(57)【要約】  単一光子発生装置（１０）を、単一光子発生素子（１１）と、励起光源（２０）と、励起光を単一光子発生素子（１１）に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子（１１）が発生した単一光子を第１光ファイバ（２５）に入射させる集光光学系（２７）と、単一光子発生素子（１１）が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、励起光が反射して集光光学系（２７）へ導かれるように第１光ファイバ（２３，２５）に介装されるとともに、所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバ（３１）に接続されたバンドパスフィルタ（２４）とを備えるものとする。
2008117402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が反射して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたバンドパスフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
前記励起光源と前記バンドパスフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項３】
前記バンドパスフィルタは、誘電体多層膜フィルタ又はエタロンフィルタを含むものとして構成されることを特徴とする、請求項１又は２記載の単一光子発生装置。
【請求項４】
単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を抑圧する抑圧帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を透過する透過帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が透過して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたノッチフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項５】
前記励起光源と前記ノッチフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備える請求項４記載の単一光子発生装置。
【請求項６】
前記ノッチフィルタは、誘電体多層膜フィルタ又はエタロンフィルタを含むものとして構成されることを特徴とする、請求項４又は５記載の単一光子発生装置。
【請求項７】
前記励起光源は、共鳴励起又は近共鳴励起を生じさせうる波長の励起光を出射するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項８】
前記集光光学系の位置を制御する位置制御機構を備え、
前記制御手段が、前記位置制御機構を制御して励起光の集光位置を制御することを特徴とする、請求項２，３，５〜７のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項９】
前記制御手段は、
励起光の集光位置を走査させ、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度と励起光の集光位置とに基づいて形状情報を取得する形状情報取得手段と、
前記形状情報取得手段によって取得された形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段とを備えることを特徴とする、請求項２，３，５〜８のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量に応じて励起光の集光位置の位置ずれを補償する集光位置ずれ補償手段を備えることを特徴とする、請求項９記載の単一光子発生装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第１の閾値を超えた場合は、前記集光位置ずれ補償手段による位置ずれ補償制御を行ない、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第２の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段及び前記集光位置最適化手段による集光位置最適化制御を行なうように構成されることを特徴とする、請求項１０記載の単一光子発生装置。
【請求項１２】
前記第２光ファイバに接続され、前記所望の波長の単一光子の発光強度を検出する発光強度検出手段と、
前記制御手段が、前記発光強度検出手段によって検出された発光強度と励起光の集光位置とに基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段を備えることを特徴とする、請求項２，３，５〜１１のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項１３】
前記単一光子発生素子を収容するクライオスタットを備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項１４】
前記単一光子発生素子は、量子ドット構造体であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一光子発生素子に励起光を照射して所望の波長の単一光子を発生させる単一光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。
暗号通信には、公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式が用いられている。公開暗号鍵方式では、解読に膨大な時間を必要とするので解読が困難であるという計算量的側面によってのみ安全性を保証されており、その安全性は完全ではない。また、秘密暗号鍵方式では、秘密鍵自体を二者に配信する際に盗聴されるおそれがあり、その安全性は完全ではない。【０００３】
このような安全性の問題を解決する手段として期待されているのが、１９８４年にＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄにより提案されたＢＢ８４型プロトコルに代表される量子暗号通信である。
このような量子暗号通信では、無条件の安全性を保証する鍵情報の担い手として単一の光子を用いる（例えば特許文献１参照）。【０００４】
単一光子を発生する素子の有力候補として期待されるのが、光パルス励起によって光子を一つずつ発生することが可能な半導体量子ドットである。
最近、単一光子の生成効率を高めるため、極微細半導体突起構造（例えば特許文献２参照）、微小共振器（例えば非特許文献１参照）、微小メサ構造体（例えば非特許文献２参照）等の内部に量子ドットを配置することが提案されている。【０００５】
ところで、量子暗号通信のスループットを高めるためには上記の生成効率のみならず、いかに長距離伝送用光ファイバと単一光子の生成源である微細構造体とを低損失で結合させ、かつ、挿入損失を増大させる要因となる伝送路上の光学素子をいかに減らすかが重要である。
このため、微細構造体（微細発光体）を光励起し、微細構造体が生成した単一光子を光ファイバに結合して集光するために、例えば図１３に示すような顕微発光測定系１００が用いられている。【０００６】
このような顕微発光測定系１００では、図１３に示すように、単一光子を生成する微細構造体１０１を３次元移動ステージ１０２上の固定し、照明用光源１０３からの照明光をビームスプリッタ１０４ａ，１０４ｂ等を介して微細構造体１０１に照射して、微細構造体１０１をＣＣＤカメラ１０５及びモニタ１０６によって観察する。これらを観察光学系という。【０００７】
一方、微細構造体１０１に単一光子を生成させるために、励起用レーザ１０８から出射される励起光を、観察光学系とは異なる光路１０９を通じ、誘電体ミラー１１０、対物レンズ１１１を介して微細構造体１０１上に照射する。これらを励起用レーザ光学系という。
励起光の照射によって微細構造体１０１が生成した単一光子は、集光レンズ１１２によって光ファイバ１１３に入射させ、検出器１１４へ伝送される。これを光ファイバ集光光学系という。【０００８】
このように構成される顕微発光測定系１００は、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバ集光光学系の各々について調整の自由度が高く、光学台上に手軽に構築できる点で好ましい。
【特許文献１】特開２０００−２９２８２１号公報
【特許文献２】特開２００６−１８６０８４号公報
【非特許文献１】Matthew Pelton et al., "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity", Physical Review Letters, Vol.89, No.23, pp.233602-1-4, 2 December 2002
【非特許文献２】Kazuya Takemoto et al., "Non-classical Photon Emission from a Single InAs/InP Quantum Dot in the 1.3-μm Optical-Fiber Band", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.7B, 2004, pp.L993-L995
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述のような顕微発光測定系１００は、微細構造体１０１と光ファイバ端１１３ａとの間の光路上に、励起光１０９を導入するための誘電体ミラー１１０や、観察光学系のビームスプリッタ１０４ｂ等の光学素子が入るため、鏡筒長が長くなり微細構造体１０１と光ファイバ１１３との結合効率が落ち、微細構造体１０１から検出器１１４に到達するまでの損出が大きいという課題がある。【００１０】
また、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバ集光光学系の各々の調整の自由度が高すぎるため、ＣＣＤカメラ１０５による観察中心と、光ファイバ１１３の中心軸とを精度良く一致させるのは容易ではなく、微細構造体１０１が生成した単一光子を光ファイバ１１３に入射させるための高精度の位置決めが困難であるという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、単一光子発生素子が発生した単一光子を低損失で取り出すことができる単一光子発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の観点によれば、単一光子発生素子と、単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子が発生した単一光子を第１光ファイバに入射させる集光光学系と、単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、励起光源からの励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、励起光源からの励起光が反射して集光光学系へ導かれるように第１光ファイバに介装されるとともに、所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたバンドパスフィルタとを備える単一光子発生装置が提供される。【００１２】
また、本発明の他の観点によれば、単一光子発生素子と、単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子が発生した単一光子を第１光ファイバに入射させる集光光学系と、単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を抑圧する抑圧帯域と、励起光源からの励起光の波長を透過する透過帯域とを有し、励起光源からの励起光が透過して集光光学系へ導かれるように第１光ファイバに介装されるとともに、所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたノッチフィルタとを備える単一光子発生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明の単一光子発生装置によれば、単一光子発生素子が発生した単一光子を低損失で取り出すことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの透過特性を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの変形例の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体を示す模式的斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体の要部を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体からの反射光強度分布を可視化した模式図である。
【図９】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置における集光位置の再最適化制御の処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１実施形態の単一光子発生装置による効果を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第２実施形態の単一光子発生装置に備えられるノッチフィルタの構成を示す模式図である。
【図１３】従来の微細構造体が生成した単一光子を集光するための集光装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００１５】
１０，７０  単一光子発生装置
１１  単一光子発生素子
１２  クライオスタット
１３  冷却台
１４  冷凍機
１５  冷媒給排管
１６  光学窓
２０  励起光源
２１，２３，２５，２８，３１  光ファイバ
２２  １ｘ２カプラ
２２Ａサーキュレータ
２４  バンドパスフィルタ
２４Ａ  誘電体多層膜フィルタ
２４Ｂ  エタロンフィルタ
２６  入出力部
２７  集光光学系
２７ａ，２７ｂ  レンズ
２９  光検出器
３２  出力部
３３  単一光子検出器
４１  ３軸ステージ
４２  ステージコントローラ
４３  制御演算部
４４  入力部
４５  メモリ
４６  表示部
５０  量子ドット構造体
５１  ＩｎＰ基板
５２  ＩｎＰバッファ層
５３  ＩｎＡｓ量子ドット
５４  第１ＩｎＰダブルキャップ層
５５  第２ＩｎＰダブルキャップ層
５６  ＩｎＰキャップ層
５８  反射光強度分布
７１  ノッチフィルタ
７１Ａ  誘電体多層膜フィルタ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる単一光子発生装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生装置について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生装置１０は、図１に示すように、単一光子発生素子１１と、単一光子発生素子１１に照射される照明光を兼ねる励起光を出射する励起光源２０と、光ファイバ２１，２３，２５を伝搬し、入出力部２６から出射された励起光をコリメートして、単一光子発生素子１１に集光し、さらに単一光子発生素子１１からの反射光及び励起光の照射によって単一光子発生素子１１が発生した単一光子を再び入出力部２６に集光する集光光学系２７と、単一光子発生素子１１からの反射光の強度を検出する光検出器（反射光強度検出手段；パワーメータ）２９と、励起光の照射によって単一光子発生素子１１で生成され、集光光学系２７及び光ファイバ２５を伝搬してきた光の中から所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみを選別し、その他の光は反射によって抑圧するバンドパスフィルタ２４と、集光光学系２７に取り付けられ、励起光の集光位置を制御する３軸ステージ（位置制御機構）４１と、３軸ステージ４１を駆動制御するステージコントローラ４２と、ステージコントローラ４２及び光検出器２９等を制御する制御演算部（制御手段；制御ＰＣ）４３とを含むものとして構成される。【００１７】
なお、本明細書において、単一光子とは１つの光子しか含まない光のパルスを意味する。
この単一光子発生装置１０では、励起光と照明光を共通化することにより、単一光子発生素子１１の単一光子発生源である量子ドット構造体５０に容易に集光でき、かつ、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の光学部品数を低減できる。【００１８】
特に、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにして、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用することで、励起光を導入し、反射光を反射によって抑圧し、背景光を低減することができ、これにより、光ファイバ２５の入出力部２６と出力部３２との間の光学部品数も低減でき、この結果、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置１０を実現できることになる。【００１９】
以下、単一光子発生装置１０の各構成要素を説明する。
励起光源２０は、レーザ光源（例えばＤＦＢレーザなど）であり、単一光子発生素子１１を励起しうる波長のレーザ光（励起光）を出射可能であれば、その種類は特に限定されないが、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにする必要がある。【００２０】
この場合、単一光子の波長λcに近い長波長λexc（＝λc−Δλ）の励起光を用いることになるため、励起光源２０は、共鳴励起又は近共鳴励起を生じさせうる波長の励起光を出射可能なものを用いるのが好ましい。例えば波長１．５５μｍ帯に含まれる任意の波長の単一光子を取り出す場合、波長１．４μｍ以上のレーザ光を出射するレーザダイオードを用いるのが好ましい。【００２１】
このように、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにすることで（即ち、単一光子の波長に近い長波長の励起光を用いることで）、背景光（ノイズ）を除去するためにローパスフィルタを設ける必要がなくなる。この場合、共鳴励起又は近共鳴励起を利用することで、単一光子の光強度を増大させることができ、これにより、十分な効率を確保できることになる。【００２２】
特に、励起光は、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状を観察・測定するための照明光としても用いられる。これにより、別途、照明用の光源，光路，反射された照明光を取り出すためのカプラ等を設ける必要がなくなるため、光学的な損失を抑制できることになる。
光ファイバ２１，２３，２５，２８，３１としては、シングルモード光ファイバが用いられる。【００２３】
１ｘ２カプラ（分波器）２２は、励起光源２０に光ファイバ（第１光ファイバ）２１を介して接続されたフォワードポート（Forward Port）と、光検出器２９に光ファイバ（第２光ファイバ）２８を介して接続されたリターンポート（Return Port）と、バンドパスフィルタ２４に光ファイバ（第１光ファイバ）２３を介して接続されたコムポート（Com Port）とを有している。つまり、１ｘ２カプラ２２は、図１に示すように、励起光源２０とバンドパスフィルタ２４との間の光ファイバ（第１光ファイバ）２１，２３に介装されている。【００２４】
なお、ここでは、１ｘ２カプラ２２を用いているが、これに限定されるものではなく、上記の機能を有する分波器であれば良い。例えば２ｘ２カプラなどの他の構成のカプラを用いても良い。また、例えば図２に示すように、光サーキュレータ（分波器）２２Ａを用いることもできる。
バンドパスフィルタ２４は、図１に示すように、励起光源２０からの励起光（例えば波長１．４μｍ以上の励起光）が反射して集光光学系２７へ導かれ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光が反射して１ｘ２カプラ２２へ導かれるように、光ファイバ（第１光ファイバ）２３と光ファイバ（第１光ファイバ）２５との間に介装される。また、バンドパスフィルタ２４は、単一光子発生素子１１が発生した所望の波長の単一光子（例えば波長１．５５μｍ帯に含まれる任意の波長の単一光子）を取り出すための光ファイバ（第２光ファイバ）３１に接続されている。【００２５】
つまり、バンドパスフィルタ２４は、図３に示すように、トランスミッションポート（Transmission Port）と、リフレクションポート（Reflection Port）と、コモンポート（Common Port）とを備え、リフレクションポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２３が接続されており、コモンポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２５が接続されており、トランスミッションポートに光ファイバ（第２光ファイバ）３１が接続されている。【００２６】
また、バンドパスフィルタ２４は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを含むものとして構成される。
ここで、誘電体多層膜フィルタ２４Ａの透過特性は、例えば図４に示すようになっている。つまり、誘電体多層膜フィルタ２４Ａは、単一光子発生素子１１が発生した単一光子のうち所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別しうるように、所望の単一光子の波長λcを透過する狭帯域の透過帯域と、透過帯域を挟んで両側に隣接し、励起光源２０からの励起光の波長λexc（＝λc−Δλ）を抑圧する抑圧帯域（例えば光強度が３０ｄＢ以上抑圧される帯域）とを有するものとして構成される。【００２７】
ここでは、上述のように、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにしているため、励起光源２０からの励起光はバンドパスフィルタ２４で反射して抑圧され、また、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光もバンドパスフィルタ２４で反射して抑圧されることになる。
つまり、図３に示すように、光ファイバ２３を介してバンドパスフィルタ２４のリフレクションポートから入ってきた励起光は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａで反射してコモンポートに結合し、光ファイバ２５を介して単一光子発生素子１１へ送られるようになっている。また、光ファイバ２５を介してバンドパスフィルタ２４のコモンポートから入ってきた反射光は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａで反射してリフレクションポートに結合し、光ファイバ２３を介して光検出器２９へ送られるようになっている。【００２８】
一方、光ファイバ２５を介してバンドパスフィルタ２４のコモンポートから入ってきた単一光子は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを透過してトランスミッションポートに結合し、光ファイバ３１を介して取り出されるようになっている。
このように、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用して（即ち、狭帯域バンドパスフィルタの中心波長近傍で最も抑圧が大きくなる特性を利用して）、図１に示すように、励起光源２０から光ファイバ２１，２３を介して伝搬してくる励起光を光ファイバ２５に反射・結合させるとともに、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に反射・結合させるようにして、励起光や反射光が単一光子を取り出す出力部３２側へ伝播しないようにする一方、バンドパスフィルタ２４の透過帯域を利用して、単一光子発生素子１２によって生成された単一光子を透過させて取り出すようにしている。また、バンドパスフィルタ２４によって背景光（ノイズ）も除去されることになる。【００２９】
なお、本実施形態では、バンドパスフィルタ２４を、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを含むものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば図５に示すように、エタロンフィルタ２４Ｂを含むものとして構成しても良い。
集光光学系２７は、図１に示すように、励起光源２０から光ファイバ（第１光ファイバ）２１，２３，２５を介して伝播する励起光を単一光子発生素子１１に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子１１が発生した単一光子を光ファイバ（第１光ファイバ）２５に入射させるように構成されている。【００３０】
具体的には、集光光学系２７は、入出力部２６から空間に出射された励起光を平行光に変換するレンズ２７ａと、さらに平行光に変換された励起光を単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光するレンズ２７ｂからなる。これらのレンズ２７ａ，２７ｂは、３軸ステージ４１によって、励起光が単一光子発生素子１１の表面に集光するとともに、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光が入出力部２６の端面に集光するように位置決めされる。なお、集光光学系２７の構成は、これに限られるものではなく、上記の機能を有するものであれば良い。例えば単レンズあるいは３枚以上のレンズを用いたものでも良い。【００３１】
単一光子発生素子１１は、励起光の照射によって、励起光の波長と異なる波長の単一光子を発生するものであれば特に限定されないが、ここでは、単一光子発生源として量子ドット構造体５０を有するものとして構成している。例えば波長１．５５μｍ帯の単一光子を取り出す場合、波長１．４μｍ以上の励起光によって共鳴励起又は近共鳴励起されるものが好ましい。【００３２】
量子ドット構造体５０としては、公知の量子ドット構造体を用いることができるが、以下、一例を挙げて説明する。
図６は、量子ドット構造体５０の模式的斜視図、図７は、量子ドット構造体５０の要部断面図であり、図６に示す量子ドット構造体５０の頂上付近を拡大した断面図である。なお、図６に示したＸ軸及びＹ軸は量子ドット構造体５０の頂上面に平行な面内の互いに直行する２つの軸であり、Ｚ軸は頂上面に垂直な軸である。【００３３】
量子ドット構造体５０は、図６及び図７に示すように、円錐台形状のメサ構造を有し、励起光の照射によって互いに波長の異なる複数の単一光子を生成しうるように、互いに大きさの異なる複数の量子ドット５３を有するものとして構成される。量子ドット構造体５０の頂上面は、図７に示すＩｎＰキャップ層５６の表面によって構成される。
なお、量子ドット構造体５０の形状はこれに限られるものではなく、例えば図６に示すものよりも高さが低くても良いし、頂上面の面積が広くても良い。【００３４】
ここでは、量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットを有するものとして構成される。
具体的には、量子ドット構造体５０は、図６に示すように、ＩｎＰ基板５１上に形成されたＩｎＰバッファ層５２（例えば厚さ２００ｎｍ）と、ＩｎＰバッファ層５２の表面に形成された複数のＩｎＡｓ量子ドット５３と、ＩｎＰバッファ層５２の表面とＩｎＡｓ量子ドット５３を覆う第１ＩｎＰダブルキャップ層５４（例えば厚さ２ｎｍ）及び第２ＩｎＰダブルキャップ層５５（例えば厚さ１８ｎｍ）と、その上に形成されたＩｎＰキャップ層５６（例えば厚さ１００ｎｍ）とからなる。【００３５】
そして、ＩｎＰバッファ層５２の表面には、図７に示すように、複数の異なる底面直径及び高さＨQDを有するＩｎＡｓ量子ドット５３が形成されている。ＩｎＡｓ量子ドット５３は、ＩｎＰキャップ層５６側からの励起光の照射によって単一光子を発生する。この単一光子は全方位的に放出されるが、よく設計されたメサ構造を用いることで、励起光の入射側により多く進行させることが可能である。単一光子の波長は、ＩｎＡｓ量子ドット５３の底面直径及び高さＨQDに応じて決定される。例えば、底面直径あるいは高さＨQDが大きいほど単一光子の波長は長くなる。但し、高さＨQDは、ＩｎＡｓの分子数に応じた離散的な値になるため、各ＩｎＡｓ量子ドット５３が発光する単一光子は異なる波長を有するものとなるが、バンドパスフィルタ２４によって選別することで所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を取り出すことができる。【００３６】
この点、本発明者等の検討によれば、このような構造の量子ドット構造体のＩｎＡｓ量子ドットから通信波長帯（波長１．３μｍ〜１．５５μｍ）において離散的でかつ波長幅の狭い輝線が得られることが知得されている（例えばJapanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.3A, 2004, pp.L349-L351参照）。また、量子ドット構造体から上記の輝線の波長の単一光子が得られることが知得されている（例えばJapanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.7B, 2004, pp.L993-L995参照）。【００３７】
量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ量子ドット５３がメサ構造のＩｎＰバッファ層５２上に１個以上配置されている。
例えば、このような量子ドット構造体５０に波長１．４μｍ以上のパルスレーザ光が励起光として照射されると、１パルスの励起光の照射で、波長１．３μｍ〜１．５５μｍであって、励起光の波長よりも長波長側の波長帯において離散的な波長の単一光子が得られる。【００３８】
なお、このような量子ドット構造体５０の形成方法等は特開２００６−２２９６０８号公報に記載された方法を用いることができる。
ところで、単一光子発生素子１１は、図１に示すように、クライオスタット１２内の冷却台１３上に載置され、収容される。冷却台１３には冷凍機１４から冷媒給排管１５を介して液体ヘリウムが供給され、単一光子発生素子１１が１０Ｋ程度の温度に冷却される。励起光は、クライオスタット１２に設けられた光学窓１６を介して、単一光子発生素子１１に集光される。なお、図示しない真空ポンプによってクライオスタット１２内は真空に保持される。また、室温で発光可能な単一光子発生素子１１を用いた場合は、冷却台１３、冷媒給排管１５及び冷凍機１４は設けなくても良い。さらに、温度を１０Ｋ程度の低温にする必要がない場合は、冷媒として液体窒素などを利用することも可能である。なお、集光光学系２７もクライオスタット１２内に収容されるようにしても良い。【００３９】
３軸ステージ４１は、その上に集光光学系２７が載置され、例えば集光光学系２７の光軸方向及び光軸方向に直交する平面内の２軸方向に動作可能である。３軸ステージ４１によって集光光学系２７をその光軸方向に動作させることで、例えば図６に示した単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の表面に合焦するように励起光を集光させることができる。また、３軸ステージ４１によって集光光学系２７を光軸方向に直交する平面内の２軸方向（図６に示すＸ軸及びＹ軸方向）に動作させることで、量子ドット構造体５０の表面を励起光によって走査することが可能となる。【００４０】
光検出器（反射光強度検出手段）２９は、単一光子発生素子１１からの反射光の強度を検出するものであり、図１に示すように、１ｘ２カプラ２２に光ファイバ（第３光ファイバ）２８を介して接続されている。なお、光検出器２９として、分光器を用いても良く、この場合、反射光波長のパワースペクトルが検出されることになる。
制御演算部（制御手段；コントローラ）４３は、例えばパーソナルコンピュータである。ここでは、制御演算部４３には、光検出器２９から反射光の強度データが供給され、ステージコントローラ４２から３軸ステージ４１の位置情報（例えば基準位置からの３軸方向への移動距離等）が供給される。そして、制御演算部４３は、３軸ステージ４１を制御して、光検出器２９によって検出された反射光の強度に基づいて集光光学系２７によって集光される励起光の集光位置を制御するようになっている。【００４１】
また、制御演算部４３には、図１に示すように、入力部４４、メモリ４５、表示部４６が接続されている。
ここで、入力部は、例えばキーボードであり、制御演算部４３への命令や条件設定等の入力を行なうものである。また、メモリ４５は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリ、ハードディスク装置、磁気テープ装置等の磁気記憶装置、光ディスク装置等である。メモリ４５には、制御演算部４３で実行されるプログラムや量子ドット構造体５０の表面形状情報のデータが記憶されている。また、表示部４６は、例えばモニタであり、量子ドット構造体５０の反射光強度分布や反射光の現時点での強度等が表示される。【００４２】
また、制御演算部４３は、メモリ４５等に記憶されたプログラムを実行することによって、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の表面からの反射光の強度データ（即ち、光検出器２９によって検出された反射光強度データ）及び３軸ステージ４１の位置情報に基づいて単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得する形状情報取得手段、形状情報取得手段によって得られた形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化する集光位置最適化手段、及び、励起光の集光位置のドリフト補償手段等として機能する。【００４３】
形状情報取得手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して、集光光学系２７による励起光の集光位置を図６に示した量子ドット構造体５０のＸＹ平面において走査させ、光検出器２９によって検出された反射光の強度（あるいは反射光波長のパワースペクトル）を取得する。また、形状情報取得手段は、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する。そして、形状情報取得手段は、励起光の集光位置と反射光強度とを対応づけた反射光強度分布を取得し、これを量子ドット構造体５０の形状情報としてメモリ４５に記憶させる。【００４４】
ここで、図８は、量子ドット構造体５０からの反射光強度分布を可視化した模式図である。なお、図８のＸ軸及びＹ軸の座標は集光位置の位置情報を示しており、図６のＸ軸及びＹ軸に対応している。また、図８のＸＹ平面に垂直な方向に反射光強度を示している。また、データ点は離散的に得られるが、図８ではデータ点間を補間して模式的に示している。【００４５】
図８に示すように、反射光強度分布５８は、量子ドット構造体５０の頂上面の中心において反射光強度が最大となり、量子ドット構造体５０の側面では頂上面から離れるほど反射光強度が小さくなり、量子ドット構造体５０と類似した形状となる。このため、本実施形態では、形状情報取得手段は、反射光強度分布５８を量子ドット構造体５０の形状情報として取得するようにしている。【００４６】
集光位置最適化手段は、形状情報取得手段によって取得された量子ドット構造体５０の形状情報としての反射光強度分布のデータに基づいて励起光の集光位置を最適化する。
具体的には、集光位置最適化手段は、反射光強度の最大点を最適な集光位置として決定する。例えば、互いに異なるＹ軸上の５つの座標点Ｙ１〜Ｙ５を通り、Ｘ軸に平行な５つの直線Ｌ１〜Ｌ５上で反射光強度が最大になる点Ｍ１〜Ｍ５を求め、これらの点Ｍ１〜Ｍ５の中の最大になる点（例えばＭ３）のＸ座標及びＹ座標を最適な集光位置として決定する。【００４７】
そして、集光位置最適化手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を、上述のようにして決定された最適な集光位置に設定する。これにより、励起光の集光位置は、量子ドット構造体５０の頂上面の中心位置に位置合わせされることになる。
ところで、上述のようにして、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって励起光の集光位置が最適化されるが、励起光を単一光子発生素子１１に照射し続けると冷却台１３の熱ドリフトによって集光位置がずれてしまい、単一光子の生成が停止してしまう場合がある。このように、集光位置の位置ずれが生じると反射光強度（反射光量）は減少することになる。【００４８】
このため、本実施形態では、ドリフトによる集光位置の位置ずれを補償するドリフト補償手段として、反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量（反射光量の減少量）に応じて励起光の集光位置の位置ずれを補償する集光位置ずれ補償手段を備える。
集光位置ずれ補償手段は、単一光子発生装置１０が動作中、即ち、励起光が単一光子発生素子１１に照射されている間、反射光強度（反射光量）をモニタし、前回最適化制御が行なわれた際の最適な集光位置における反射光強度（反射光量）を基準とする反射光強度の低下量（反射光量の減少量）が、第１の閾値を超えた場合に、以下の位置ずれ補償制御（ドリフト補償制御）を行なう。【００４９】
集光位置ずれ補償手段は、位置ずれ補償制御として、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えた場合に、３軸ステージ４１を制御して集光位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これに基づいて集光位置を再設定する。
また、本実施形態では、反射光強度の低下量が第１の閾値よりも所定値だけ大きい値に設定される第２の閾値を超えた場合は、上述の形状情報取得手段及び集光位置最適化手段による集光位置最適化制御（再最適化）を行なうようにしている。【００５０】
なお、本実施形態では、図１に示すように、上述のように構成される単一光子発生装置１０の出力部３２に、所望の波長の単一光子の発光強度を検出する単一光子検出器（発光強度検出手段）３３を接続している。そして、制御演算部４３に単一光子検出器３３から単一光子の発光強度が供給されるようにしている。
単一光子検出器３３は、単一光子発生素子１１によって生成された単一光子の波長、数、発光のタイミング、発光強度等を検出・測定するものであり、アバランシェ型フォトダイオードや光電子増倍管、あるいはアレイ型検出器と組み合わせた分光器からなる。【００５１】
そして、本実施形態では、制御演算部４３は、メモリ４５等に記憶されたプログラムを実行することによって、単一光子検出器３３によって検出された単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）のデータを取得するとともに、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報；これは量子ドット構造体の位置情報に相当する）を取得し、これらに基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段として機能するように構成している。このようにして得られた発光強度分布によって、量子ドット構造体５０における量子ドットの配置情報を得ることができる。【００５２】
なお、単一光子検出器３３を接続しないで、単一光子を出力部３２から取り出すようにしても良い。
以下、単一光子発生装置１０の動作を説明する。
まず、図１に示すように、クライオスタット１２内の冷却台１３上に単一光子発生素子１１を固定し、クライオスタット１２内を排気して真空状態にし、さらに冷凍機１４からの液体ヘリウムにより単一光子発生素子１１を例えば１０Ｋに冷却する。【００５３】
励起光源２０によって例えば波長１．４５μｍのパルス状の励起光がシングルモード光ファイバ２１に出射され、１ｘ２カプラ２２のフォワードポート（Forward Port）からコムポート（Com Port）を通過して光ファイバ２３を伝播し、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域における反射を利用して光ファイバ２５に結合し、入出力部２６から空間へ出射する。【００５４】
入出力部２６から出射した励起光は集光光学系２７のレンズ２７ａによって平行光に変換され、さらにレンズ２７ｂによって光学窓１６を介して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光される。
量子ドット構造体５０で反射した反射光（励起光と同じ波長である）は、励起光と逆向きに伝搬し、１ｘ２カプラ２２のコムポート（Com Port）からリターンポート（Return Port）を通過し、光ファイバ２８を介して光検出器２９へ送られる。【００５５】
制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される形状情報取得手段が、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、集光光学系２７を介して量子ドット構造体５０に照射される励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させる。そして、形状情報取得手段が、光検出器２９によって検出される量子ドット構造体５０からの反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、これをメモリ４５に記憶させる。【００５６】
また、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置最適化手段が、メモリ４５に記憶された量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて励起光の集光位置を最適化する。
つまり、集光位置最適化手段が、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に設定する。【００５７】
これにより、単一光子発生素子１１によって励起光に応じた波長の単一光子が生成され、集光光学系２７を介して入出力部２６に入射し、光ファイバ２５を伝播し、バンドパスフィルタ２４によって不必要な背景光が除去され、所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみが選別され、光ファイバ３１を介して出力部３２から取り出される。【００５８】
なお、本実施形態では、単一光子が生成されている間、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置ずれ補償手段（ドリフト補償手段）によって、必要に応じて、集光位置の位置ずれ補償制御（集光位置の再最適化制御）が行なわれる。
つまり、まず、図９に示すように、集光位置ずれ補償手段は、現在の集光位置における反射光強度を取得する（ステップＳ１０）。【００５９】
次いで、集光位置ずれ補償手段は、現在の反射光強度と前回最適化制御が行なわれた際の最適な集光位置における反射光強度（基準反射光強度）との差（反射光強度の低下量；反射光量の減少量）を求める（ステップＳ２０）。
次に、集光位置ずれ補償手段は、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ３０）。【００６０】
ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯルート）は、後述のような集光位置の再最適化制御を行なわずに処理を終了する。
一方、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳルート）、さらに、集光位置ずれ補償手段は、反射光強度の低下量が第１の閾値よりも所定値だけ大きな値に設定される第２の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ４０）。【００６１】
その結果、反射光強度の低下量が第２の閾値を超えていないと判定した場合（即ち、第１の閾値を超えているが第２の閾値を超えていない場合）（ＮＯルート）、集光位置ずれ補償手段は、３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置をＸ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する（ステップＳ５０）。【００６２】
次いで、集光位置ずれ補償手段は、３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置をＹ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する（ステップＳ６０）。
そして、集光位置ずれ補償手段は、取得された３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）に基づいて集光位置を再設定する（ステップＳ７０）。【００６３】
一方、ステップＳ４０において、反射光強度の低下量が第２の閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳルート）、上述の形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって集光位置の再最適化制御が行なわれ、再度、集光位置が最適化される（ステップＳ８０，Ｓ９０）。
つまり、まず、形状情報取得手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させ、光検出器２９によって検出される反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得する（ステップＳ８０）。【００６４】
次に、集光位置最適化手段は、量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に再設定する（ステップＳ９０）。
このようにして集光位置を再設定した後（ステップＳ７０，Ｓ９０）、集光位置ずれ補償手段は、再設定した集光位置における反射光強度と基準反射光強度との差（反射光強度の低下量；反射光量の減少量）を求め（ステップＳ１００）、ステップＳ３０へ戻り、再度、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えているか否かを判定する。【００６５】
以後、ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定するまで、ステップＳ４０からステップＳ１００までの処理を繰り返す。
そして、ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯルート）、集光位置の再最適化制御を終了する。
ところで、本実施形態では、図１に示すように、出力部３２に単一光子検出器３３を接続しているため、この単一光子検出器３３によって単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）が検出される。そして、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される発光強度分布取得手段によって、単一光子検出器３３によって検出された単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）のデータ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報；これは量子ドット構造体の位置情報に相当する）が取得され、これらに基づいて発光強度分布が取得される。【００６６】
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生装置によれば、励起光が照明光を兼ねており、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているため、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間に集光光学系２７のみを設ければ良く、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制できるという利点がある。
また、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにして、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用することで、例えば図１０に示すように、励起光を光ファイバ２５に結合させ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に結合させるためのＷＤＭカプラ、所望の波長の単一光子を取り出すためのバンドパスフィルタ、背景光（ノイズ）を除去するためのローパスフィルタなどの複数の光学素子を設ける必要がなく、入出力部２６と出力部３２との間の伝送路上の光学素子（ここではバンドパスフィルタ２４）が１つで済み、光学部品数を低減できる。これにより、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置１０を実現できることになる。【００６７】
さらに、本実施形態では、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、この形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化するようにしているため、単一光子発生素子１１によって確実に単一光子を発生させ、かつ、発生した単一光子を確実に集光でき、これにより、単一光子を効率的に出力できることになる。【００６８】
例えば、シングルモード光ファイバのコア径が１０μｍであり、量子ドット構造体５０のサイズが数百ｎｍ〜１μｍの場合、集光光学系２７の結像倍率を５倍とすれば、光ファイバ２５のコアの単一光子発生素子１１への投影サイズは２μｍとなる。単一光子発生装置１０は、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているので、３軸ステージ４１の位置再現性の精度で集光位置が設定できる。３軸ステージ４１の位置再現性の精度は１０ｎｍ程度であるので、１μｍ以下の位置決め精度が可能である。この結果、単一光子発生装置１０は、単一光子を確実に生成し、かつ、集光できることになる。【００６９】
さらに、単一光子発生素子１１の反射光強度をモニタしながら単一光子を集光することができるため、クライオスタット内の温度変化によって集光位置の位置ずれが生じても、集光位置ずれ補償手段によって、３軸ステージ４１の位置制御を行なうことで集光位置の位置ずれを補償することができ、単一光子の経時的な生成が可能となり、集光安定性を向上させることができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態にかかる単一光子発生装置について、図１１，図１２を参照しながら説明する。【００７０】
本実施形態の単一光子発生装置は、上述の第１実施形態のものに対し、バンドパスフィルタの代わりにノッチフィルタを用いている点が異なる。
つまり、本単一光子発生装置７０では、図１１に示すように、集光光学系２７及び光ファイバ２５を伝搬してきた光の中から所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別するノッチフィルタ７１を用いている。なお、図１１では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。【００７１】
特に、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにして、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用することで、励起光を導入することができ、また、反射光を透過させて除去しながら、所望の波長帯に含まれる任意の波長の単一光子のみを反射させて取り出すことができ、さらに、背景光を低減することができる。これにより、光ファイバ２５の入出力部２６と出力部３２との間の光学部品数も低減でき、この結果、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置７０を実現できることになる。【００７２】
ここで、ノッチフィルタ７１は、図１１に示すように、励起光源２０からの励起光（例えば波長１．４μｍ以上の励起光）が透過して集光光学系２７へ導かれ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光が透過して１ｘ２カプラ２２へ導かれるように、光ファイバ（第１光ファイバ）２３と光ファイバ（第１光ファイバ）２５との間に介装される。また、ノッチフィルタ７１は、単一光子発生素子１１が発生した所望の波長の単一光子（例えば１．５５μｍ帯の任意の波長の単一光子）を取り出すための光ファイバ（第２光ファイバ）３１に接続されている。【００７３】
つまり、ノッチフィルタ７１は、図１２に示すように、トランスミッションポート（Transmission Port）と、リフレクションポート（Reflection Port）と、コモンポート（Common Port）とを備え、リフレクションポートに光ファイバ（第２光ファイバ）３１が接続されており、コモンポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２５が接続されており、トランスミッションポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２３が接続されている。【００７４】
また、ノッチフィルタ７１は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを含むものとして構成される。
ここで、誘電体多層膜フィルタ７１Ａは、単一光子発生素子１１が発生した単一光子のうち所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別しうるように、所望の単一光子の波長λcを抑圧する狭帯域の抑圧帯域（光強度が３０ｄＢ以上抑圧される帯域）と、抑圧帯域を挟んで両側に隣接し、励起光源２０からの励起光の波長λexc（＝λc−Δλ）を透過する透過帯域とを有するものとして構成される。【００７５】
ここでは、上述のように、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにしているため、励起光源２０からの励起光はノッチフィルタ７１を透過し、また、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光もノッチフィルタ７１を透過することになる。
つまり、図１２に示すように、光ファイバ２３を介してノッチフィルタ７１のトランスミッションポートから入ってきた励起光は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを透過してコモンポートに結合し、光ファイバ２５を介して単一光子発生素子１１へ送られるようになっている。また、光ファイバ２５を介してノッチフィルタ７１のコモンポートから入ってきた反射光は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを透過してトランスミッションポートに結合し、光ファイバ２３を介して光検出器２９へ送られるようになっている。【００７６】
一方、光ファイバ２５を介してノッチフィルタ７１のコモンポートから入ってきた単一光子は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａで反射してリフレクションポートに結合し、光ファイバ３１を介して取り出されるようになっている。
このように、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用して、励起光源２０から光ファイバ２１，２３を介して伝搬してくる励起光を光ファイバ２５に透過・結合させるとともに、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に透過・結合させるようにして、励起光や反射光が単一光子を取り出す出力部３２側へ伝播しないようにする一方、ノッチフィルタ７１の抑圧帯域を利用して、単一光子発生素子１１によって生成された単一光子を光ファイバ３１に反射・結合させて取り出すようにしている。また、ノッチフィルタ７１によって背景光（ノイズ）も除去されることになる。【００７７】
なお、本実施形態では、ノッチフィルタ７１を、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを含むものとして構成しているが、これに限られるものではなく、エタロンフィルタを含むものとして構成しても良い。
このため、本単一光子発生装置７０は、以下のように動作する。
励起光源２０によって例えば波長１．４５μｍのパルス状の励起光がシングルモード光ファイバ２１に出射され、１ｘ２カプラ２２のフォワードポート（Forward Port）からコムポート（Com Port）を通過して光ファイバ２３を伝播し、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用して光ファイバ２５に結合し、入出力部２６から空間へ出射する。【００７８】
入出力部２６から出射した励起光は集光光学系２７のレンズ２７ａによって平行光に変換され、さらにレンズ２７ｂによって光学窓１６を介して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光される。
量子ドット構造体５０で反射した反射光（励起光と同じ波長である）は、励起光と逆向きに伝搬し、１ｘ２カプラ２２のコムポート（Com Port）からリターンポート（Return Port）を通過し、光ファイバ２８を介して光検出器２９へ送られる。【００７９】
制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される形状情報取得手段が、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、集光光学系２７を介して量子ドット構造体５０に照射される励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させる。そして、形状情報取得手段が、光検出器２９によって検出される量子ドット構造体５０からの反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、これをメモリ４５に記憶させる。【００８０】
また、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置最適化手段が、メモリ４５に記憶された量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて励起光の集光位置を最適化する。
つまり、集光位置最適化手段が、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に設定する。【００８１】
これにより、単一光子発生素子１１によって励起光に応じた波長の単一光子が生成され、集光光学系２７を介して入出力部２６に入射し、光ファイバ２５を伝播し、ノッチフィルタ７１によって不必要な背景光が除去され、所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみが選別され、光ファイバ３１を介して出力部３２から取り出される。【００８２】
なお、その他の構成及び動作は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生装置によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、励起光が照明光を兼ねており、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているため、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間に集光光学系２７のみを設ければ良く、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制できるという利点がある。【００８３】
また、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにして、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用することで、励起光を光ファイバ２５に結合させ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に結合させるためのカプラ、所望の波長の単一光子を取り出すためのノッチフィルタ、背景光を除去するためのローパスフィルタなどの複数の光学素子を設ける必要がなく、入出力部２６と出力部３２との間の伝送路上の光学素子（ここではノッチフィルタ７１）が１つで済み、光学部品数を低減できる。これにより、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置７０を実現できることになる。【００８４】
さらに、本実施形態では、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、この形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化するようにしているため、単一光子発生素子１１によって確実に単一光子を発生させ、かつ、発生した単一光子を確実に集光でき、これにより、単一光子を効率的に出力できることになる。【００８５】
また、単一光子発生素子１１の反射光強度をモニタしながら単一光子を集光することができるため、クライオスタット内の温度変化によって集光位置の位置ずれが生じても、集光位置ずれ補償手段によって、３軸ステージ４１の位置制御を行なうことで集光位置の位置ずれを補償することができ、単一光子の経時的な生成が可能となり、集光安定性を向上させることができる。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、量子ドット構造体５０の頂上面側（ＩｎＰキャップ層５６側）から励起光を照射しているが（図６参照）、これに限られるものではなく、例えば量子ドット構造体５０の底面側（ＩｎＰ基板５１側）から励起光を照射するように構成しても良い。この場合、図８に示した反射光強度分布はその上下が逆になる。このため、集光位置最適化手段は、反射光強度が最小になる集光位置を最適な集光位置として決定することになる。【００８６】
また、上述の各実施形態では、量子ドット構造体をメサ構造の構造体として構成しているが、これに限られるものではなく、例えばピラー（柱状）構造の構造体として構成しても良い。
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が反射して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたバンドパスフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
前記励起光源と前記バンドパスフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項３】
単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を抑圧する抑圧帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を透過する透過帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が透過して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたノッチフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項４】
前記励起光源と前記ノッチフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、請求項３記載の単一光子発生装置。
【請求項５】
前記励起光源は、共鳴励起又は近共鳴励起を生じさせうる波長の励起光を出射するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項６】
前記集光光学系の位置を制御する位置制御機構を備え、
前記制御手段が、前記位置制御機構を制御して励起光の集光位置を制御することを特徴とする、請求項２，４，５のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項７】
前記制御手段は、
励起光の集光位置を走査させ、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度と励起光の集光位置とに基づいて形状情報を取得する形状情報取得手段と、
前記形状情報取得手段によって取得された形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段とを備えることを特徴とする、請求項２，４〜６のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量に応じて励起光の集光位置の位置ずれを補償する集光位置ずれ補償手段を備えることを特徴とする、請求項７記載の単一光子発生装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第１の閾値を超えた場合は、前記集光位置ずれ補償手段による位置ずれ補償制御を行ない、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第２の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段及び前記集光位置最適化手段による集光位置最適化制御を行なうように構成されることを特徴とする、請求項８記載の単一光子発生装置。
【請求項１０】
前記第２光ファイバに接続され、前記所望の波長の単一光子の発光強度を検出する発光強度検出手段と、
前記制御手段が、前記発光強度検出手段によって検出された発光強度と励起光の集光位置とに基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段を備えることを特徴とする、請求項２，４〜９のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
【国際調査報告】
2008117402.tif 000016
2008117402.tif 000017
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