子井戸ＱＷをＧａＮやＺｎＯによって形成すれば、凝縮温度をより高く設定することができる。凝縮温度が高くなれば、液体ヘリウム槽ではなく、液体窒素槽によって冷却したり、室温環境下において冷却不要としたりすることも可能となる。

すなわち、共振器２は、ポンプレーザ１からのポンピング光を入射することにより量子井戸ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）において励起子ポラリトン凝縮体ｅｘｐｌｃを形成可能な構造となっている。これにより、共振器２は、コヒーレントな光を出射することができる。

なお、励起子ポラリトン構造体における量子井戸部内に励起子を生成させる方法は、ポンプレーザ１からポンピング光を入射する手法に限られない。共振器を構成する励起子ポラリトン構造体に電極を設け、この電極から量子井戸ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）に対し電子及び正孔を注入する公知の励起子注入部を用いることによっても励起子を生成することが可能である。すなわち、このような励起子注入部を量子井戸ＱＷ内に励起子を生成する励起部として用いることができる。このような電子及び正孔の注入（すなわち、励起子の電気注入）による励起手法は、ポンプレーザが不要となることから、ポンプレーザ１からポンピング光を入射する励起手法と比較して、光発生装置のデバイス構造をコンパクトに設計し易いという利点を有している。なお、励起子注入部を有する光発生装置の詳細については、第４の実施形態において説明する。

励起子ポラリトン凝縮体ｅｘｐｌｃから発せられる光は、ポラリトン同士の相互作用を反映して、そのウィグナー関数値が負となる非古典光を含むものである。しかし、この光の位相は、出力を続けていくうちに位相拡散により変化していき、そのウィグナー関数値が負となる性質が失われてしまう。

なぜなら、励起子ポラリトン凝縮体ｅｘｐｌｃから発せられる光のウィグナー関数値が負となるのは、ポラリトン同士の相互作用によって、出力光位相に特殊な分布が形成されることに起因すると考えられる。それゆえ、レーザの出力継続によって出力光の位相が変化してランダムに近づくと、一旦形成された位相分布の特殊性が失われてしまうと考えられるからである。

したがって、単に、励起子ポラリトン構造体に、励起部によってポンピング光を入射したり、電子注入したりするだけでは、ウィグナー関数の値が負となる非古典光を定常的に発生することはできない。本願発明者は、ウィグナー関数の値が負となる非古典光の定常的な発生を実現するには、ポラリトン同士の相互作用によって形成された位相の特殊な分布を固定する必要があると考えた。

そこで、本実施形態の光発生装置１００では、共振器２から出力される出力光の位相を安定化させる位相安定化部として注入同期レーザ３を備え、これによって、共振器２の出力光の位相変化を抑制している。図１に示されるように、注入同期レーザ３は、その出力する注入同期レーザ光を共振器２に入射する構成である。

一般に、注入同期は、マスターレーザからの狭帯化・周波数安定化された光をスレーブレーザに注入することにより、スレーブレーザの出力波長をロック（同期）する技術である。本実施形態においては、共振器２の出力光が立ち上がる段階で、マスター（注入同期レーザ３）により特定の波長を共振器２内に与え、立ち上がり時のエネルギーに差異を与えている。これにより、特定の波長のみをスレーブ（共振器２によるポラリトン凝縮光）から発振させることができる。

ここでは、位相の安定した注入同期レーザ３の出力光を共振器２に注入することによって、共振器２からの出力光の位相を固定し、共振器２がウィグナー関数の値が負となるような非古典光を定常的に出射するようにするようにしている。なお、注入同期レーザ３に用いるレーザの種類は特に問わない。

周波数安定度の高い注入同期レーザ３によって、共振器２の励起子ポラリトン凝縮体が発する出力光の発振周波数を制御し、出力光の位相を固定することが可能となる。

図５は、光発生装置１００から発せられる光の複素振幅の数値シミュレーション結果の一例を示したグラフである。同図の複素平面において、横軸は実部（Ｒｅ）を縦軸は虚部（Ｉｍ）を表している。また、同図の複素平面においては、中心からの距離が振幅に対応し、その角度が位相に対応している。グラフ中の特に黒みがかった色の部分は、ウィグナー関数の値が負となる部分を示している。

図５のグラフでは、ウィグナー関数の値が負となる部分（グラフ中で黒みがかった部分）とウィグナー関数の値が正となる部分（グラフ中で白みがかった部分）とが交互に隣接した縞状模様の領域が現れている。図６は、図５中の矢示点線断面におけるウィグナー関数の様子を示すグラフである。図６のグラフにおいては、ウィグナー関数Ｗが振動しており、０より小さい負の値となっている領域が複数存在する様子が明確に読み取れる。このように、光発生装置１００は、ウィグナー関数の値が負となる非古典光を出力することができる。

次に、共振器のポラリトン凝縮に注入同期レーザを適用しない場合と、本実施形態の光発生装置１００のように共振器２のポラリトン凝縮に注入同期レーザ３を適用した場合との出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示す。

図７は、共振器のポラリトン凝縮に、注入同期レーザを適用しない場合の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図７の（ａ）〜（ｄ）においては、時間ｔが０から２まで進展するにつれて、出力光の位相は大きく拡散していることがわかる。また、これらの出力光は、いずれも白色で示された古典光であることが読み取れる。

これに対して、図８は、本実施形態の光発生装置１００のように、共振器２のポラリトン凝縮に、注入同期レーザ３を適用した場合の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図８の（ａ）〜（ｃ）において、時間ｔが０から２まで進展する間、出力光の位相は僅かに拡散している。しかし、図８の（ｂ）〜（ｃ）（時間ｔが０．２〜２）においては、ウィグナー関数の値が負となる部分（グラフ中で黒みがかった部分）が発生しており、出力光はいずれもウィグナー関数の値が負となる非古典光となっている。

図８のシミュレーション結果から、共振器２のポラリトン凝縮に、注入同期レーザ３を適用する光発生装置１００は、ウィグナー関数の値が負となる非古典光を、時間が経過しても定常的に出力することがわかる。

近時、例えば励起子ポラリトン構造体において、誘電体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）の構造を改善することにより、極めて高いＱ値を実現し、ポラリトンの寿命を１００ピコ秒オーダにまで伸ばした実験例が報告されている。ここでは、共振器２のＱ値を高めて、ポラリトンを長寿命化した場合の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示す。

図９は、注入同期レーザ３の出力を図８のときの１０分の１とし、ポラリトンの寿命が１ナノ秒程度となる極めて高いＱ値を有する共振器２の励起子ポラリトン構造体に、注入同期レーザ光を入射した場合の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図９の（ａ）〜（ｃ）において、時間ｔが０から１０まで進展する間、出力光の位相は僅かに拡散している。しかし、図９の（ｂ）〜（ｃ）（時間ｔが０．１〜１０）においては、ウィグナー関数の値が負となる部分（グラフ中で黒みがかった部分）が図８よりも強く現れていることが読み取れる。一般には、注入同期レーザ３の出力が大きい方が負のウィグナー関数の光を得る上では有利であるが、図８と図９とを対比すると、注入同期レーザ３の出力が小さくても、共振器２のＱ値が高く、ポラリトンが長寿命であれば、負領域の大きいウィグナー関数の光が得られることがわかる。

図１０は、上述のシミュレーションにおいて、励起子−ポラリトンの相互作用強度を示すパラメータＵを変化させたときに、ウィグナー関数の有する負領域の程度がどのように変化するのかを示すグラフである。同図のグラフで、縦軸はウィグナー関数の有する負領域の積分値を示すパラメータＮを表し、横軸は注入同期レーザ３の出力強度を示すパラメータＫを表している。図１０（ａ）は、共振器２のＱ値がポラリトンの寿命にして１００ピコ秒であるときの結果、図１０（ｂ）は、共振器２のＱ値がポラリトンの寿命にして１ナノ秒であるときの結果を示している。

図１０の結果から、大略の傾向として、傾向Ａ）励起子−ポラリトンの相互作用が強くなるほどウィグナー関数の負領域の程度が増大することが読み取れる。すなわち、図１０（ａ）において、パラメータＵが０．１，０．５，１と大きくなるにつれて、縦軸に示されたウィグナー関数の有する負領域の程度Ｎの絶対値（ピーク値）は大きくなっている。同様に、図１０（ｂ）において、パラメータＵが０．１，０．５，０．９と大きくなるにつれて、縦軸に示されたウィグナー関数の有する負領域の程度Ｎの絶対値は大きくなっている。

また、図１０の結果から、大略の傾向として、傾向Ｂ）共振器のＱ値が高くなると（すなわち、ポラリトンが長寿命化すると）ウィグナー関数の負領域の程度が増大することが読み取れる。例えば、図１０（ａ）に示されたＵ＝０．５のグラフと図１０（ｂ）に示されたＵ＝０．５のグラフとを比較すると、後者の方が前者よりもウィグナー関数の有する負領域の程度Ｎ（絶対値）が３倍程度大きくなっている。この関係、および図１０（ａ）に示されたＵ＝１のグラフと図１０（ｂ）に示されたＵ＝０．９のグラフとの関係も参考にすれば、上記傾向Ｂ）は励起子−ポラリトンの相互作用が強い例で顕著に現れることが推測される。一般に、ウィグナー関数の負領域の程度は、前述の位相安定化において、位相を固定しようとする作用と位相を回転させようとする作用、励起子−ポラリトンの相互作用との関係によって決まる。

以上のように、本実施形態の光発生装置１００によれば、ポンプレーザ１が共振器２に対してポンピング光を照射することにより、または電子注入部が共振器２の量子井戸部ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）に対し電極から電子注入することにより、共振器２の量子井戸部に励起子ポラリトン凝縮体が生成される。そして、この励起子ポラリトン凝縮体から出力光が放出される。このとき、注入同期レーザ３によって安定した注入同期レーザ光を共振器２に照射することにより、共振器２からの出力光は、位相が安定し、負のウィグナー関数値を有する非古典光となる。

［第２の実施形態］
図１１を参照して、光発生装置の更なる実施形態の構成について説明する。第１の実施形態では、位相安定化部として注入同期レーザ３を設けていたが、第２の実施形態では、位相安定化部として光学的ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ）３０を設けた例を説明する。

図１１に示されるように、光発生装置２００は、ポンプレーザ１と共振器２と光学的ＰＬＬ３０とを備えている。光発生装置２００は、これらの構成によって、コヒーレントな出力光を発生する装置である。ここで、ポンプレーザ１と共振器２との構造は、光発生装置１００と同様であるから、その詳細な説明を省略する。

光発生装置２００は、光学的ＰＬＬ３の働きにおいて、共振器２から出力される出力光の位相を検出し、検出された出力光の位相に注入同期レーザ３３から出力される注入同期レーザ光の位相を同期させることによって、共振器２の出力光の位相変化を抑制している。図１に示されるように、光学的ＰＬＬ３は、位相検出器３１，ループフィルタ３２，注入同期レーザ３３を備えている。すなわち、光学的ＰＬＬ３は、共振器２の出力光と位相の同期した光を注入同期レーザ３３から出力するＰＬＬ回路である。

位相検出器３１は、共振器２から出射される出力光の一部を入力し、さらに、注入同期レーザ３３のレーザ光を入力して、共振器２から出射される出力光と注入同期レーザ３３のレーザ光との位相のずれを示す位相誤差信号を生成する。そして、位相検出器３１は、この位相誤差信号をループフィルタ３２に出力する。ループフィルタ３２は、入力された位相誤差信号を整形して注入同期レーザ３３に出力する。なお、位相検出器３１とループフィルタ３２との間には適宜のゲイン調整器を設けてもよい。

注入同期レーザ３３は、入力される位相誤差信号の値がゼロになるように、出力光の位相を制御する。これにより、共振器２の出力光と注入同期レーザ３３の出力光との位相が揃った状態となる。そして、この注入同期レーザ３３の出力光が、位相検出器３１と共振器２とに入射される。

本実施形態では、光学的ＰＬＬ３を設けて、注入同期レーザ光の位相を調整し、共振器２の出力光の位相と揃えることによって、共振器２から出力される出力光の位相を安定化させる構成となっている。これにより、注入同期レーザ３３の出力が弱くても、共振器２から出力される出力光の位相を効果的に安定化させることができる。

図１２は、光発生装置２００の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図１２の（ａ）〜（ｆ）において、時間ｔが０から１０まで進展する間、出力光の位相は拡散している。しかし、図１２の（ｂ）〜（ｆ）（時間ｔが１〜１０）においては、グラフ中で黒みがかった領域が現れており、出力光はいずれもウィグナー関数の値が負となる非古典光となっている。

図１３は、その他の条件は図１２と同じで、注入同期レーザ３３の出力を図１２のときの１０倍としたときの光発生装置２００の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図１３の（ａ）〜（ｆ）において、時間ｔが０から１０まで進展する間、出力光の位相は拡散している。しかし、図１３の（ｂ）〜（ｆ）（時間ｔが１〜１０）においては、グラフ中で黒みがかった領域が現れており、出力光はいずれもウィグナー関数の値が負となる非古典光となっている。

図１４は、その他の条件は図１２と同じで、励起子−ポラリトンの相互作用強度を示すシミュレーションパラメータを、図１２のときの１０倍とし、さらに、注入同期レーザ３３の出力を図１２のときの１００倍とした場合の光発生装置２００の出力光の複素振幅の数値シミュレーション結果を示すグラフである。図１４の（ａ）〜（ｆ）において、時間ｔが０から２まで進展する間、出力光の位相は拡散している。しかし、図１４の（ｂ）〜（ｆ）（時間ｔが０．１〜１０）においては、グラフ中で黒みがかった領域が強く現れており、出力光はいずれもウィグナー関数の値が負となる非古典光となっている。

図１２〜図１４に示したシミュレーション結果から、共振器２の励起子ポラリトン構造に、光学的ＰＬＬ３０を適用する光発生装置２００は、ウィグナー関数の値が負となる非古典光を、時間が経過しても定常的に出力することがわかる。

以上のように、本実施形態の光発生装置２００によれば、ポンプレーザ１が共振器２に対してポンピング光を照射することにより、または電子注入部が共振器２の量子井戸部ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）に対し電極から電子注入することにより、共振器２の量子井戸部に励起子ポラリトン凝縮体が生成される。そして、この励起子ポラリトン凝縮体から出力光が放出される。このとき、光学的ＰＬＬ３によって共振器２からの出力光と同期した位相の注入同期レーザ光を共振器２に照射することにより、共振器２からの出力光は、位相が安定し、負のウィグナー関数値を有する非古典光となる。

［第３の実施形態］
図１５を参照して、光発生装置の更なる実施形態について説明する。第１および第２の実施形態では、位相安定化部として注入同期レーザ３や光学的ＰＬＬ３０を設けていたが、第３の実施形態では、位相安定化部として、上記のような光学的手段ではなく、共振器長制御部４０およびＰＺＴ（piezoelectric transducer）４４を設けた例を説明する。

図１５に示されるように、光発生装置３００は、ポンプレーザ１と共振器２と共振器長制御部４０とを備えている。光発生装置３００は、これらの構成によって、コヒーレントな出力光を発生する装置である。ここで、ポンプレーザ１と共振器２との構造は、光発生装置１００ないし光発生装置２００と同様であるから、その詳細な説明を省略する。

共振器長制御部４０は、位相検出器４１，ループフィルタ４２，ピエゾドライバ４３を備えている。さらに、ピエゾドライバ４３の出力は、共振器２のＰＺＴ４４に接続されている。

ＰＺＴ４４は、圧電体に加えられた電圧を力や体積変化に変換する逆圧電効果を利用した素子である。ＰＺＴ４４は、例えば圧電セラミックなどの圧電材料から構成される。ＰＺＴ４４は、ピエゾドライバ４３から印加された直流電圧に応じて伸張または収縮し、共振器２の共振器長、すなわち反射鏡ＤＢＲｔと反射鏡ＤＢＲｂとの間隔（図２参照）を伸張させたり、収縮させたりする。共振器２にＰＺＴ４４を備える態様は、ＰＺＴ４４の伸縮によって、共振器２の共振器長、すなわち反射鏡ＤＢＲｔと反射鏡ＤＢＲｂとの間隔を調整できるものであれば特に限定されない。

光発生装置３００は、共振器長制御部４０の働きによって、共振器２から出力される出力光の位相を検出し、この検出結果に応じて、共振器２に備えられたアクチュエータとしてのＰＺＴ４４を駆動する。これにより、共振器２の共振器長を物理的に調整して、共振器２から出力される出力光の位相を制御する。

具体的には、位相検出器４１は、共振器２から出射される出力光の一部を入力して、基準信号と比較し、両者の位相差を示す位相差信号を生成する。位相差信号は、積分回路とローパスフィルタとを組み合わせて形成されたループフィルタ４２において直流信号に変換される。この直流信号が、ピエゾドライバ４３において直流電圧に変換され、この直流電圧が、共振器２のＰＺＴ４４に印加される。

このように、光発生装置３００の共振器長制御部４０は、共振器２から出力される出力光の位相を検出し、この測定結果をフィードバックしながら、上記出力光の位相を安定化させるように、ＰＺＴ４４の伸縮を制御する。これにより、共振器２の共振器長、すなわち反射鏡ＤＢＲｔと反射鏡ＤＢＲｂとの間隔が変化する。出力光の位相を安定化させるには、共振器２の共振器長を極めて高精度で制御することが必要になる。ＰＺＴ４４は、印加電圧の変化に精度よく、例えばナノメートルの精度で反応することができるので、目的の達成に好適である。

すなわち、光発生装置３００は、共振器２の共振器長を制御することによって、共振器２から出力される出力光の位相を安定化させる構成を位相安定化部として採用している。これにより、注入同期技術を用いなくても、共振器２から出力される出力光の位相を効果的に安定化させることが可能となる。

［第４の実施形態］
共振器を構成する励起子ポラリトン構造体に電極を設け、この電極から量子井戸ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）に対して、電子及び正孔を注入（換言すれば、励起子を電気注入）することで、励起子を生成する光発生装置の構成を説明する。

図１６に、第４の実施形態の光発生装置の構成を示す。図１６に示すように、本実施形態の光発生装置４００は、ポンプレーザに代えて、ポラリトン励起子を励起するための電子及び正孔を共振器２に注入する励起子注入部５０を備えている。励起子注入部５０により、共振器２の量子井戸ＱＷ（ＱＷ１〜ＱＷ４）に対して電子及び正孔を注入するため、図１７に示すように、共振器２の一端面に電子を注入する電極５１が設けられ、他端面に正孔を注入する電極５２が設けられている。電極５１は図１８に示すように中央に開口を有するリング状形状を有する。なお、電極５１に正孔が注入され、電極５２に電子が注入されてもよい。

電子注入部５０により電極５１と電極５２間に所定の直流電圧が印加されて共振器２に電子及び正孔が注入される。これにより共振器２の量子井戸ＱＷ内に励起子が生成される。同時に、注入同期レーザ３により、電極５１の中央の開口を介して共振器２に注入同期レーザ光が照射される。これにより位相の安定した特定波長の非古典光が、リング状の電極５１の中央の開口から出力される。

このような励起子注入部５０を備える構成によれば、ポンプレーザが不要となることから、ポンプレーザ１からポンピング光を入射する構成と比較して、光発生装置の構造をコンパクトに設計できるという利点がある。

［第５の実施形態］
第１の実施形態において、図１９に示すように共振器２表面において金属膜（metal mask）８０をさらに配置してもよい。この金属膜８０により、ポラリトンが存在する領域を限定された領域内に制限することが可能となり、相互作用を増大することができる。

特に、金属膜８０は、図１９（ｂ）に示すように、非古典光が出力される領域の周囲を囲うように、すなわち開口領域８２を有するように共振器２の表面に配置される。ポラリトンは、金属膜８０が配置されていない領域下においては、ＤＢＲミラーの境界条件により、低いポテンシャルを有する。一方、金属膜８０が配置されている領域下において、ポラリトンは、高いエネルギを有し、開口領域８２の下部に留まろうとする。金属膜８０により、ポラリトンが存在する領域をより小さくすることにより、ポラリトン間の平均距離が近くなり、相互作用が増大する。

以上説明した金属膜８０を配置し、ポラリトンが存在する領域を制限して相互作用を増大させるという思想は、第１〜第３の実施形態の構成においても適用することができる。

［まとめ］
以上、本発明に係る光発生装置の実行する光発生方法は、両端部に配された一対の反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂと、反射鏡ＤＢＲｔおよび反射鏡ＤＢＲｂに挟まれた量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４とを備え、量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４において励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器２の量子井戸部ＱＷ１〜ＱＷ４内に励起子を生成する段階と、共振器２から出力される出力光の位相を安定化させる段階とを備えるものである。

本発明の光発生装置ないし光発生方法によれば、負のウィグナー関数値を有する非古典光を定常的に出力することが可能となる。

上記の思想は、上記の実施の形態に限られず、種々の実施の形態において実施可能である。発明の精神を逸脱しない範囲で、本発明には各種の変形を施すことができる。

本発明の光発生装置ないし光発生方法は、量子コンピューティングにおける演算や情報伝送の手段など、量子情報工学分野、量子光学分野において広く利用可能である。

Claims

両端部に配された一対のミラー部と、当該一対のミラー部に挟まれた量子井戸部とを備え、当該量子井戸部において励起子と光子とが強結合しポラリトンが形成され、励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器と、
前記量子井戸部内に励起子を生成する励起部と、
前記共振器から出力される出力光の位相にポラリトン同士の相互作用による特殊な分布が形成されることにより、ウィグナー関数の値が負となる光を発するように、出力光の位相を安定化させる位相安定化部とを備えた光発生装置。
前記励起部は、前記共振器に対しポンピング光を照射する光源である請求項１に記載の光発生装置。
前記励起部は、前記共振器の量子井戸部に対し電極から電子及び正孔を注入する電気注入部である請求項１に記載の光発生装置。
前記位相安定化部は、注入同期レーザ光を前記共振器に照射する注入同期レーザである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光発生装置。
前記位相安定化部は、前記共振器から出力される出力光の位相を検出し、検出された出力光の位相に前記注入同期レーザ光の位相を同期させる請求項４に記載の光発生装置。
前記位相安定化部は、前記共振器から出力される出力光の位相を検出し、検出された出力光の位相に応じて、前記共振器の共振器長を調整する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光発生装置。
前記ミラー部は、誘電体多層膜反射鏡である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光発生装置。
前記共振器の出力光を出射する端面において、出力光を出射する領域の周囲に金属膜を配置した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光発生装置。
両端部に配された一対のミラー部と、当該一対のミラー部に挟まれた量子井戸部とを備え、当該量子井戸部において励起子と光子とが強結合しポラリトンが形成され、励起子ポラリトン凝縮体を形成可能な共振器の前記量子井戸部内に励起子を生成する段階と、
前記共振器から出力される出力光の位相にポラリトン同士の相互作用による特殊な分布が形成されることにより、ウィグナー関数の値が負となる光を発するように、出力光の位相を安定化させる段階とを備えた光発生方法。