(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気を供給する段階と、
前記原子蒸気を介して第１の周波数の第１のラマン励起光を導入する段階と、
前記原子蒸気を介して前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のラマン励起光を導入する段階と、
前記第１及び第２のラマン励起光を、前記原子蒸気の励起状態から１つの基底状態までの原子遷移周波数よりも大きな量離調する段階と、
を有し、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる原子蒸気の中に異常分散の領域を作る方法。
【請求項２】
前記原子蒸気をクローズド・セルの中に収容する段階をさらに有する請求項１記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る方法。
【請求項３】
前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行に、前記クローズド・セルの中に磁界を作る段階をさらに有する請求項２記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る方法。
【請求項４】
前記磁界を地球の磁界から遮蔽する段階をさらに有する請求項３記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る方法。
【請求項５】
原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気と、
前記原子蒸気を介して第１の周波数の第１のラマン励起光を導入するための第１のレーザーと、
前記原子蒸気を介して前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーと、
前記第１及び第２のラマン励起光を、前記原子蒸気の励起状態から１つの基底状態までの原子遷移周波数よりも大きな量離調する段階と、
プローブ光ビームを導入する段階と、
を有し、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置。
【請求項６】
前記原子蒸気をその中に収容するクローズド・セルをさらに有する請求項５記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行に、前記クローズド・セルの中に磁界を作る手段をさらに有する請求項６記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置。
【請求項８】
前記クローズド・セルの周りに、前記磁界を地球の磁界から遮蔽する磁気遮蔽をさらに有する請求項３記載の原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置。
【請求項９】
（ａ）原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気を供給する段階と、
（ｂ）前記原子蒸気の前記原子を前記少なくとも２つの基底状態の１つの中に準備する段階と、
（ｃ）前記原子蒸気を介して、第１の周波数と第１の偏波の第１のラマン励起光を導入する段階と、
（ｄ）前記原子蒸気を介して前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のラマン励起光を導入する段階と、
（ｅ）前記第１及び第２のラマン励起光を、前記原子蒸気の励起状態から１つの基底状態までの原子遷移周波数よりも大きな量離調する段階と、
（ｆ）前記第１の偏波とは逆の第２の偏波の前記プローブ・ビームを導入し、それにより２つのラマン利得ピークと異常分散領域が作られ、その結果前記プローブ・ビームの超光速伝搬を実現する段階を有するプローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１０】
内側の表面により定められる内部を有するクローズド・セルの中に前記原子蒸気を収容する段階をさらに有する請求項９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１１】
前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行に、前記クローズド・セルの中に磁界を作る段階をさらに有する請求項１０記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１２】
前記磁界を地球の磁界から遮蔽する段階をさらに有する請求項１１記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１３】
前記クローズド・セルの中の前記原子蒸気の基底状態スピン偏極を保つために、前記クローズド・セルの前記内側の表面を塗布する段階をさらに有する請求項１０記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１４】
前記準備段階は、前記原子蒸気の前記原子を前記少なくとも２つの基底状態の１つに光学的に送り込むために、２つのポンピング・レーザー・ビームを導入する段階を有する請求項９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１５】
前記２つのポンピング・ビームは直線偏波であり、前記方法は、前記原子蒸気を介して前記２つのポンピング・ビームを導入する前に、前記２つのポンピング・ビームの前記偏波を円偏波に変換する段階をさらに有する請求項１４記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームは直線偏波であり、前記方法は、前記原子蒸気を介して前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを導入する前に、前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームの前記偏波を円偏波に変換する段階をさらに有する請求項９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１７】
前記原子蒸気を介して前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを導入する前に、前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを１つのビームに合成する段階をさらに有する請求項９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する方法。
【請求項１８】
プローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現するための装置であって、原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気と、前記少なくとも２つの基底状態の１つに前記原子蒸気の前記原子を準備する手段と、
第１の偏波状態とされた第１の周波数の第１のラマン励起光を、前記原子蒸気を介して導入するための第１のレーザーと、
前記原子蒸気を介して前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーと、
前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の励起状態から１つの基底状態までの原子遷移周波数よりも大きな量離調する手段であって、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域を作る手段と、
前記原子蒸気を介して前記異常分散の領域に前記第１の偏波と逆の第２の偏波のプローブ・ビームを導入し、その結果前記プローブ・ビームの超光速伝搬を実現する、第３のレーザーを有するプローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項１９】
内部に前記原子蒸気を収容するクローズド・セルであって、前記クローズド・セルは内側の表面により定められる内部を有するクローズド・セルをさらに有する請求項１８記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２０】
前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行に、前記クローズド・セルの中に磁界を作る手段をさらに有する請求項１９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２１】
前記クローズド・セルの周りに、前記磁界を地球の磁界から遮蔽する磁気遮蔽をさらに有する請求項２０記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２２】
前記クローズド・セルの中の前記原子蒸気の基底状態スピン偏極を維持するために前記クローズド・セルの内側の表面に取り付けられたコーティングであって、前記クローズド・セルの中の前記原子蒸気の前記基底状態スピン偏極を維持するために、前記クローズド・セルの内側の表面に取り付けられたコーティングをさらに有する請求項１９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２３】
前記コーティングはパラフィンである請求項２２記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２４】
前記少なくとも２つの基底状態の１つに前記原子蒸気の原子を準備する手段は、２つのポンピング・レーザー・ビームを供給する第１及び第２のポンピングレーザーを有する請求項１８記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２５】
前記２つのポンピング・ビームは直線偏波であり、前記装置は、前記原子蒸気を介して前記２つのポンピング・ビームを導入する前に、前記２つのポンピング・ビームの前記偏波を円偏波に変換する手段をさらに有する請求項２４記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２６】
前記２つのポンピング・ビームの偏波を円偏波に変換する手段は、前記原子蒸気を介して前記２つのポンピング・ビームを導入する前に前記２つのポンピング・ビームの光路の中に配置された四分の一波長板を有する請求項２５記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２７】
前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームは直線偏波であり、前記装置は、前記原子蒸気を介して前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを導入する前に、前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームの前記偏波を円偏波に変換する手段をさらに有する請求項１８記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２８】
前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームの前記偏波を円偏波に変換する前記手段は、前記原子蒸気を介して前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを導入する前に、前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームの前記光路の中に配置された四分の一波長板を有する請求項２５記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項２９】
前記原子蒸気を介して前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを導入する前に、前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを１つのビームに合成する手段をさらに有する請求項１８記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項３０】
前記第１及び第２のラマン励起光及びプローブ・ビームを１つのビームに合成する手段は、前記第１及び第２のラマン励起光を送信あるいは反射する偏波コンバイニング・キューブを有する請求項２９記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項３１】
前記原子蒸気は、アルカリ金属である請求項１８記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【請求項３２】
前記アルカリ金属は、セシウム及びルビジウムから成る群から選択される請求項３１記載の利得利用超光速光伝搬を実現する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に利得を利用した（gain-assisted）超光速光伝搬に関し、特に、その実現のための利得利用超光速光伝搬の方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アインシュタインの特殊相対性理論及び因果律の原理に示されるように、真空中の光の速度ｃは、光のパルス及び信号を含むあらゆる動く物体の速度の最大限であると一般に考えられている。従来は、「真空中の光の速度ｃより速い」光パルスの伝搬を観察するために、吸収線近傍の異常分散、非線形及び線形の利得線、あるいは障壁内のトンネル現象を含むさまざまな現象を使用することが提案されてきた。しかし、すべての実験において光パルスは非常に大きな吸収、すなわち、厳密な信号再生を受けるため、その解釈に関して論争をもたらした。
【０００３】
光パルスの周波数ν及び帯域幅Δνが線形の分散性媒質の光学的屈折率ｎ（ν）に与えられるとき、光パルスは群速度ｖｇ＝ｃ／ｎｇで伝搬する。ここでｖｇは群速度であり、群速度指数（group velocity index）のｎｇ＝ｎ（ν）＋νｄｎ（ν）／ｄνである。群屈折率（group index）がパルス帯域幅Δν上で一定であれば、光パルスは伝搬中その形状を維持する。「電磁気的に誘起される透明度」（ＥＩＴ: Electromagnetically Induced Transparency）を伴う最近の実験において、密接に配置された２つの吸収線の間の無損失常分散領域を使用して、群屈折率は大幅に増大された。したがって、光の群速度は８メートル／秒と劇的に遅くなった。逆に、Steinberg, A.M.及び Chiao, R.Y. による「利得ダブレットを有する媒質内の無分散、超高光速伝搬」（highly superluminal propagation）Phys. Rev A 49, 2071-2075 (1994) （以下「スタインバーグ他」と呼ぶ）は、密接に配置された２つの利得ラインの間で、νｄｎ（ν）／ｄνが負であり、その大きさが大きくなり得る異常分散領域が出現することを示した。「スタインバーグ他」及び、Mitchell, M.W. & Chiao, R.Y. による「簡単な帯域通過増幅器における因果律及び負の群遅延」 Am. J. Phys. 66, 14-19 (1998) は、この状態において、光パルスの群速度がｃを超えることが可能であり、負になることも可能であることを示した。
【０００４】
本発明の目的は、原子ガス状の媒質を介して伝搬する利得利用超光速光伝搬を実現する方法及び装置を提供することにある。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、伝搬する光パルスの形状を維持し、光吸収を最小限度に抑えながら、利得利用超光速光伝搬を実現する方法及び装置を提供することである。
【０００６】
本出願は、原子ガス状の媒質を介して負の群速度を有する超光速光伝搬をもたらす利得利用線形異常分散効果を明らかにするものである。本質的に無損失な異常分散領域における「利得利用超光速性」（ＧＡＳ: Gain-Assisted Superluminality）得るために、２つのラマン利得ピークが近接して配置される。ラマン利得は、当該分野において公知である。ラマン利得は本質的には励起光からのエネルギーが原子媒質により吸収され、吸収されたエネルギーがプローブ・ビームに伝達され、その結果、プローブ・ビームが増幅されることである。この領域におけるパルスの群速度はｃを超え、負になることさえあり、その間にパルスの形状は維持されている。光パルスは原子蒸気セル（Atomic Vapor Cell）を介して伝搬し、真空中の同じ距離を伝搬する光より速く反対側に抜け出る。実験的には、１つの実施例において、ｎｇ＝−３１０（±５）の負の群速度指数（group velocity index）が測定された。したがって、本実施例によれば、原子蒸気セルを介して伝搬する光パルスは、真空光伝搬時間の３１０倍の時間差で真空中の同じ距離を伝搬するよりも速く出射側に現れる。したがって、パルスのピークは、セルに入る前にセルを抜け出る。この観察された超光速光伝搬は、因果律と異なるものではない。
【０００７】
したがって、原子蒸気内の異常分散の領域を作る方法が提供される。本方法は、
原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気を供給する段階と、
前記原子蒸気を介して第１の周波数の第１のラマン励起光を導入する段階と、前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入する段階であって、前記第２のラマン励起光は前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有し、
前記第１及び第２のラマン励起光を、前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する段階を有し、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる。
【０００８】
原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置がさらに提供される。
【０００９】
本装置は、
原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気と、
前記原子蒸気を介して第１の周波数の第１のラマン励起光を導入するための第１のレーザーと、
前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーであって、前記第２のラマン励起光は、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーと、
前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する手段を有し、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる。
【００１０】
原子蒸気の中に異常分散の領域を作る装置は、その中に原子蒸気を収容するクローズド・セルと、
前記クローズド・セルの中に、前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行な磁界を作る手段と、
前記クローズド・セルの周りに、前記磁界を地球の磁界から遮蔽する磁気遮蔽部材をさらに有することが望ましい。
【００１１】
プローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現する方法がさらに提供される。
【００１２】
本方法は、
原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気を供給する段階と、
前記原子蒸気の前記原子を前記少なくとも２つの基底状態のなかの１つとする段階と、
前記原子蒸気を介して、第１の周波数および第１の偏波状態の第１のラマン励起光を導入する段階と、
前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入する段階であって、前記第２のラマン励起光は、前記第１の偏波状態及び前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有しており、前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入する段階と、
前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する段階であって、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる、前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する段階と、
前記異常分散の領域の中の前記原子蒸気を介して前記第１の偏波状態と反対の第２の偏波状態の前記プローブ・ビームを導入し、その結果前記プローブ・ビームの超光速伝搬を実現する、前記第１の偏波状態と反対の第２の偏波状態の前記プローブ・ビームを導入する段階を有する。
【００１３】
プローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現する装置がさらに提供される。
【００１４】
本装置は、原子遷移周波数及び少なくとも２つの基底状態を有する原子蒸気と、
前記原子蒸気の前記原子を前記少なくとも２つの基底状態の１つとする手段と、
第１の周波数及び第１の偏波状態の第１のラマン励起光を、前記原子蒸気を介して導入するための第１のレーザーと、
前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーであって、前記第２のラマン励起光は前記第２の偏波状態及び前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を有する、前記原子蒸気を介して第２のラマン励起光を導入するための第２のレーザーと、
前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する手段であって、それにより２つのラマン利得ピークが作られ、その結果として２つのラマン利得ピークの間に異常分散の領域が作られる、前記第１及び第２のラマン励起光を前記原子蒸気の前記原子遷移周波数から前記少なくとも２つの基底状態に向けて離調する手段と、
前記異常分散の領域の中の前記原子蒸気を介して前記第１の偏波状態と反対の第２の偏波状態のプローブ・ビームを導入し、その結果前記プローブ・ビームの超光速伝搬を実現する、第３のレーザーを有する。
【００１５】
プローブ・ビームの利得利用超光速光伝搬を実現する装置は、さらに、
内部に前記原子蒸気を収容するクローズド・セルであって前記クローズド・セルは内側の表面により定められる内部を有するクローズド・セルと、
前記クローズド・セルの中に、前記第１及び第２のラマン励起光の伝搬方向に平行な磁界を作る手段と、
前記クローズド・セルの周りに前記磁界を地球の磁界から遮蔽する磁気遮蔽部材と、
前記クローズド・セルの中の前記原子蒸気の基底状態スピン偏極を維持するために前記クローズド・セルの内側の表面に設けられたコーティングとをさらに有することが望ましい。
【００１６】
上述の方法及び装置の有用な応用を実行する装置がさらに提供される。
【００１７】
第１の有用な応用では、先行する入力光信号の検出用の装置が提供される。
【００１８】
先行する入力光信号の検出用の装置は、
前記入力光信号を第１及び第２のビームに分割するビーム・スプリッターと、
前記第１のビームが入力される光デバイスと、
前記第２のビームを超光速度に加速する手段と、
前記加速された第２のビームが入力されるプロセッサであって、前記加速された第２のビームの存在を検出し、前記第１のビームが前記光デバイスに到着するのに先だって前記加速された第２のビームの入力にもとづいて前記光デバイスを制御するプロセッサを有する。
【００１９】
光デバイスは前記第２のビームを少なくとも２つの光回路の１つに切り替える光スイッチを有することが望ましく、プロセッサは前記加速された第２のビームの前記検出にもとづいて前記光スイッチを選択的に制御することが望ましい。
【００２０】
上述の方法及び装置の第２の有用な具体化例において、入力光信号の障害を先行して検出するための装置が提供される。入力光信号の障害を先行して検出するための装置は、
前記入力光信号を第１及び第２のビームに分割するビーム・スプリッターと、
前記第１のビームの光路内の光デバイスと、
前記第２のビームを超光速度に加速する手段と、
前記第２の加速されたビーム内の障害を検出し、前記光デバイスにおける前記第１のビームの障害に先だって前記光デバイスを制御するための、前記加速された第２のビームの光路内のプロセッサを有する。
【００２１】
前記障害は、前記入力光信号のデータ誤り、あるいは前記入力光信号の中断のいずれかである。
【００２２】
光デバイスは第２の入力光ビームを受信するように切り替え、第２の入力光ビームを光回路に中継する光スイッチを有することが望ましく、プロセッサは前記加速された第２のビームの前記障害の前記検出にもとづいて、前記光スイッチを選択的に制御することが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
光の負の群速度は、ある程度反直観的であるが、次のように理解できる。
【００２４】
長さＬの媒質に対して、光パルスが横断するには伝搬時間Ｌ／Ｖg＝ｎgＬ／ｃを要する。真空中の同じ距離を光が横断する伝搬時間、すなわち真空走行時間（vacuum transit time）Ｌ／ｃと比較して、媒質に入射する光パルスは、時間差ΔＴ＝Ｌ／ｖg−Ｌ／ｃ＝（ｎg−１）×Ｌ／ｃだけ遅れて出射するであろう。異常分散と呼ばれるｎgが＜１であるとき、遅延時間ＤＴは負であり、結果として先行（advancement）を生ずる。換言すれば、負の光の群速度は物理的意味を有しないという従来の誤解に反して、群屈折率ｎg＜１を有する媒質に入射するとき、光パルスは真空中の同じ距離を光が横断するよりも早く他の面に出現することができる。さらに、群屈折率が負になるとき、パルス先行（pulse advancement）−ΔＴ＝（１−ｎg）Ｌ／ｃは真空走行時間Ｌ／ｃより大となる。換言すれば、パルスがセルに入る前に、セルを出るかのように見える。このある程度反直観的な現象は光が波である性質の結果であり、アインシュタインの特殊相対性理論及び因果律の原理と矛盾しないことを数学的に明らかにすることが可能である。
【００２５】
無損失異常分散領域の実験的な認識の原則、したがって利得利用超光速性（ＧＡＳ）を図１（ａ）に示す。図１（ａ）は現象の例であり、原子のガス状の媒質は２つ以上の励起状態及び３つ以上の基底状態を有しても良いので、限定的なものではないと考えるべきである。本明細書において、基底状態とは、ガス状の原子蒸気に磁界が印加されたときの、セシウムの超微細基底状態の１つを意味する。図１（ａ）は、それぞれが３つのレベル、１つの励起状態｜０＞及び２つの基底状態｜１＞及び｜２＞を有する原子のガス状の媒質を示す。すべての原子は、光ポンピングを介して、基底状態｜１＞であるようにまず準備される。簡単にするために、ドップラー・シフトは無視され、原子は静止していると仮定する。２つの強力な連続波（ＣＷ）であるラマン励起光Ｅ1及びＥ2が印加され、原子媒質を介して伝搬する。Ｅ1及びＥ2の周波数、すなわちｖ1及びｖ2は、わずかに、たとえば２Δ、だけ異なっており、両方の磁界は原子遷移周波数ｖ01（｜０＞から｜１＞）から大きい平均の量Δ０だけ離調されている。磁界Ｅ1及びＥ2と組み合わされたラビ周波数は共通の離調Δ０と比較して小さいので、原子は大部分状態｜１＞にとどまっている。
【００２６】
プローブ光ビームＥpが導入されると、ラマン遷移が生ずることができ、原子に磁界Ｅ1あるいはＥ2からラマン・ポンプ・フォトンを吸収させ、磁界Ｅpにフォトンを出射する一方で、それとほぼ同時に｜１＞から｜２＞へ遷移して、その結果、図１（ｂ）に示すように、密接に間隔を置いたラマン利得ピーク２０１，２０２を創出する。明らかに、プローブ・フィールドにおける利得が最大になる２つの周波数がある。プローブ・フィールドが、２つのポンプ・フィールドＥ1及びＥ2のいずれかにより起きるラマン遷移と共振するとき、最大利得は発生する。したがって、プローブ・フィールドの光磁化率は、次式として導出することができる。
【００２７】
【数１】
0003716916.tif 000002
【００２８】
ここで、μ02、Ω1,2、及びＮを、それぞれ、｜０＞から｜２＞における原子遷移の双極子モーメント、ラマン・ポンプ・フィールドＥ1及びＥ2のラビ周波数、及び状態｜１＞及び｜２＞の実効原子密度差とすれば、
【００２９】
【数２】
0003716916.tif 000003
【００３０】
である。γはラマン遷移逆寿命である。数式（１）で与えられる磁化率を使用して得られた屈折率１００及び利得係数２００の１例を図１（ｂ）に示す。２つの利得ピーク２０１、２０２の間の領域に、異常分散領域１０２（すなわち、ｎg＜１である）が見られる。
【００３１】
当然ながら、ガス状の原子媒質の中に、光の伝搬方向に異なる速度で動く原子に対して共通の離調（common detuning）Δ0がシフトされるドップラー幅がある。ドップラー幅の効果は２つある。第１に、数式（１）のＭ−因数は次式により置換される。
【００３２】
【数３】
0003716916.tif 000004
【００３３】
ここでＮ（Ｖ）は、速度グループＶ内の原子の実効密度である。共通の離調Δ0は、ドップラー離調Δ0＋ｖ×Ｖ／ｃにより置換される。しかし、ドップラー離調による係数Ｍの２次従属性が相殺を防止する。第２に、ドップラー型プロファイルの中で、離調Δ0＋ｖ×Ｖ／ｃが消失するとき、上式で与えられるＭに対する式は特異になると見られる。このことは、実際には以下により自動的に避けられる。
【００３４】
自然の線幅及びパワー・ブロードニングからの寄与を含む一定の線幅未満の離調Δ0＋ｖ×Ｖ／ｃを有する原子に対して、これらの速度グループを使い果たす反転された光ポンピング・ビームのようにラマン励起光が作用することにより、上式で与えられるＭに対する式が特異になることが避けられる。実効離調Δ0＋ｖ×Ｖ／ｃが消失する速度グループ内の原子に対しては、原子数の差Ｎ（Ｖ）も消失する。
【００３５】
最後に、レベル｜１＞から汲み出される原子は、広帯域における弱い部分のアブソーバーとして作用する。これは、図１（ｂ）に示す２つのラマン利得ピーク２０１、２０２の間の領域のわずかな残留利得を単に補償する。
【００３６】
ここで図２を参照すると、全体として参照番号３００で呼ばれる装置が示されている。図２及び本明細書における以下の論議は特定の実施形態を参照しているが、その教示は一般的なものであり、したがって限定的なものではない。本装置は、摂氏３０度のセシウム原子を含む原子セシウム（Ｃｓ）蒸気セル３０２を有する。セシウムは、オーブンでの加熱を含む当該技術分野において公知の技術を使用して気化される。セシウムは例として取り上げられただけであり、本発明による範囲を制限するものではない。本発明による範囲あるいは技術思想から逸脱せずに、ルビジウム及び同等物のような、望ましくは、アルカリ金属からの他の原子蒸気が利用できることを、当業者は認めるであろう。
【００３７】
セシウムでは、原子核は、価電子のスピン１／２と結合して全角運動量Ｆ＝３及びＦ＝４の基底エネルギー準位（すなわち、６2Ｓ1/2）状態を作るスピン７／２を有する。これらの状態のエネルギーには、わずかな相違がある。印加される磁界の関数としてのこれらの超微細状態におけるサブ準位のエネルギーは、当該分野において公知である。印加される磁界が零に対して、状態は７つのＦ＝３サブ準位と、９つのＦ＝４サブ準位の２つの超微細状態に分かれる。超微細エネルギーの差によって、これらの状態はエネルギーが異なる。
【００３８】
蒸気セル３０２は、基底状態スピン偏極（ground state spin polarization）を保つために、パラフィン３０２ａのような当該技術分野において公知の材料で塗布された長さ６センチのパイレックス・ガラス・セルを有することが望ましい。パイレックス以外の他の材料を利用することもできるが、材料は、原子蒸気に反応することができず、実質的に光学的に透過でなければならない。パラフィンは基底状態準位の保存に役立つので、パラフィンがコーティングとして使用される。
【００３９】
蒸気セル３０２は、光の伝搬方向に平行で、均一で小さい（たとえば、１．０ガウス）磁界３０３の中に配置される。磁界３０３は、エネルギー準位が１６の磁気的なスプリッティングを作る。スプリッティングの量は当該分野において公知であり、増加する磁界の関数である。磁界は当該技術分野において公知の方法により生成され、その説明は省略する。地球の磁界からの干渉を防止するために、鉛の板であることが望ましい遮蔽部材３０４により、磁界が遮蔽されていることが望ましい。
【００４０】
第１の領域（Ｉ）では、状態｜１＞（図１（ａ）参照）として作用する超微細な磁気的サブ準位の基底状態｜Ｆ＝４，ｍ＝−４＞にセシウム原子を光学的に励起するために、２つのポンピング・レーザー・ビーム３０６、３０８が蒸気セル３０２に導入される。２つのポンピング・レーザー・ビーム３０６、３０８は、それぞれレーザー３１０、３１２により生成され、鏡３１４、３１６により蒸気セル３０２の中に反射される。第１の四分の一波長板３１７が、２つのポンピング・レーザー・ビーム３０６、３０８の直線偏波を円偏波ビームに変換する。一方のポンピング・レーザー・ビーム３０６は、狭い線幅のダイオード・レーザー３１０からの左回り（σ−）偏波であり、６Ｓ1/2Ｆ＝３の超微細な基底状態（図１ａ参照）を空（empty）にするために、８５２ナノメートルＤ2遷移に調整されている。他のポンピング・レーザー・ビーム３０８も、６Ｐ1/2の超微細な励起状態（図１（ａ）参照）へのＤ1遷移を介して、蒸気セル３０２内のセシウム原子を｜Ｆ＝４，ｍ＝−４＞状態（基底状態｜１＞）に光学的に励起（pump）するために、左回り（σ−）偏波である。蒸気セル３０２の中のセシウム原子が、パラフィン３０２ａが塗布されたガラス壁に衝突すると、セシウム原子はドップラー型プロファイル内における速度が変化する一方で、基底状態｜Ｆ＝４，ｍ＝−４＞に留まり、したがって蒸気セル３０２の中のセシウム原子の大多数はこの状態に準備される。
【００４１】
第２の領域（II）では、同じレーザー（図示せず）から導出された３つの光ビームは、蒸気セル３０２を介して共に線形的に伝搬する。２つの強力なＣＷラマン励起光３１８は、第１の四分の一波長板３１７により直線偏波から右回り円偏波（σ＋）に変換され、望ましくは２つの音響光学変調器（Ａ／Ｏ）（図示せず）を使用して２．７メガヘルツだけ周波数シフトされる。音響光学変調器の帯域幅は、約２０キロヘルツであることが望ましい。ラマン励起光３１８は、偏波コンバイニング・キューブ３２４を介して送られ、蒸気セル３０２の中に導かれる。
【００４２】
プローブ・ビーム３２０と呼ばれる第３の光ビームは、ラマン励起光３１８とは逆の偏波を有し、第１の四分の一波長板３１７により直線偏波から左回り円偏波（σ−）に変換されることが望ましく、別の音響光学変調器（図示せず）を使用して周波数を調整し、ＣＷ・モードあるいはパルス・モードのいずれかで作動する。プローブ・ビーム３２０は、偏波コンバイニング・キューブ３２４によりラマン励起光３１８の中に反射される。ラマン励起光３１８及びプローブ・ビーム３２０は、蒸気セル３０２の中では単一のビーム３２２として示されている。あらかじめ空にされた超微細な磁気的サブ準位｜Ｆ＝４，ｍ＝−２＞は、ラマン遷移最終状態｜２＞として作用する。この例においては、中間のラマン遷移状態｜０＞は、６Ｐ3/2励起状態の超微細なサブ準位｜Ｆ＝４，ｍ＝−３＞により主として作用され、｜Ｆ＝３，ｍ＝−３＞及び｜Ｆ＝５，ｍ＝−３＞からの超微細なサブ準位を介しての遷移に付加的な寄与を有する。
【００４３】
第１に、ラマン・プローブ・ビームは、原子系（atomic system）の利得及び屈折率をプローブ周波数離調の関数として測定するために、調整可能なＣＷモードで作動される。図３は、測定した利得係数４０２及び屈折率４０４を示す。利得係数４０２を得るために、送信されたプローブ・ビーム３２０の強度が、プローブ周波数の関数として測定される。次に利得係数が求められる。屈折率４０４は、当該技術分野において公知の高周波干渉技術を使用して測定される。重畳された曲線は、利得測定から得られたパラメータを使用して数式（１）から求められる。図示する実施例において、図３から、２つの利得ピーク４０６、４０８の間のＤｎ＝１．９メガヘルツの狭いプローブ周波数範囲にわたって、屈折率のＤｎ＝−１．８×１０-6の負の変化が生じており、その結果として異常分散４１０の領域を生じていることが容易に判る。群屈折率の式を使用して、その周波数領域内で結果、ｎg＝−３３Ｏ（±３０）が得られる。１０％の誤差は、位相測定の確度を反映している。
【００４４】
図２に戻ってこれを参照すると、超光速伝搬を観察するために、パルス・ラマン・プローブ・ビームが次に使用される。たとえば、プローブ・ビーム音響光学変調器（図示せず）に電子的パルスを印加することにより、３．７ミリ秒の半値全幅を有する近ガウス・プローブ・パルスが生成される。パルス・プローブ・ビーム３２０の一部は、蒸気セル３０２の前のビーム・スプリッター３２６で分割され、リファレンスとして鏡３２７によりフォトダイオードＤ１に合わせられる。プローブ内の原子の総数がプローブ・パルスの正味の最大エネルギー利得を制限するので、飽和を避け、したがって異常分散を最適化するために、非常に弱いプローブ・ビーム（＜１μW）が使用される。第２の四分の一波長板３３０は、円偏波プローブ及びラマン・ビーム３２０、３１８をそれぞれ直線偏波に再変換する。蒸気セル３０２を横断した後に、偏光ビーム・スプリッター３２８がラマン励起光３１８を送り、プローブ・ビーム３２０の一部を第２の光電検出器（Ｄ２）に反射する。
【００４５】
蒸気セル３０２を介して伝搬する弱いプローブ・パルス３２０を測定するために、第２の光電検出器（Ｄ２）は、ブレーク・ダウン以下の逆バイアスがかけられた高感度のアバランシェ・フォトダイオードであることが望ましい。検出器Ｄ２により発生した光電流は、望ましくは５００オームの負荷抵抗器（図示せず）を使用して電圧信号に変換され、ディジタイジング・オシロスコープ３３２あるいは、パルス・ジェネレータからの同期出力信号をトリガーとして使用するように装備されたパーソナル・コンピューターにより記録される。検出器Ｄ１からのパルスも同様に記録される。
【００４６】
パルス伝搬時間を測定するために、ラマン励起光３１８及びプローブビーム３２０を作るダイオード・レーザーは、時間に依存するプローブ・パルス強度を測定するために、まず、８５２ナノメートルのセシウムＤ2線から遠い（２．５ギガ・ヘルツだけ）非共振周波数に調整される。レーザーが非共振周波数にされると、原子は効果を有せず、プローブ・パルスは蒸気セル３０２の中を速度ｃで伝搬する。ダイオード・レーザーは、次に、ドップラー吸収プロファイル以内に再調整され、ロックされる。同じ同期パルス・ジェネレータ出力信号をトリガーとして使用して、検出器Ｄ２により測定された時間に依存するプローブ・パルス強度は記録される。
【００４７】
系統的なドリフトが存在しない証明は、レーザーを同じ量だけ再び非共振周波数に調整し、プローブ・パルス信号を記録することにより行われる。２つの共振しないパルスは、１ｎｓ未満まで同一である。共振するプローブ・パルスと共振しないプローブ・パルスを共に図４に示す。共振するプローブ・パルスの例は４０％の透過率を示し、このことはそれらの原子の広帯域吸収が｜Ｆ＝４，ｍ＝−４＞の励起状態から逆に送り込まれることによる。パルス形状５００、５０２に、ほとんど変化がないことは明白である。パルスの立ち上がり間及び立ち下がり区間を、それぞれ挿入図５０４、５０６として示す。パルス５０２の両方のエッジは同じ量だけ前方向にシフトされている。
【００４８】
最小２乗法を使用して、６２（±１）ｎｓのパルス先行シフトが得られた。真空中の蒸気セル３０２の６センチの長さを横断する光に対する０．２ｎｓの伝搬時間と比較して、６２ｎｓの先行はｎg＝−３１０（±５）の実効群屈折率（effective group index）が与えられる。屈折率データから推測される群屈折率の僅かな相違は、実験的な誤差のためである。検出器Ｄ１で測定されたパルスも、非共振周波数、共振周波数、非共振周波数、によるパルス伝搬測定が連続して記録され、１．５ｎｓ以内で同一であることが判明した。
【００４９】
観察された超光速光伝搬を支配する物理的メカニズムは、従来研究されている、吸収あるいは利得共振（gain resonance）と組み合わされた異常分散とは異なることに注目するべきである。具体的にいうと、正常な利得共振（regular gain resonance）の異常分散領域において、パルスの超光速伝搬は、パルス立ち上がり区間の増幅とパルス立ち下がり区間の吸収の結果であると見なすことができる。本発明による装置の説明において、３．５マイクロ秒（半値全幅）のプローブ・パルスは、僅か１２０キロヘルツの帯域幅（半値全幅）を有し、これは２つの利得ラインの２．７メガヘルツの間隔よりもはるかに狭く、プローブ・パルスはスペクトル的にこれらの利得ラインの中央に配置されることが望ましい。したがって、プローブパルスは、増幅されるべきラマン利得ラインと共振するスペクトル成分を本質的に含んでいない。したがって、プローブ・パルスがその立ち上がり区間の増幅により先行されるという議論は適用されない。ここで観察された超光速光伝搬は、２つの近傍ラマン利得共振の補助によって創られた異常分散領域のみの結果である。観察された超光速光伝搬は光の波の性質の結果であることが、さらに強調されるべきである。異なる周波数成分の間の干渉がむしろ反直観的なこの効果を作る異常分散領域内の波の伝搬の古典的理論により、それは理解できる。
【００５０】
観察された超光速光パルス伝搬は因果律あるいは特殊相対性理論と異なるものではないことが、さらに指摘されるべきである。実際に、数式（１）で与えられる無損失異常分散領域の存在そのものが、それ自身が電磁気的応答の因果律必要条件にもとづくクラマース・クローニッヒの関係式の結果である。珍しいことに、本発明においては、パルス前面の半分の点が進む速度として定義される光パルスの信号速度も、真空中の光の速度ｃを超える。当然ながら、情報が光パルスにより運ばれる真の速度は、ｃを超えないことが示されている階段関数状の信号の「正面」速度として定義されるべきであることも、示唆されている。しかし、この定義は、普通の実験室の信号発生及び検出操作と一致するとは見えない。
【００５１】
ここで図５を参照すると、装置３００を有する先行信号処理装置６００が示されている。しかし、この実施例のみに対しては、装置３００は検出器Ｄ１及びＤ２あるいはオシロスコープ３３２を有する必要はない。先行信号処理装置６００は、入ってくるプローブ・ビーム及び出ていくプローブ・ビームを比較する必要はなく、装置３００を抜け出る超光速プローブ・ビームを単に利用している。たとえば、プローブ・ビームが超光速度を実現していることを連続して検証する必要はない。装置６００の中に入射する光信号６０２は、ビーム・スプリッター６０４により、第１及び第２のビーム６０６、６０８に、それぞれ分割される。第１のビーム６０６は、処理のために光スイッチのような光デバイス６０９に導かれる。第２のビーム６０８（図２におけるプローブ・ビーム３２０）は実験設備３００に入射し、その結果、超光速ビーム６１０と呼ばれる超光速度で抜け出る。その超光速度のために、ビーム６０６が光デバイス６０９に到達する前に、超光速ビーム６１０はプロセッサ６０７の中に入射する。プロセッサ６０７は、超光速ビーム６１０を検出し、第１のビーム６０６が光デバイス６０９に到着するときに、第１のビーム６０６を他の光回路（図示せず）に送るような、第１のビーム６０６の処理を行うために光デバイス６０９に信号を出力する。
【００５２】
先行信号処理装置に入射するすべての光信号が装置６０９により処理される必要がないことは、当業者には明白である。入力光信号を選択的に処理することが望ましいこともある。装置６０９により処理されるべき信号に対して入力光信号を選択的に分割することにより、あるいは、すべての入力信号を分割し、光デバイス６０９で処理されるべき信号に対して光デバイス６０９への制御信号のみを出力することにより、これを達成することができる。
【００５３】
装置６００は、障害が光デバイス６０９で判明するに先だって、入力光信号６０２の障害を検出するために使用することもできる。この変形において、プロセッサ６０７は、超光速ビーム６１０の形状が保存されるので超光速ビーム６１０内の誤りを検出することができ、あるいは入力光信号の中断を検出することができ、また、何らかの修正動作を行うために、光デバイス６０９において障害が発生する前に光デバイス６０９に信号を出力することができる。たとえば、光デバイス６０９がスイッチであれば、障害が修復されるまで、スイッチは補助入力光信号に切り替えることができる。したがって、光信号の障害は光デバイスで発生する前に「予測する」ことができ、修正動作が常に行われることを前提に、修正動作を行うことにより無障害信号を保証する。
【００５４】
本発明による好適実施例と考えられるものを示し説明したが、本発明による技術思想から逸脱することなく、形式あるいは細部のさまざまな修正及び変更が容易に行えることは、当然理解されよう。したがって、本発明は説明し例示した正確な形式に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内に含まれるすべての修正を含むように、構成されていると解釈される。
【００５５】
上述した本発明による方法は純粋な波動現象として説明を行ったが、このことは、電子回路の電磁波に適用できることを示している。本発明を用いた応用例としては、例えば、光回路もしくは電気回路におけるクロック信号の遅延（スキュー）の補償が考えられ、また、本発明を光ＩＣに適用することも考えられ、このように構成してもよい。
【００５６】
本発明は光通信において、信号光に宛先のデータをのせ、行き先の経路を自分でスイッチして進んでいくようなシステムの実現を可能とする。インターネットの光版であって、このようなシステムの実現はますます期待されている。このようなシステムを実現するには、従来の技術を用いるとすれば、波長λ１の信号光の先頭に波長λ２のアドレス光を付与して光ファイバ中を伝送させることとなる。先頭のアドレス光のみが、図５におけるビームスプリッター６０４に相当する波長フィルターによってフィルタリングされ、受光素子で電気信号に変換された後にプロセッサに入力される。プロセッサでは入力信号を解読し、光デバイス（光スイッチ）の経路の設定がなされる。
【００５７】
従来技術を用いた場合には、アドレス光は当然ながら時間軸上で信号光の前方に置かなければならない。具体的には、プロセッサがアドレス情報を解読して経路設定を行うのに必要な時間分だけ前方に置かなければならない。ところがこのような方法は必ずしも好ましいものではない。なぜならば、経路設定にどのくらいの時間が必要かは、光デバイス（光スイッチ）の種類によって異なるからである。したがって、送り手がそのことを考慮してアドレス光の時間軸上での位置を決定することは容易ではなく、送り手がその位置関係をきにすることなく同じタイミングで送れるようになっていることが望ましい。
【００５８】
上記のことを実現するためには、光デバイス（光スイッチ）の自体がアドレス光を検出して、信号光に対して必要な時間分だけ早めることができるように構成されていることが望ましく、本発明はこのようなことを実現することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されていることにより、伝搬する光パルスの形状を維持し、光吸収を最小限度に抑えながら、超光速光伝搬を実現することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は利得利用超光速性（ＧＡＳ）を概略原子準位図で示す図、（ｂ）は周波数に依存する利得係数及び図１ａに示すレベル構造を有する原子媒質を介して伝搬するプローブ光ビームに対する屈折率を表すグラフである。
【図２】蒸気セル（vapor cell）を介して超光速光伝搬を実現するための装置を示す図である。
【図３】測定された屈折率及び実験的に得られたパラメータν１、ν２及びΥを有する利得係数を表すグラフを示す図である。
【図４】図２の装置を横断する光パルスに対する測定されたパルス先行（pulse advancement）を表すグラフを示す図である。
【図５】図２の装置を有する先行信号処理装置（advance signal processing apparatus）の概念図を示す図である。
【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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