WO2004095124A1

WO2004095124A1 - 単一光子発生装置

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Publication number: WO2004095124A1
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Inventors: Shuichiro Inoue
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Abstract

単一光子発生装置により、一定の周期で効率よく単一光子を発生させる。ＣＷ半導体レーザー１で、波長７８０nmのレーザー光を発生する。波長７８０nmの光子を、非縮退導波路型ＰＰＬＮ２で、波長１５５０nmと１５７０nmの２つの光子に変換する。ダイクロイックミラー６で、２つの光子を分離する。ゲート動作の単一光子検出器４で、一方の光子を検出する。この検出信号により、ＬＮ偏波変調器を動作させる。ＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターにより構成される光スイッチ５で、もう一方の光子の偏光を９０度回転させ一定方向に出力する。これにより、光子１個だけを数百kHzの周期で進行方向に取り出すことができる。非縮退導波路型ＰＰＬＮによる自発パラメトリック下方変換によって波長の異なる２つの光子を発生させ、それらをダイクロイックミラーで分離し、ゲート動作の単一光子検出器で一方の光子を検出し、高速ＬＮ偏波変調器により他方の光子の出力を制御するので、一定の周期で効率よく単一光子を発生できる。

Description

明細書単一光子発生装置技術分野

本発明は、単一光子発生装置に関し、特に、レーザー光を非線形光学結晶に当てて自発パラメトリック下方変換によって生成した 2つの光子から単一光子を分離する単一光子発生装置に関する。背景技術

現在、暗号鍵の配布には公開鍵暗号が広く使用されている。将来的には、原理的に盗聴 ·解読が不可能な暗号技術が必要となる。量子暗号は、原理的に盗聴 · 解読が不可能な暗号技術であり、この暗号鍵配布の問題を完全に解決することができる。また、「無相互作用測定」を利用すれば、「光を当てずに物を見る」ことが可能である。この無相互作用測定を並行的に行い、光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」が実現できる。量子暗号や無相互作用測定では、光子の量子力学的な性質を用いるために、単一光子発生技術が必要となる。

従来、光子源として、単一光子レベルまで減衰された光パルスが用いられてきた。この光源では、光子統計がポアツソン分布に従うため、同一パルス中に 2個以上の光子が含まれる確率が存在する。量子暗号通信は、光子 1個を伝送！:ることで安全性を確保するため、ビームスプリッターアタック等の盗聴の可能性がある。量子暗号における単一光子発生は、レーザーからの光パルスを平均光子数が

0. 1個になるまで減衰することにより行なわれてきた。この方法では、単一光子は全パルスの 10%にしか存在しないため、鍵配布率は低い。これを改善するためには平均光子数を上げればよいが、 1パルスに含まれる光子数がポアソン分布に従うため、同じパルス内に 2個以上の光子が存在する確率が増加してしまう。そのため量子暗号の安全性が破綻してしまう。

従来の他の単一光子源の例として、量子ドットによるものがある。これは、極低温下での動作や、 1550mn帯の光子発生が困難であることから、量子暗号通信への応用は難しい。そのため、単一光子の発生には、非線形光学過程である自発パフメトリック下方変 (Spontaneous Parametric Down Conversion: SPDC) »広く使用されている。この SPDCでは、エネルギーの高い光子を、エネルギーの低い 2つの光子に変換する。以下、パラメトリック下方変換により発生する光子対を用いる単一光子源について説明する。

自発パラメトリック下方変換（SPDC) とは、非線形光学結晶の 2次の非線形性を利用して、波長変換を行うものである。波長 I。の光子は、エネルギー保存則と運動量保存則（位相整合条件）

h c /ん。 = h c / L ! + h c / λ

k _P= k , + k ,

を満たしながら、波長の光子と波長えの光子へ変換される。ここで、 hはプランク定数であり、 cは光速である。え ₂= 2え。の場合は、縮退パラメトリック下方変換と呼ばれる。ぇ，≠ 1 ₂≠2え。の場合は非縮退パラメトリック下方変換と呼ばれる。

位相整合方法には 2種類ある。 1つは、ベータバリウムボレート（Beta Bariu m Borate： BBO) 、ニオブ酸リチウム（Lithium Niobate： LN) バルク結晶の角度位相整合である。これは結晶の光軸に対するポンプ光の入射方向を調節することにより、位相整合条件を満たす。光子対を構成する光子は、アイドラー光子とシグナル光子と呼ばれる。シグナル光子とアイドラー光子が同一偏光を持ち、また、これらがポンプ光の偏光と直交する形をとるものをタイプ I位相整合と呼ぶ。一方、シグナル光子とアイドラー光子の持つ偏光が直交するものをタイプ II位相整合と呼ぶ。もう一つの位相整合方法は、擬似位相整合（Quasi Phase Matching ： QPM) である。これは、結晶に周期的な分極反転構造を設けることにより、擬似位相整合を達成する。そして、ポンプ光と同じ偏光を持ったシグナル光子とァイドラー光子が発生する。これは、タイプ 0位相整合と呼ばれる。波長 1550nmが出力可能なものとして、 LNに分極反転構造を設けた PPLN (Periodically Poled L ithium Niobate) がある。

自発パラメトリック下方変換により発生する光子対、つまりシグナル光子とァイドラー光子は、完全な時間相関を持つ。第 1 4図に示すように、光子検出器 D ,によりアイドラー光子が検出されたとすると、この検出信号は、シグナル光子が存在するタイミングの情報を持つ。よって、光子検出器で光子が検出された時のみ光スィッチを開くことで、正確に相関のある光子が出力できる。この方法をポストセレクションと呼ぶ。

以下、従来の単一光子発生技術の例をいくつかあげる。特許文献 1に開示された「単一光子発生装置」は、パルス内にただ 1つの光子を発生させるものである。第 1 5図（a ) に示すように、発生時刻に相関をもつ、シグナル光子とアイドラ一光子からなる光子対を、光子対源で発生する。光子対源では、擬似位相整合型非線型光学媒質をレーザー光でポンプして、縦横の偏光をもつ蛍光対を発生する。光子検出器で、アイドラー光子の入射を検出する。クロック発生器のクロックによって規定される一定時間内に、特定の回数を下回る回数のみ、ゲート装置を開閉するための信号を、ゲート装置制御部で生成する。ゲート装置制御部からの信号に応じて、ゲート装置を開閉する。

特許文献 2に開示された「量子暗号を使用したキー分配用システム」は、単一光子を用いてキー配布を行う量子暗号システムであり、単一光子を発生するために、第 1 5図（b ) に示すような単一光子発生装置を使用する。レーザーは、 KD P等の非線型結晶をポンプする。結晶によるパラメトリック下方向変換で、 2つの光子ビームを発生する。 1つのビームの光子は、光検出器により検出され、単一の光子が通過するように、シャッターを開くゲートをトリガする。非特許文献 1 に開示された「光子対を用いる量子鍵配布システム」では、第 1 5図（c ) に示すような単一光子発生装置を使用する。この相関光子源（CPS) は、自発パラメトリック下方変換（SPDC) を利用して相関光子対を発生する。光子対のうちのアイドラー光子が検出器に到達したときにのみ、検出器でゲートをトリガして、シグナル光子を送出する。

非特許文献 2に開示された「単一光子発生装置」は、第 1 6図（a ) に示すように、非線形結晶を用いた下方変換器を配列する。各下方変換器は光子対を生成することができる。各下方変換器には、光子検出器が設けられている。光子検出器で光子を検出すると、光スィッチをトリガして、光子を出力する。非特許文献 3に開示された「蓄積型単一光子発生装置」は、第 1 6図（b ) に示すように、蓄積型の下方変換器を用いて、単一光子を擬似的にオンデマンドで発生できる光子源である。光子対がパラメトリック下方変換器から発生する。光子検出器からの検出信号により光スィッチを制御して、光子を蓄積ループに蓄える。必要なときに光スィッチを開いて、光子を取り出すことができる。

特許文献 1 ：特開 2000-292821号公報

特許文献 2 ：特表苹 8- 505019号公報

非特許文献 1 ： Z. Walton, A. V. Sergienko, M. Atature, B. E. A. Saleh, and M. C. Teichl, "Performance of Photon-Pair Quantum Key Distribution Syste m"， J. Mod. Opt. Vol. 48, No. 14, pp. 2055 - 2063, (Apr. 22， 2001) .

非特許文献 2 ： A. L. Migdall, D. Branning, S. Castelletto and M. Ware, "Single Photon Source with Individualized Single Photon Certifications", Proc. of the SPIE Vol. 4821, pp. 455-465, (2002) .

非特許文献 3 ： T. B. Pittman, Β. C. Jacobs, and J. D. Franson, "Single Pho tons on Pseudo-Demand from Stored Parametric Down-Conversion", Phys. Rev. A66, 042303 (2002) . 発明の開示 - しかし、従来の単一光子発生装置では、一定の周期で効率よく単一光子を発生させることができないという問題があった。本発明は、一定の周期で効率よく単一光子を発生させることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では、単一光子発生装置を、 CWレーザー光源と、レーザー光源からの 1つの光子を同じ波長の 2つの光子に変換する導波路型擬似位相整合 LiNb0₃と、 2つの光子を分離するビームスプリツターと、分離された一方の光子を検出するゲート動作の単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して単一光子検出器の検出信号で制御される光スィツチとを具備する構成とした。

このように構成したことにより、自発パラメトリック下方変換（レーザー光と結晶との非線形光学過程）で生成した 2つの光子を、光スィッチにより、一定の偏光方向を持つ光子 1個を高い確率で、効率よく分離して、単一光子を発生させることができる。量子暗号に利用すれば、高いビットレートで、しかも長距離にわたる鍵配布を実現できる。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施例における単一光子発生装置の概念図である。

第 2図は、 P ( η ')の Tノ T Jこ対する依存性を示す図である。

第 3図は、 T ,ZT d = 0. 2のときの光子数分布を示す図である。

第 4図は、光子対発生装置の概念図である。'

第 5図は、パワーメーターにより測定した出力パワーとポンプ波長の関係を示す図である。

第 6図は、 R 1\ =1. 44の時の実験結果を示す図である。

第 7図は、実験値と計算値との比較を示す表である。

第 8図は、ボストセレクションする方の光子検出器のゲート時間を長く取る方法を示す図である。

第 9図は、アバランシェ信号を検出して制御信号を生成する回路の図である。第 1 0図は、制御信号の波形を示す図である。

第 1 1図は、導波路型 PPLNを用いた単一光子発生装置の概念図である。

第 1 2図は、 1 nsの制御信号を入力した場合と 5 nsの制御信号を入力した場合の比較を示す図である。

第 1 3図は、制御信号発生率が 6, 30， 37, 41kHzであるときの光子検出器 D ₂ の検出確率を示す図である。

第 1 4図は、従来の自発パラメトリック下方変換による単一光子発生装置の概念図である。

第 1 5図は、従来の単一光子発生装置の概念図である。

第 1 6図は、従来の他の単一光子発生装置の概念図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を実施するための最良の形態について、第 1図〜第 1 3図を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施例は、自発パラメトリック下方変換によって 2つの光子を発生し、 LN偏波変調器を用いる光スィツチで単一光子を選択的に通過させる単一光子発生装置である。

第 1図は、本発明の実施例における単一光子発生装置の概念図である。第 1図において、レーザー 1は、波長 775nmの CW半導体レーザーである。 PPLN 2は、波長 775nmの光子を波長 1550nmの 2つの光子に変換する導波路型 PPLN (パルク型擬似位相整合 LiNbCh) である。ビームスプリツター 3は、 2つの光子を分離する手段である。ゲート動作の単一光子検出器 4は、ある時間間隔だけ光子 1つを検出できるセンサーである。光スィッチ 5は、 LN偏波変調器と偏光ビームスプリツターにより構成される光スィッチである。これ以外の構成の光スィッチを用いることもできる。ダイクロイツクミラー 6は、波長の異なる光子を分離するミラーである。 APDは、アバランシェフオトダイオードである。 D ,， D ₂は、光子検出器である。 DM^ DMsは、ダイクロイツクミラーである。 L ,， L ₂, L ₃は、レンズである。 SMFは、シングノレモードファイバーである。

上記のように構成さた本発明の実施例における単一光子発生装置の動作を説明する。単一光子発生装置は、第 1図（a ) に示すように、波長 775nmの CW半導体レーザー 1と、 PPLN 2と、光スィッチ 5により構成されている。ここで、光スィツチ 5は、 LN偏波変調器と偏光ビームスプリツターにより構成されている。導波路型擬似位相整合 LiNb0₃ (非線形結晶）を、波長 775nmの CW半導体レーザー 1でポンプし、自発パラメトリック下方変換と呼ばれる非線形光学過程により、波長 1550nmの相関光子対を連続的に発生させる。

導波路型 PPLNによる光子対発生を説明する。自発パラメトリック下方変換による光子対を用いた単一光子の発生率を上げるためには、光子対の発生率（R) を上げることが重要となる。そこで、下方変換素子として導波路型 PPLN (以下 PPLN -WG) を用いる。 PPLN-WGは、パルク結晶に比べて光子対の発生率が高い。この理由として以下の 2つが挙げられる。 1つは、導波路構造を持つことから高いボンプパワー密度を保ったまま相互作用長を長く取ることが可能な点である。もう一つは、擬似位相整合を利用していることから、無機材料の中で最も大きい非線形光学定数 d ₃₃を利用できる点である。また、 PPLN-WGは波長 775nmのポンプにより 1550nmの光子対を発生することが可能である。

導波路型 PPLN 2 (波長 775nmの光子を波長 1550nmの 2つの光子に変換するもの）では、高い変換効率を得るために、数 mW程度の出力を有する、波長 775nmの CW半導体レーザー 1で、導波路型 PPLN 2をポンプする。このとき、フォトリフラクティプ効果による変換効率の低下を防ぐために、導波路型 PPLN 2の温度はオーブンにより 125 =〜： 150 =に保つ。発生した波長 1550mnの光子対の一方は、ゲート幅 20ns 程度（単一光子検出器のデッドタイム）で動作させた単一光子検出器 4で検出する。この検出信号により、 LN偏波変調器を動作させる。もう一方の光子の偏光を 90度回転させることにより、光子 1個だけを数百 kHzの周期で進行方向に取り出す。このとき、 LN偏波変調器は、光子検出信号のジッター時間（200ps) 程度だけ動作させるため、 5 GHz程度で変調可能なものを使用する。

このようにして、パラメトリック下方変換により発生させた光子対の片方を検出（ポストセレクト）したときのみ、もう一方の光子を通過させる光スィッチ 5 を用いて、単一光子源を実現する。ポストセレクト用の光子検出器 4 (波長 1550 nm用）の時間分解能は lOOps程度であることから、光スィツチ 5の限界は約 2 GHz である。この下で最適な光子対の発生率は 2. 5 X 10⁸個 / sである。これ以上発生率を上げても、 2個以上の光子を同時にスィツチしてしまう確率が高くなるだけである。この発生率を実現するために、下方変換素子として導波路型 PPLN 2を用レ、、波長 775nmの CWレーザーでポンプすることにより、波長 1550nmの光子対を発生させる。ポンプ光の出力が lmW程度のとき、先の光子対発生率が確保できる。

PPLN 2により発生した光子対は、同じ方向に発生しているため、ビームスプリッター 3により強制的に分離する。波長 1550nm用の光子検出器 4は、ゲート動作' させるが、このゲート幅は通常、暗計数抑圧のため I nsと狭い。しかし、ポストセレクトできる確率をあげるために、 20nsに広げる。この間に平均 5個の光子が入射する。ゲート開始から初めての検出信号が出力されると、検出器 4は、検出回路の受動クェンチング効果により、この後に入射する光子が検出されることはない。この検出信号を、光スィッチ 5の制御信号として用いる。光スィッチ 5には、 PPLN 2により出力される光子対が一定の偏光方向を持つことから、偏光ビームスプリッターを用いた偏光スィッチを採用する。偏光は、帯域 10GHzの偏光コントローラーにより制御される。量子効率が約 25%で、 20nsあたりの喑計数率が約 6 Χ 1(Γの単一光子検出器 4を用いた場合、 40%の確率で、ゲート時間内に光子を 1つだけ入れることができる。光子が 2個以上入る確率は、 1 %に抑えられる。これは、平均光子数 0. 1まで減衰された光パルスと同等レベルである。

第 1図（b ) に示す単一光子発生装置では、 PPLN 2として、波長 775nmの光子を波長 15³0nmと 1570nmの 2つの光子に変換できる非縮退導波路型 PPLNを用いる。ゲート光子検出を、異なる波長で行うことができ、光子の利用効率を高めることができる。これにより、縮退導波路型 PPLNよりもさらに高い単一光子発生率を実現することができる。 50Z50ビームスプリツター 3の代わりに、ダイクロイツクミラー 6を用いる。

第 1図（c ) に示す単一光子発生装置では、波長 775nmの光子を、 2つの光子に変換する。それらを、ポンプ光を含む平面上の異なる方向に発生できるバルタ型 PPLNを用いる。これにより、光子対を空間的に分離することができ、光子の利用効率を高めることができる。 50/50ビームスプリッタ一は必要なくなる。

従来のように単に減衰させた光パルスの光子統計は、ポアソン分布に従う。しかし、この実施例の場合では、光子対の片方をポストセレクトしたときのみ、もう片方の光子を切り出すため、光子数ゆらぎを、ポアソン分布よりも抑圧することができる。また、光スィッチは、偏光状態を利用するものであるため、高い確率で光子 1個を分離できる。そして、放出される光子は、一定の偏光方向を持つため、非常に扱いやすい光源である。光スィッチによる単一光子源では、 2個以上の光子が同時に放出される確率を抑え、かつ高い確率で単一光子を放出することが可食となる。

以下、本発明の単一光子発生装置の動作実験の結果を説明する。まず、光子対の生成について説明する。光子検出器の測定時間 1\の間に存在するアイドラ一光子の数が n個である確率は、

P ( n ) = {exp (— R T a) } (R T _d) ⁿ/ ( n ！ )

となる。ここで、 Rは光子対の発生率である。光スィッチは、アイドラー光子が検出された時のみ開ける。よって、光スィッチを開けた時、シグナル光子は必ず出力される。光スィッチを開く時間を T ,とすると、この時間にシグナル光子の数が n'である確率は、

P (0) = 0

P (n') = F (n')/H (m)}

F (m)

！ )

となる。ここで、 RT_d=lとなるようにすると（つまり、時間 T Jこ平均で 1対の光子対が発生する）、 RT, = T,/Tdとなる。

第 2図に、 P(n')の Tノ T 対する依存性を示す。また、第 3図に、 Τ,Ζ

T_d = 0.2のときの光子数分布を示す。第 2図から明らかなように、 T,/T_dを小さくすれば、多数個のシグナル光子を出力する確率を抑圧することが可能となる。この多光子抑圧方法では、光子対が連続的に発生しているため、この光源から出力される光子を制御、検出する際には、ポストセレクションの際の光子検出信号が必ず必要となる。また実際には、系による光損失や光子検出器の暗計数により、 P(0)が存在する（P(0)≠0) 。

第 4図は、光子対発生装置の概念図である。第 4図に示すように、波長が 777η mで、平均パワーが 5mWで、線幅が 30kHzの CWレーザー（NEW FOCUS Tunable Diod e Laser) から出力されたポンプ光は、レンズ 1^により、結晶長 30mmの PPLN- WG へ導入される。光損傷を防ぐために、 PPLN - WGの温度は 70°Cと、高く設定されている。縮退パラメトリック下方変換により、波長 1554nmの光子対（シグナル光子とアイドラー光子）が連続的に発生する。この出力は、レンズ L₂によりコリメ一トされ、ダイクロイツクミラ

により、ポンプ光は遮断される。実験 (1) では、ダイクロイツクミラー DM,，DM₂を透過した出力光子を、パワーメーターへと導く。実験（2) では、出力光子対を、レンズ L₃により、シングルモードファイバー（SMF) へ導く。その後、シグナル光子とアイドラー光子は、 50/ 50シングルモードカップラーにより分離され、光子検出器 D,， D₂により検出される。光子検出器には、ペルチェ素子により _48°Cまで冷却された InGaAs/InP- A PD (EPITAXX EPM239-BA) をゲート動作させるものを用いる。光子検出器 D,, D₂ からの検出信号は、カウンター（STANFORD RESEARCH SYSTEM SSR400) によって、同時計数される。このとき、光子検出器 D,， D₂へのゲート電圧（パルス幅は約 Ins) は、遅延発生器 (STANFORD RESEARCH SYSTEM SDG535) によって遅延される。実験（1) では、ポンプ光の波長を変化させた時の、 1550nm帯の出力パワーを測定した。このとき、導波路に結合されるポンプパワーは 1.5mWである。第 5図に、パワーメーターにより測定した出力パワーと、ポンプ波長の関係を示す。波長 77

7.2nmにおいてピークが見て取れる。これは、用いた PPLN- WG (70°C) の位相整合波長が 777.2nmであることを意味する。オフセットの成分は、実験系のバックダラゥンドと、パワーメーターのドリフト電流によるものである。ピークの高さからわかるように、およそ 500pWの波長 1554nmの光出力が得られている。実験（2) では、ポンプ光の波長を 777.2nmに固定し、 PPLN- WGから発生した波長 1554nmの光子対を、単一光子検出器を用いて測定した。光子検出器 D D ₂のゲートを 200kHz で動作させた時の計数率は、 1.6X10⁴ (シングル計数）である。

ここで、パワーメーターから見積もった光子対の平均発生率と、単一光子検出器の計数について説明する。波長 1554nmの光子 1個が持つエネルギーは、

„_h= h v =h c/λ =6.63X10— "X 3 X 1θ7 (1554 X 10") =1.29 X 10" ° となる。ここで、光子対の発生率を Rとし、ゲート幅を 1 とすると、ゲート時間内に入射する光子のパワー Wgは、

Wg=∑ e. -°° [ {exp (- R T _d) } (R T _d) "^/2/ ( ( n / 2 ) ！ )] n w„

と表せる。実験（1) の結果より、 Wg=5 X10^ls [W/ns] であるから、 Insのゲート時間に含まれる平均の光子対の数 RT_dは、およそ 2である。

一方、入射する平均の光子対の数が RT_dの時の、光子検出器が検出信号を出力する確率は、

P , e. -^∞ [{exp (- R T J } (R T a) ^m/7 (n！ )]

X∑„^{„C„(l/2^m)[l _(1— T η , ,)"]}

と表せる。ここで、 Τは系の損失であり、 77 は、光子検出器 D,， D₂それぞれの量子効率である。この計算式に、 RT =2を代入すると、ゲート 1つあたりに検出信号を出力する確率は 0.076となり、ゲートの繰り返し周波数 200kHzを考慮すると、計数率の計算値は 1.5X10⁴となる。ここで、 "u O T = 0.2とした。計算値と実験値は良く一致している。

次に、同時計数率について説明する。 1つのゲートあたりの同時計数確率を表す計算式は、 , ₆, -∞ [ {exp (- R T ) } (R T ,) ^m"7 (n！ )]

X∑ 1 /2™)[1 -(1 -Ττ7 ,) Ί[1-(1-Τ η ₂广 "]}

とかける。この式には、相関のない光子どうしの同時計数も含まれてしまっている。そこで、相関のない光子による同時計数確率を求める。これは、 2つの独立事象が同時に起こる確率であるから、光子検出器 D₂のシングル計数の積で書ける。よって、相関のない光子による同時計数は、

P。。二（∑ , ₄.₆..··∞ { [exp (-RT.) ] (RT (n ! )}

. C„) (l/2^m)[l-(l— Τ ,)"])

X (∑ . , ,. e. ···∞ { [exp (— RL) ] (RT_d) (n！ )}

X („Cj (l/2^m) [1-(1-Τη ,)"])

と表せる。よって、相関のある光子どうしによる同時計数確率は、 Ρ。。一 Ρ。。となる。 ·

第 6図に、 RT\ = 1.44の時の実験結果を示す。遅延時間が 4nsのとき、同時計数率が増加している。これは、相関を持つ光子どうしの同時計数が現れたからである。逆に、それ以外の遅延時間においては、ある一定の同時計数が残っている。これは、相関のない光子どうしによる同時計数である。 P。。の式は遅延時間 4 nsの同時計数確率を示し、 P。。の式はその他の遅延時間における同時計数確率を示す。これらの式により求めた計算値との比較を、第 7図の表にあわせて示す。ここで、 7 = 0.2、 R = 1.44、 T\= lns、 T =0.15とした。この表から、計算値と実験値の良い一致を見ることができる。しかし、光子検出器に印加するゲートが 1 nsと短いため、同時計数確率が非常に小さい。

PPLN- WGから発生する光子対を用いて 1550nm帯の単一光子源を実現するためには、 1550n_m帯単一光子検出器が必要となる。この検出器は通常、ゲート動作されるが、このゲート幅は Insと非常に短い。そのため、ポストセレクトする確率が小さレ、。この結果、単一光子発生率が低くなつてしまう。これを改善するためには、ボストセレクションする確率を大きくする方法が必要となる。そこで、ポストセレクシヨンする方の光子検出器のゲート時間を長く取る。第 8図に示すように、光子検出器のゲート時間を長く取ることにより、ゲート中に入射する平均光子数が増加する。これにより、光スィッチを開くトリガ信号を出力する確率を大きくすることが可能となる。そして、ゲートが入力されてから初めてトリガ信号を出力したときのみ、光スィッチを開ける（短い時間のみ）。

1550nm帯単一光子検出器に使用している検出回路は、受動クェンチング機能 (時定数をゲート時間以上にする必要がある）があるため、 1度検出信号を出力すると、同じゲート内で再び検出信号を出力することはない。この方法では、光子検出器における 1ゲートあたりの検出確率が 1となると、光子検出器のゲートの周期に準じて、パルス的に光子を切り出すことが可能となる。しかし、光子が切り出されるタイミングは、厳密には、光子検出器に採用するゲート時間だけの不確定さを持つこととなる。

光子対の片方を検出した際、アバランシェフオトダイオード（APD) から出力される検出信号、つまりアバランシェ信号の立ち上がりは、光子対のもう片方の光子の存在するタイミングの情報を持つ。よって、アバランシェ信号の立ち上がり時間を正確に読み取り、これをもとに、正確な時間に光スィッチを開く制御信号を出力する制御回路が重要となる。 APDは、光子吸収してからァパランシヱを起こすまでの応答時間に、 100〜200ps (APDに印加する電圧による）のジッターを持つ。よって、この分解能を減少させることなく制御信号を作成できるとすると、 1 GH zを超える光スィッチを実現することができる。

立ち上がり時間が 500ps以下で、ジッター力 SlOOps以下の超高速コンパレーター (High-Speed comparator； MAXIM MAX9691) を用いて、第 9図に示すァパランシェ信号の検出系を作成した。また、このコンパレータ一からの出力が ECLレベル (L- level = _ 1. 7V， H-level =— 0. 7V) であるため、出力レベルを、光スィッチの制御信号や光子検出器のゲートとして使用できるレベルへ変換、整形を行う回路（pulse circuit) を作成した。波長 1550nm、パルス幅 50psのパルスレーザーを用いて、この回路の試験を行った。単一光子検出器のゲート幅は 20nsとし、ゲート開始から 10ns後に光パルスを入射した。このときの制御回路からの出力を、 1G Hz帯域のオシロスコープ（LeCroy LCS74AL) を用いて測定した。第 1 0図に示すように、出力信号は、立ち上がり、立下りともに 600ps程度であり、ジッターは 2 00ps程度である。オシロスコープの帯域を考慮すると、立ち上がりは、さらに鋭い可能性もある。また、 H - レベルの継続時間は 500psであるから、実際のパルス幅は、およそ 1. 5nsとなる。また、出力電圧は最大で 10V (50 Ωの終端抵抗が駆動可能）の出力が可能である。実際に制御信号として用いる時には、高周波用プログラマブル減衰器を用いて電圧値を調節する。

第 1 1図に、単一光子発生装置の概念図を示す。 PPLN- WGを、波長 777. 2nmの CW レーザーでポンプすることにより発生した 1554nmの光子対は、単一モードフアイバー（SMF) へと導かれる。 50/50ファイバーカップラーにより、検出モード（d -mode) と出力モード o- mode) の 2つに分けられる。検出モードの光子は、光子検出器 D ₁で検出される。光子検出器は、 50nsと長いゲートにより駆動される

(long-gate mode) 。長いゲートを採用していることから、アフターパルスの発生率が高いため、ゲートの繰り返し周波数は 50kHzとした。光子検出器 0ェからの検出信号は、超高速コンパレータ一により閾値検出され、これからの出力は遅延がかけられた後に、パルス整形回路により、パルス幅が約 I nsで、電圧が 4. 5Vの制御信号へと変換される。

一方、出力モードの光子は、制御信号をゲートとした光子検出器 D ₂により検出される。光子検出器 D ₂の光子検出結果は、制御信号の時間幅のみを見たものとなるので、光スィッチと制御信号を用!/、て出力される光子を検出するのと等価となる。光子検出器 D ,， D ₂は、 InGaAs/InP- APD (EPITAXX EPM239BA) を、ペルチェ素子により一48°Cまで冷却したものを用いる。光子検出器の量子効率 η _t は 20%であり、暗計数確率は 2 X 10- ³/50nsである。また、光子検出器 D ₂の量子効率 77 ₂は 20%であり、暗計数確率は 2 X 10-7lnsである。

この実験系において重要な点は、光子対の片方が光子検出器へ入射したタイミングに、正確に制御回路からの制御信号が D ₂に印加されるか否かである。制御信号を遅延させたときの光子検出器 D ₂の計数率を測定した。第 1 2図に、光子検出器 D ₂へ 1 nsの制御信号を入力した場合と、 5 nsの制御信号を入力した場合の比較を示す。遅延時間 6 nsにおいて、ピークを見ることができる。これは、相関を持つ光子が光子検出器 D ₂へ入射する正確な時間に、制御信号が印加されていることを示す。 I nsに対して 5 nsの時の方が全体的な計数率が大きい。これは、 5 nsのほうが入射する平均光子数が多いため、相関がない光子に対する計数が増加したためである。相関のある光子による計数率の増加量は、 I nsの場合、 5 ns の場合共に同じである。これは、 I nsと短い制御信号においても、相関のある光子の存存する時間を正確に押えることが可能であることを示す。

光子検出器において、全てのゲートで検出信号を出力することができれば、 50nsのジッターはあるものの、ゲートの繰り返し周波数分の制御信号を取り出すことができる。これは、パルス的な光源が可能となることを示唆する。これを実現するためには、光子検出器の計数率が飽和するぐらい、光子対の発生率を上げればよい。ポンプ光強度を上げることにより光子対の発生率を増加させ、光子検出器 D ₂への制御信号発生率 (光子検出器 D ₁の検出信号発生率）に対する光子検出器 D ₂の計数率を測定した。

第 1 3図に、制御信号発生率が 6 , 30， 37, 41kHzであるときの光子検出器 D ₂ の検出確率を示す。ここで、光子検出器のゲートの繰り返し周波数は 50kHzであるので、制御信号発生率 41kHzの場合は、光子検出器の計数率は 80%以上である。制御信号の発生率が増加するにつれて、光子検出器 D ₂での計数確率は増加する。し力し、相関のない光子による計数確率のみが増加し、相関をもつ光子による計数確率に増加はない。これは、相関を持つ光子による計数確率は制御信号の発生率には依存せず、系の光損失のみで決定される。よって、光子対の発生率を増加させると、制御信号幅（光子検出器 D ₂のゲート幅）へ相関のない光子が入射する確率のみが増加したからである。

第 1 3図より、相関のある光子による計数確率は、平均 1. 3%となっている。光子検出器 D ₂の量子効率を考慮すると、制御信号が出力された時、およそ 7%の確率で相関のある光子を出力できている。制御信号の発生率が 6 kHzであるときは、相関のない光子による計数が、ほぼ無視できるレベルまで抑圧できているのに対して、相関のある光子は正確に出力可能となっている。つまり、光子 1個を正確に 7 %の確率で出力できることになる。一方で、制御信号の発生率が 30kHz以上となると、相関のない光子による出力確率が無視できない。しかしながら、多光子出力確率を固定したまま、平均光子数を増加させることが可能となる（つまり、光子 1個の出力確率のみが増加する）。

制御信号発生率が 37kHzである時を例に挙げる。光子検出器 D ₂の量子効率（ 2 0 %)を補正すると、相関のある光子の影響により、全体の出力平均光子数は 0. 1 6である。一方、相関のない光子によるものは 0. 1である。光子数分布は、パラメトリック下方変換の時にポアッソン分布以上に広がってしまうが、ここでは損失が多いために、ポアツソン分布で近似する。その仮定では、多光子が出力される確率は、平均光子数 0. 1のポアツソン分布程度となる。この結果は、多光子出力確率が、およそ 4 dB改善されたことに対応する。

この例では、シグナル光子とアイドラー光子の波長が同じである縮退自発パラメトリック下方変換を用いているために、シグナル光子とアイドラー光子の分岐を、ファイバーカップラーを用いて行っている。よって、 1 / 2の確率でシグナル光子とアイドラー光子の両方が、同じポートへ導かれてしまう。その結果、この事象に関しては、正確に相関する光子を出力することはできない。そこで、非縮退のパラメトリック下方変換（例えば 1550nmと 1560nm) を用いれば、シグナル光子とアイドラー光子を高効率に分けることができ、相関する光子の出力確率が 2倍となる。また、ファイバーへの結合部分では 7 dB程度の大きな損失がある。そのため、損失の最適化を行えば、相関光子の出力確率はさらに増加する。以上が改善されれば、低い光子対発生率において光子検出器の計数率の飽和が容易となり、パルス的に光子を発生することが可能である。

上記のように、本発明の実施例では、単一光子発生装置を、自発パラメトリツク下方変換によって 2つの光子を発生し、 LN偏波変調器を用いる光スィッチで単一光子を選択的に通過させる構成としたので、効率よく単一光子を発生できる。産業上の利用可能性

本発明の単一光子発生装置は、量子暗号用の光通信装置として最適である。また、無相互作用測定のための単一光子発生装置としても好適である。

Claims

請求の範囲

1 . レーザー光源と、前記レーザー光源からの 1つの光子を同じ波長の 2つの光子に変換する導波路型擬似位相整合 LiNb0₃と、 2つの光子を分離するビームスプリツターと、分離された一方の光子を検出する単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される光スィツチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。

2 . レーザー光源と、前記レーザー光源からの 1つの光子を異なる波長の 2つの光子に変換する非縮退導波路型擬似位相整合 LiNb0₃と、異なる波長の 2つの光子を分離するダイクロイツクミラーと、分離された一方の光子を検出する単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される光スィッチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。

3 . レーザー光源と、前記レーザー光源からの 1つの光子を 2つの光子に変換して異なる方向に出力するバルタ型擬似位相整合 LiNb0₃と、一方の光子を検出する単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される光スィッチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。