KR101573867B1 - On-demand single-photon source for quantum communication - Google Patents

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KR101573867B1
KR101573867B1 KR1020140096642A KR20140096642A KR101573867B1 KR 101573867 B1 KR101573867 B1 KR 101573867B1 KR 1020140096642 A KR1020140096642 A KR 1020140096642A KR 20140096642 A KR20140096642 A KR 20140096642A KR 101573867 B1 KR101573867 B1 KR 101573867B1
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박희수
최상경
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한국표준과학연구원
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Abstract

Disclosed is a customized single-photon light source for quantum communication. According to an embodiment of the present invention, the single-photon light source includes: a photon-pair light source which uses a voluntary parametric down-conversion or spontaneous four-wave mixing phenomenon to generate a pair of photons; an announcing photon detector which detects one of the photons generated as a pair; and an optical buffer which executes a variable optical delay operation by using the other photon not detected by the announcing photon detector and outputs the photon. A single photon with a high probability at a desired point in time can be obtained by using a time multiplexing method combining the photon-pair light source, announcing photon detector, and variable optical buffer to implement highly secure quantum communication while reducing noise.

Description

양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원{ON-DEMAND SINGLE-PHOTON SOURCE FOR QUANTUM COMMUNICATION}≪ Desc / Clms Page number 1 > ON-DEMAND SINGLE-PHOTON SOURCE FOR QUANTUM COMMUNICATION <

본 발명은 양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일광자를 정보의 전달 매개체로 사용하는 양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a customized single photon source for quantum communication, and more particularly to a custom single photon source for quantum communication using a single photon as a medium of transmission of information.

다수의 광자에 기반한 기존의 광통신 기술은 항상 보안 문제를 수반하고 있으며, 이를 극복하기 위해 복잡한 알고리즘에 기반한 소프트웨어적인 보안 기술을 활용하고 있다. 그러나 소프트웨어적인 방법은 하드웨어의 발전과 함께 하드웨어 제공자의 신뢰성 문제 등 보안을 위협하는 요소들이 있으며, 이에 따라 물리 법칙에 기반하여 보다 근본적으로 보안 문제를 해결할 수 있는 양자 통신 기술이 개발되고 있다.Conventional optical communication technologies based on multiple photons always involve security problems, and software - based security technologies based on complex algorithms are used to overcome them. However, the software method has security factors such as the hardware development and the reliability problem of the hardware provider. Therefore, a quantum communication technology that can solve the security problem more fundamentally based on the physical law is being developed.

단일광자 광원은 양자 통신을 위한 핵심 요소로서 원하는 시간에 단 하나의 광자만 발생시키는 이상적인 단일광자 광원이 존재한다면 통신 선로 중간에서 도청자가 일부의 신호를 가로챌 수 있는 가능성을 없앨 수 있으나, 현실적으로 이상적인 단일광자 광원은 존재하지 않는다.A single photon source is a key element for quantum communication, and if there is an ideal single photon source that generates only one photon at a desired time, it is possible to eliminate the possibility that the eavesdropper intercepts some signals in the middle of the communication line, There is no single photon source.

기존의 양자 통신에서는 약한 레이저 펄스 또는 비선형 광학 기반의 광자쌍 광원이 주로 사용되는데, 이들은 보통 10% 이하의 광자 발생효율을 가지며, 광자 발생효율을 이보다 높이고자 하면 둘 이상의 광자가 동시에 출력되는 경우가 많아져 보안성을 심각하게 저해하게 된다. 이외에도 양자점이나 단일원자를 이용한 소위 단일 방출체(Single Emitter) 기반의 단일광자 광원도 개발되고 있으나, 공통적으로 광자 수집효율의 한계로 인해 충분한 단일광자 발생효율을 얻지 못하고 있는 실정이다.
In conventional quantum communication, weak laser pulses or nonlinear optics based photon pair light sources are mainly used. Generally, they have a photon generation efficiency of 10% or less, and when two or more photons are simultaneously output in order to increase the photon generation efficiency And the security is seriously deteriorated. In addition, a single photon source based on so-called single emitters using quantum dots or single atoms has also been developed, but a sufficient single photon generation efficiency has not been obtained due to the limit of the photon collection efficiency commonly.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광자쌍 광원, 예고 광자검출기, 및 가변 광버퍼를 결합한 시간 다중화 방식을 통해 원하는 시간에 단일광자가 발생되는 확률을 높임과 동시에 둘 이상의 광자 발생에 의한 잡음은 줄일 수 있으며, 이때 기존에 사용되는 광자쌍 광원 및 기술적 실현가능성이 있는 광버퍼 구조를 활용함으로써 실용화 가능성도 높일 수 있는 양자 통신을 위한 주문형 단일광자 광원을 제공하는 것이다.
A problem to be solved by the present invention is to increase the probability that a single photon is generated at a desired time through a time multiplexing method combining a photon pair light source, a preliminary photon detector and a variable optical buffer, and reduce noise caused by generation of two or more photons In this case, it is possible to provide a customized single photon source for quantum communication, which can be put to practical use by utilizing a conventional photon pair light source and a technically feasible optical buffer structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원은, 자발매개하향변환 또는 자발사광파혼합 현상을 이용하여 한 쌍의 광자를 발생시키는 광자쌍 광원; 상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자를 검출하는 예고 광자검출기; 및 상기 예고 광자검출기에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자에 가변 광지연을 가한 후에 상기 광자를 출력하는 광버퍼를 포함할 수 있다.A single photon source according to an embodiment of the present invention includes a photon pair light source for generating a pair of photons by using a spontaneous-parameter down conversion or an eigen-emission light wave mixing phenomenon; A preliminary photon detector for detecting any one of the pair of photons; And an optical buffer for outputting the photon after applying a variable optical delay to the remaining one photon not detected by the predictor photon detector.

상기 광자쌍 광원은, 자발매개하향변환 또는 자발사광파혼합을 일으키는 비선형 광매질; 및 상기 비선형 광매질에 입사하여 상기 한 쌍의 광자를 발생시키는 펌프 광원을 포함할 수 있다.The photon pair light source includes a nonlinear optical medium that causes spontaneous parameter down conversion or self-emission light wave mixing; And a pump light source incident on the nonlinear optical medium to generate the pair of photons.

상기 비선형 광매질은, 상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자는 가시광선 또는 근적외선 영역의 파장을 갖도록 하고, 나머지 하나의 광자는 통신파장 대역을 갖도록 할 수 있다.In the nonlinear optical medium, one of the pair of photons may have a wavelength in a visible light or a near-infrared region, and the other one of the photons may have a communication wavelength band.

상기 펌프 광원은, 일정한 주기를 갖는 펄스형 레이저이고, 상기 주기는, 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리를 빛이 지나가는 시간과 펄스폭 이내에서 일치할 수 있다.The pump light source is a pulsed laser having a constant period, and the period may correspond to a distance corresponding to a minimum unit of the magnitude of the optical delay within a pulse width and a time during which the light passes.

상기 광버퍼는, 상기 예고 광자검출기에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자의 편광을 바꾸는 전광 변조기; 상기 전광 변조기를 통과한 광자의 편광에 따라 광경로를 분할하는 편광 빔분할기; 및 상기 편광 빔분할기에 의해 나뉘어진 광경로에 따라 서로 다른 광지연을 광자에 인가하는 광지연 선로를 포함할 수 있다.Wherein the optical buffer includes an electro-optic modulator for changing polarization of the remaining one photon not detected by the predictive photon detector; A polarization beam splitter for splitting the optical path according to the polarization of the photon passed through the all-optical modulator; And an optical delay line for applying different optical delays to the photons in accordance with the optical path divided by the polarization beam splitter.

상기 전광 변조기는, N개가 구비되고, 상기 전광 변조기 N개 각각에 의해 선택되는 두 광경로의 거리 차이는, 각각 L, 2L, 4L, …, 2N-1L(여기서, L은 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리이다.)일 수 있다.N total number of the all-optical modulators, and the difference in distance between the two optical paths selected by each of the N optical modulators is L, 2L, 4L, ... , 2N- 1L (where L is a distance corresponding to the minimum unit of the magnitude of the optical delay).

상기 광경로는, 광섬유를 포함할 수 있다.The optical path may include an optical fiber.

상기 단일광자 광원은, 상기 예고 광자검출기가 상기 광자를 검출한 시간을 기초로 구동신호를 생성하여 상기 구동신호를 상기 전광 변조기에 인가하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다.The single photon source may further include a signal processing unit for generating a driving signal based on a time when the predicted photon detector detects the photon and applying the driving signal to the all-optical modulator.

상기 신호 처리부는, 현장 프로그래머블 게이트 어레이를 포함할 수 있다.The signal processing unit may include a field programmable gate array.

상기 광버퍼는, 상기 예고 광자검출기가 상기 광자를 검출한 시간과 기준 시간과의 차이를 보상하여 정해진 시간에 광자를 출력하도록 광지연 값을 조절할 수 있다.
The optical buffer may adjust the optical delay value so as to output the photon at a predetermined time by compensating for the difference between the time when the predicted photon detector detected the photon and the reference time.

본 발명의 실시예에 따르면, 광자쌍 광원, 예고 광자검출기, 및 가변 광버퍼를 결합한 시간 다중화 방식을 통해 원하는 시간에 단일광자가 발생되는 확률을 높임과 동시에 둘 이상의 광자 발생에 의한 잡음은 줄일 수 있다. 이때 기존에 사용되는 광자쌍 광원 및 기술적 실현가능성이 있는 광버퍼 구조를 활용함으로써 실용화 가능성도 높일 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, a time multiplexing method combining a photon pair light source, a preliminary photon detector, and a variable optical buffer increases the probability of generating a single photon at a desired time, and reduces noise caused by generation of two or more photons have. At this time, it is possible to increase the possibility of practical use by utilizing the existing photon pair light source and the optical buffer structure having technological feasibility.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원에서 광자가 출력되는 시간을 고정하는 원리를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram illustrating a single photon source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view illustrating a principle of fixing a time at which a photon is output in a single photon source according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

본 발명은 다양한 실시예들을 가질 수 있는바 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변형예들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention may have various embodiments, and particular embodiments are illustrated and described in the drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all variations that fall within the spirit and scope of the invention.

다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용한 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어는 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Unless otherwise defined, terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Also, terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art, and should not be construed as an ideal or overly formal sense.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but there may be other elements in between . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니며, 단수 표현은 문맥상 명백하게 다른 의미가 아니라면 복수 표현을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 특히, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하려는 것은 아니다.It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention, the singular forms of which shall be construed as including plural referents unless the context clearly dictates otherwise. In particular, the terms "comprise" or "having" are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, or a combination thereof, , Steps, operations, elements, components, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하되, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였음에 유의하여야 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used for the same components, although they are shown in different drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a single photon source according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 다중화 단일광자 광원은 펌프 광원(110)과 비선형 광매질(120)로 구성되어 자발매개하향변환(Spontaneous Parametric Down-Conversion; SPDC) 또는 자발사광파혼합(Spontaneous Four-Wave Mixing; SFWM) 현상을 이용하여 한 쌍의 광자를 발생시키는 광자쌍(Photon Pair) 광원, 상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자를 검출하는 예고 광자검출기(130), 예고 광자검출기(130)에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자에 가변 광지연(Tunable Optical Delay)을 가한 후에 상기 광자를 출력하는 광버퍼(150), 및 예고 광자검출기(130)가 상기 광자를 검출한 시간을 기초로 광버퍼(150)의 광지연의 크기를 결정하는 신호 처리부(140)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a time-multiplexed single photon source according to an exemplary embodiment of the present invention includes a pump light source 110 and a nonlinear optical medium 120. The spon- taneous parametric down-conversion (SPDC) A photon pair light source for generating a pair of photons using a spontaneous four-wave mixing (SFWM) phenomenon, a preliminary photon detector 130 for detecting any one of the pair of photons, An optical buffer 150 for outputting the photon after applying a tunable optical delay to the remaining one photon not detected by the predictive photon detector 130 and a predictive photon detector 130 for detecting the photon And a signal processing unit 140 that determines the magnitude of the optical delay of the optical buffer 150 based on one time.

펌프 광원(110)은 자발매개하향변환(SPDC) 또는 자발사광파혼합(SFWM)을 일으키는 비선형 광매질(120)에 입사하여 한 쌍의 광자를 동시에 발생시키는 것으로서 일정한 주기(T)를 갖는 펄스형 레이저일 수 있다. 이때 주기(T)는 광버퍼(150)에 의해 조절되는 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리(L)를 빛이 지나가는 시간과 펄스폭 이내에서 일치한다.The pump light source 110 is incident on the nonlinear optical medium 120 causing SPDC or SFWM to generate a pair of photons at the same time, Lt; / RTI > At this time, the period T corresponds to a distance L corresponding to the minimum unit of the magnitude of the optical delay controlled by the optical buffer 150 within the pulse width and the time during which the light passes.

비선형 광매질(120)은 펌프 광원(110)이 입사되면 자발매개하향변환(SPDC) 또는 자발사광파혼합(SFWM)이라 불리는 양자역학적인 원리에 의해 항상 두 개씩의 광자를 동시에 생성할 수 있다. 이때 두 개의 광자가 갖는 파장과 진행 방향은 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 의해 결정된다. 그런데 광자쌍의 생성은 통상의 고전적 광학 현상과 달리 효율이 매우 낮아서 대부분 광자쌍이 간헐적으로 생성되며 생성 시간은 결정적(Deterministic)이 아니라 임의적(Random)이다.The nonlinear optical medium 120 can simultaneously generate two photons at the same time by a quantum mechanical principle called spontaneous down conversion (SPDC) or self-emission wave mixing (SFWM) when the pump light source 110 is incident. At this time, the wavelength and the traveling direction of the two photons are determined by the momentum conservation law and the energy conservation law. However, the generation of a photon pair is very low in efficiency, unlike a conventional classical optical phenomenon, so that most photon pairs are generated intermittently, and the generation time is not deterministic but random.

광자쌍 광원은 기본적으로 임의성을 가진 광원이지만 항상 광자가 두 개씩 만들어진다는 점을 이용하면 정해진 시간에 광자를 출력하는 결정적 광자 광원을 구성할 수 있다. 구체적으로 보면, 두 개의 광자 중 어느 하나의 광자는 예고 광자검출기(130)로 진행하고, 예고 광자검출기(130)가 광자 한 개를 검출하면 검출된 광자와 동시에 생긴 나머지 하나의 광자는 광버퍼(150)로 진행한다. 이때 광버퍼(150)는 광자에 예고 광자검출기(130)의 검출 시간을 보상하는 만큼의 광지연을 가하여 결국 광자가 출력되는 시간을 일정하게 할 수 있다.The photon pair light source is basically a random light source, but using the fact that two photons are always made, it is possible to construct a definite photon source that outputs photons at a fixed time. More specifically, any one of the two photons travels to the preliminary photon detector 130, and when the preliminary photon detector 130 detects one photon, the remaining one photon, which coincides with the detected photon, 150). At this time, the optical buffer 150 may apply a light delay to the photons to compensate for the detection time of the preliminary photon detector 130, so that the output time of the photon may be constant.

한편, 펌프 광원(110)이 입사되는 비선형 광매질(120)은 상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자는 가시광선 또는 근적외선 영역의 파장을 갖도록 하고, 나머지 하나의 광자는 통신파장 대역을 갖도록 하는 비겹침성(Nondegenerate) 광자쌍 광원을 구성할 수 있다.On the other hand, in the nonlinear optical medium 120 in which the pump light source 110 is incident, one of the pair of photons has a wavelength in a visible light or near-infrared region, and the other one has a communication wavelength band A non-overlapping photon pair source can be constructed.

광버퍼(150)는 예고 광자검출기(130)에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자의 편광을 바꾸는 전광 변조기(Electro-Optic Modulator; EOM-1 ~ EOM-N), 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)를 통과한 광자의 편광에 따라 광경로를 분할하는 편광 빔분할기(Polarizing Beam Splitter; PBS-1 ~ PBS-N), 및 편광 빔분할기(PBS-1 ~ PBS-N)에 의해 나뉘어진 광경로에 따라 서로 다른 광지연을 광자에 인가하는 광지연 선로(Optical Delay Line)를 포함할 수 있다.The optical buffer 150 includes an electro-optic modulator (EOM-1 to EOM-N), an electrooptic modulator (EOM-1 to EOM-1) for changing the polarization of the remaining one photon not detected by the preliminary photon detector 130, N divided by polarizing beam splitters (PBS-1 to PBS-N) and polarizing beam splitters PBS-1 to PBS-N that divide the optical path according to the polarization of the photons passing through the polarizing beam splitter And an optical delay line for applying different optical delays to the photons in accordance with the path.

특히, 광버퍼(150)는 예고 광자검출기(130)가 광자를 검출한 시간과 기준 시간과의 차이를 보상하여 정해진 시간에 광자를 출력하도록 전체 광지연 값을 조절하는 것으로서, 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)와 편광 빔분할기(PBS-1 ~ PBS-N)를 각각 N개씩 포함할 수 있다.In particular, the optical buffer 150 adjusts the total optical delay value so as to output the photon at a predetermined time by compensating for the difference between the time when the notice photon detector 130 detects the photon and the reference time, 1 to EOM-N) and polarization beam splitters PBS-1 to PBS-N, respectively.

여기서, 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)는 포캘 효과(Pockel's Effect)에 의해 광자의 편광을 바꾸는 것으로서, 각 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)는 광자를 광지연 거리(Optical Delay Length)가 서로 다른 두 개의 광경로 중 어느 하나로 보내도록 선택하는 역할을 할 수 있다. 이때 각 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)에 의해 선택되는 두 광경로의 거리 차이는 각각 정해진 거리 L에 대하여 L, 2L, 4L, 8L 등과 같이 2의 거듭제곱 배에 해당하는 값을 가질 수 있다. 즉, N번째 전광 변조기(EOM-N)에 의해 선택되는 두 광경로의 거리 차이는, 2N-1L(여기서, L은 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리이다.)일 수 있다.The optical modulators EOM-1 to EOM-N change the polarization of the photons by the Pockel's effect. Each of the optical modulators EOM-1 to EOM-N modulates the photons by an optical delay Length can be selected to be sent to any one of two different optical paths. At this time, the distance difference between the two optical paths selected by the all-optical modulators (EOM-1 to EOM-N) has a value corresponding to a power of 2 such as L, 2L, 4L, . That is, the distance difference between the two optical paths selected by the Nth all-optical modulator (EOM-N) is 2N- 1L (where L is a distance corresponding to the minimum unit of the optical delay) have.

한편, 광버퍼(150)가 원하는 광지연 값을 갖도록 하는 방법은 다음과 같다. 첫 번째 전광 변조기(EOM-1)는 신호 처리부(140)의 구동신호에 따라 광자의 편광을 그대로 두거나 90도 회전시킬 수 있다. 이어서, 첫 번째 편광 빔분할기(PBS-1)는 수평편광인 광자는 제1 광경로(OP-1A)로 진행되도록 하고, 수직편광인 광자는 제2 광경로(OP-1B)로 진행되도록 할 수 있다. 즉, 첫 번째 편광 빔분할기(PBS-1)는 수평편광인 광자는 투과시키고 수직편광인 광자는 반사시킬 수 있으며, 이와 반대의 경우도 가능하다. 다시 말하여, 수직편광인 광자가 제1 광경로(OP-1A)로 진행하고 수평편광인 광자가 제2 광경로(OP-1B)로 진행할 수도 있다.Meanwhile, a method for causing the optical buffer 150 to have a desired optical delay value is as follows. The first electro-optical modulator (EOM-1) can keep the polarization of the photon as it is or rotate 90 degrees according to the driving signal of the signal processing unit 140. [ Next, the first polarized beam splitter PBS-1 causes the horizontal polarized light to proceed to the first light path OP-1A and the vertical polarized light to the second light path OP-1B . That is, the first polarizing beam splitter (PBS-1) can transmit photons of horizontal polarization and reflect photons of vertical polarization, and vice versa. In other words, the photon, which is vertically polarized light, proceeds to the first optical path OP-1A and the horizontally polarized photon proceeds to the second optical path OP-1B.

여기서, 투과되거나 반사된 광자의 광경로는 다시 첫 번째 편광 빔분할기(PBS-1)에 의해 합쳐지는데, 두 편광성분의 광경로가 합쳐질 때까지 지나는 거리는 L 만큼의 차이를 갖게 된다. 즉, 첫 번째 전광 변조기(EOM-1)는 구동신호에 따라 진행하는 광자에 서로 L 만큼의 거리 차이를 갖는 두 개의 광경로 중 어느 하나의 광지연을 가할 수 있으며, 이때 제1 광경로(OP-1A) 또는 제2 광경로(OP-1B)는 광지연 선로로 기능할 수 있다.Here, the optical path of the transmitted or reflected photons is again combined by the first polarizing beam splitter (PBS-1), and the distance traveled until the optical paths of the two polarized components are merged becomes L difference. That is, the first all-optical modulator (EOM-1) can apply any one optical delay of two optical paths having a distance difference of L to the photons traveling according to the driving signal, -1A) or the second optical path OP-1B can function as an optical delay line.

또한, 두 번째 전광 변조기(EOM-2)는 첫 번째 전광 변조기(EOM-1)와 같이 광자의 편광을 그대로 두거나 90도 회전시킬 수 있다. 이에 따라 광자의 진행경로가 두 번째 편광 빔분할기(PBS-2)에 의해 나뉘어져 서로 2L 만큼의 거리 차이를 갖는 제1 광경로(OP-2A) 또는 제2 광경로(OP-2B) 중 어느 하나로 정해지며, 이와 같은 과정이 N번째 전광 변조기(EOM-N) 및 편광 빔분할기(PBS-N)까지 지속된다.Also, the second all-optical modulator (EOM-2), like the first all-optical modulator (EOM-1), can either maintain the polarization of the photon or rotate it 90 degrees. The progress path of the photon is divided into either the first optical path OP-2A or the second optical path OP-2B, which is divided by the second polarized beam splitter PBS-2 and has a distance difference of 2L from each other And this process is continued until the Nth all-optical modulator (EOM-N) and the polarization beam splitter PBS-N.

이에 따라 각 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)에 의해 선택되는 두 경로의 경로차가 L, 2L, 4L, …, 2N-1L이라면 N개의 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)에 인가되는 구동신호에 따라 총 2N가지의 광경로 중 하나를 선택할 수 있으며, 이때 전체 장치의 안정성과 휴대성을 위해 제1 광경로(OP-1A ~ OP-NA) 및 제2 광경로(OP-1B ~ OP-NB)는 광섬유를 포함할 수 있다.Thus, the path differences of the two paths selected by the all-optical modulators EOM-1 to EOM-N are L, 2L, 4L, ... , 2N- 1L, one of 2N kinds of optical paths can be selected according to driving signals applied to N light modulators (EOM-1 to EOM-N). In this case, The first optical paths OP-1A to OP-NA and the second optical paths OP-1B to OP-NB may include optical fibers.

한편, 본 도면에는 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)에 의해 선택되는 경로차가 점점 커지는 순서로 정렬되어있으나, 각 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)의 순서는 임의로 바꾸어도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 각 광경로의 거리 차이가 2의 거듭제곱 배에 해당하는 값을 갖도록 한 것은 주어진 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)의 개수 범위 내에서 가장 많은 수의 광경로를 제공하기 위한 것이며, 필요에 따라 각 광경로의 거리 차이를 다른 값들로 바꾸어도 무방하다.In the figure, the path differences selected by the all-optical modulators EOM-1 to EOM-N are arranged in increasing order, but the order of the all-optical modulators EOM-1 to EOM- Can be obtained. It is also intended to provide the largest number of optical paths within the given number of all-optical modulators (EOM-1 to EOM-N), so that the difference in distance between the respective optical paths has a value corresponding to a power of 2 , The distance difference of each light path may be changed to other values as necessary.

특히, 광버퍼(150)의 광경로차의 기본단위 L을 펌프 광원(110)의 주기 T 동안 광자가 진행하는 거리로 조절하는 경우, 본 도면에 도시된 장치는 광자의 발생시간에 흔들림(Jitter)이 없는 이상적인 주문형 단일광자 광원이 될 수 있다. 다만 광자의 발생시간에 어느 정도의 흔들림을 감수할 수 있는 상황이라면, 펄스의 주기 T와 광경로차의 기본단위 L 사이에 특별한 관계가 없거나 펌프 광원(110)이 연속발진 레이저이더라도 전술한 바와 같은 동작원리는 그대로 유효하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원은 양자통신에 활용될 수 있다.Particularly, when the basic unit L of the optical path difference of the optical buffer 150 is adjusted to the distance that the photon advances during the period T of the pump light source 110, the apparatus shown in this figure has a jitter Lt; RTI ID = 0.0 > photonic < / RTI > However, if there is no particular relationship between the period T of the pulse and the basic unit L of the optical path difference, or if the pump light source 110 is a continuous oscillation laser, The principles of operation are valid, and a single photon source according to an embodiment of the present invention can be utilized for quantum communication.

신호 처리부(140)는 예고 광자검출기(130)로부터 신호를 입력받아 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)의 동작전압을 출력하는 것으로서, 예고 광자검출기(130)가 광자를 검출한 시간을 기초로 구동신호를 생성하여 이를 전광 변조기(EOM-1 ~ EOM-N)에 인가할 수 있다. 이때 신호 처리부(140)는 현장 프로그래머블 게이트 어레이(Field-Programmable Gate Array; FPGA)를 포함할 수 있다.The signal processing unit 140 receives a signal from the advance photon detector 130 and outputs an operation voltage of the all-optical modulators EOM-1 to EOM-N. The signal processing unit 140 generates a signal based on the detection time of the photon by the advance photon detector 130 And can apply the generated driving signals to the electrooptic modulators EOM-1 to EOM-N. In this case, the signal processing unit 140 may include a field-programmable gate array (FPGA).

한편, 실리콘 기반 검출기에 효율적으로 검출되도록 예고 광자검출기(130)에 검출되는 광자의 파장은 가시광선이나 근적외선 영역이 되도록 하고, 출력되는 광자의 파장은 1.5㎛ 내지 1.6㎛ 사이의 통신파장 대역이 되도록 광자쌍 광원을 설계하는 경우, 예고 광자검출기(130)의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 출력되는 광자의 응용성도 높일 수 있다.
On the other hand, the wavelength of the photons detected by the preliminary photon detector 130 to be efficiently detected by the silicon-based detector is a visible light or near infrared region, and the wavelength of the output photon is a communication wavelength band between 1.5 m and 1.6 m When the photon pair light source is designed, not only the efficiency of the preliminary photon detector 130 but also the applicability of the outputted photon can be increased.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원에서 광자가 출력되는 시간을 고정하는 원리를 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view illustrating a principle of fixing a time at which a photon is output in a single photon source according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2를 참조하면, 펌프 광원이 주기가 T이고 펄스 개수가 N인 펄스열로 이루어진 경우에 있어서, 예고 광자검출기가 n번째 펄스에서 발생된 광자를 검출했다고 하면 광버퍼로 입력되는 광자가 광버퍼에 도착하기 전에 광지연을 N-n이 되도록 조절할 수 있다. 이와 같이 하면 n이 임의의 값으로 변하더라도 광자가 광버퍼로부터 출력되는 시간이 N번째 펄스의 시간으로 고정된다.
Referring to FIG. 2, when the pump light source is composed of a pulse train having a period T and a number of pulses N, if a preliminary photon detector detects a photon generated in the nth pulse, a photon input to the optical buffer The optical delay can be adjusted to Nn before arrival. In this way, even if n changes to an arbitrary value, the time during which the photon is output from the optical buffer is fixed to the time of the N-th pulse.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 광원에 의하면, 광자쌍 광원, 예고 광자검출기, 및 가변 광버퍼를 결합한 시간 다중화 방식을 통해 원하는 시간에 높은 확률로 단일광자 출력을 얻을 수 있으며, 이로써 잡음은 적고 보안성이 높은 양자 통신을 구현할 수 있다.
According to the single photon source of the present invention described above, a single photon output can be obtained with a high probability at a desired time through a time multiplexing method combining a photon pair light source, a preliminary photon detector, and a variable optical buffer, This makes it possible to implement quantum communication with low noise and high security.

전술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the present invention.

110 : 펌프 광원
120 : 비선형 광매질
130 : 예고 광자검출기
140 : 신호 처리부
150 : 광버퍼
EOM-1 ~ EOM-N : 전광 변조기
PBS-1 ~ PBS-N : 편광 빔분할기
OP-1A ~ OP-NA : 제1 광경로
OP-1B ~ OP-NB : 제2 광경로
110: pump light source
120: nonlinear optical medium
130: preliminary photon detector
140: Signal processor
150: Optical buffer
EOM-1 ~ EOM-N: All-optical modulator
PBS-1 to PBS-N: Polarizing beam splitter
OP-1A to OP-NA: the first light path
OP-1B to OP-NB: Second optical path

Claims (10)

자발매개하향변환 또는 자발사광파혼합 현상을 이용하여 한 쌍의 광자를 발생시키는 광자쌍 광원;
상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자를 검출하는 예고 광자검출기; 및
상기 예고 광자검출기에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자에 가변 광지연을 가한 후에 상기 광자를 출력하는 광버퍼를 포함하되,
상기 광버퍼는,
상기 예고 광자검출기에 검출되지 않은 나머지 하나의 광자의 편광을 바꾸는 전광 변조기;
상기 전광 변조기를 통과한 광자의 편광에 따라 광경로를 분할하는 편광 빔분할기; 및
상기 편광 빔분할기에 의해 나뉘어진 광경로에 따라 서로 다른 광지연을 광자에 인가하는 광지연 선로를 포함하는 단일광자 광원.
A photon pair light source for generating a pair of photons using spontaneous parameter down conversion or self-emission light wave mixing;
A preliminary photon detector for detecting any one of the pair of photons; And
And an optical buffer for outputting the photon after applying a variable optical delay to the remaining one photon not detected by the preliminary photon detector,
The optical buffer includes:
An all-optical modulator for changing the polarization of the remaining one photon not detected by the predictive photon detector;
A polarization beam splitter for splitting the optical path according to the polarization of the photon passed through the all-optical modulator; And
And an optical delay line for applying different optical delays to the photons in accordance with the optical path divided by the polarization beam splitter.
제1 항에 있어서,
상기 광자쌍 광원은,
자발매개하향변환 또는 자발사광파혼합을 일으키는 비선형 광매질; 및
상기 비선형 광매질에 입사하여 상기 한 쌍의 광자를 발생시키는 펌프 광원을 포함하는 단일광자 광원.
The method according to claim 1,
Wherein the photon pair light source comprises:
A nonlinear optical medium causing spontaneous parameter downconversion or self-emission optical wave mixing; And
And a pump light source incident on the nonlinear optical medium to generate the pair of photons.
제2 항에 있어서,
상기 비선형 광매질은, 상기 한 쌍의 광자 중 어느 하나의 광자는 가시광선 또는 근적외선 영역의 파장을 갖도록 하고, 나머지 하나의 광자는 통신파장 대역을 갖도록 하는 단일광자 광원.
3. The method of claim 2,
Wherein the nonlinear optical medium is such that any one of the pair of photons has a wavelength in the visible or near infrared region and the other has a communication wavelength band.
제2 항에 있어서,
상기 펌프 광원은, 일정한 주기를 갖는 펄스형 레이저이고,
상기 주기는, 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리를 빛이 지나가는 시간과 펄스폭 이내에서 일치하는 단일광자 광원.
3. The method of claim 2,
The pump light source is a pulsed laser having a constant period,
Wherein the period matches a distance corresponding to a minimum unit of the magnitude of the optical delay within a pulse width and a time during which the light passes.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 전광 변조기는, N개가 구비되고,
상기 전광 변조기 N개 각각에 의해 선택되는 두 광경로의 거리 차이는, 각각 L, 2L, 4L, …, 2N-1L(여기서, L은 상기 광지연의 크기의 최소단위에 해당하는 거리이다.)인 단일광자 광원.
The method according to claim 1,
N total number of all-optical modulators are provided,
The difference in distance between the two optical paths selected by each of the N optical modulators is L, 2L, 4L, ... , 2N- 1L (where L is a distance corresponding to the smallest unit of the magnitude of the optical delay).
제1 항에 있어서,
상기 광경로는, 광섬유를 포함하는 단일광자 광원.
The method according to claim 1,
The optical path includes a single photon source including an optical fiber.
제1 항에 있어서,
상기 예고 광자검출기가 상기 광자를 검출한 시간을 기초로 구동신호를 생성하여 상기 구동신호를 상기 전광 변조기에 인가하는 신호 처리부를 더 포함하는 단일광자 광원.
The method according to claim 1,
Further comprising: a signal processor for generating a drive signal based on a time at which the predicted photon detector detected the photon and applying the drive signal to the all-optical modulator.
제8 항에 있어서,
상기 신호 처리부는, 현장 프로그래머블 게이트 어레이를 포함하는 단일광자 광원.
9. The method of claim 8,
The signal processing unit includes a field programmable gate array.
제1 항에 있어서,
상기 광버퍼는, 상기 예고 광자검출기가 상기 광자를 검출한 시간과 기준 시간과의 차이를 보상하여 정해진 시간에 광자를 출력하도록 광지연 값을 조절하는 단일광자 광원.
The method according to claim 1,
Wherein the optical buffer adjusts the optical delay value so as to compensate for a difference between a time when the predictive photon detector detected the photon and a reference time to output the photon at a predetermined time.
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