(57)【要約】  波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置（１）は、ポンプ光源（２）と、ポンプ光源（２）から出射したポンプ光（３）を入射する量子もつれ光子対生成体（４）と、量子もつれ光子対生成体（４）から出射する波長が多重されたパラメトリック光子対（５）を入射する分波器（７）と、を含み、量子もつれ光子対生成体（４）は非線形光学結晶（１１）からなり、ポンプ光（３）に対してタイプＩＩの位相整合によって波長多重の偏光量子もつれ光子対を生成する。非線形光学結晶（１１）として、周期分極反転構造（１１Ａ）を有しているタンタル酸リチウムから形成することができ、分波器（７）にはアレイ導波路回折格子を用いることができ、波長多重された偏光量子もつれ光子対（５）を簡単な装置で発生させることができる。
2010140661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光源と、
上記ポンプ光源から出射したポンプ光が入射される量子もつれ光子対生成体と、
上記量子もつれ光子対生成体から出射される波長が多重されたパラメトリック光子対が入射される分波器と、
を含み、
上記量子もつれ光子対生成体が非線形光学結晶からなり、上記ポンプ光に対してタイプＩＩの位相整合によって波長多重の偏光量子もつれ光子対を生成するようにした、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項２】
前記非線形光学結晶が、周期分極反転構造を有している、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項３】
前記周期分極反転構造の分極反転周期は、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造を有している、請求項２に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が、タンタル酸リチウムからなる、請求項１〜３の何れかに記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項５】
前記分波器が、アレイ導波路回折格子からなる、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項６】
非線形光学結晶からなる量子もつれ光子対生成体を形成し、  上記量子もつれ光子対生成体へ角周波数がωｐのポンプ光を照射し、
上記ポンプ光と上記量子もつれ光子対生成体内で発生させるシグナル光とアイドラー光との間でタイプＩＩの位相整合を行い、互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重された偏光量子もつれ光子対を生成し、
上記波長が多重された偏光量子もつれ光子対を、角周波数がω０，ω１，ω２，・・・ωｎ−２，ωｎ−１，ωｎとなるように分波し、
上記波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を、下記（６）式で表わされるエネルギー保存則を満たす角周波数関係とする、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数１】
2010140661.tif 000015
【請求項７】
前記非線形光学結晶に周期がΛの周期分極反転構造を、前記ポンプ光の光軸方向に形成し、
上記周期Λを、下記（７）式を満足する周期とし、
前記ポンプ光と前記量子もつれ光子対生成体内で発生させる前記シグナル光と前記アイドラー光との間で擬似位相整合を行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数２】
2010140661.tif 000016
ここで、ｋｐ，ｋｓ，ｋｓは、それぞれ、前記非線形光学結晶中に入射したポンプ光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するシグナル光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の波数ベクトルである。
【請求項８】
前記周期分極反転構造の分極反転周期を、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造とする、請求項７に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項９】
前記非線形光学結晶を、タンタル酸リチウムとする、請求項６ないし８の何れかに記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項１０】
前記分波を、アレイ導波路回折格子を用いて行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光量子もつれ光子対の生成装置及びその生成方法に関する。さらに、詳しくは、本発明は、波長を多重にすることができる、偏光量子もつれ光子対の生成装置及び生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子商取引や電子メール等による情報通信技術の進展が著しく、これに伴い情報伝送における暗号技術についても鋭意研究開発が行われている。暗号技術の一つとして、量子暗号が注目を集めている。【０００３】
量子暗号では、量子力学におけるハイゼンベルグの不確定性原理により、物理現象によって安全性が保証される。不確定性原理では、観測によってその状態は変化するため、通信が盗聴、つまり観測されると必ずそれが明らかになり、それに応じて通信を遮断するなどの処置が可能なため、盗聴が物理学的に不可能とされる。また、粒子を複製することも不確定性原理によって不可能である。【０００４】
量子暗号における重要な要素として量子テレポーテーションがあげられる。量子テレポーテーションは、粒子の量子的な情報だけを別の場所に移す技術である。量子テレポーテーションは、量子の絡み合い、即ち量子もつれを利用して、光子同士が情報をやり取りすることにより実現される。量子もつれの状態にある光子対は、一方の量子状態が決まると他方の量子状態も決まるという性質があり、この性質は２光子間の距離に依存しない。【０００５】
上記量子テレポーテーションの技術では、量子もつれの状態にある光子対が必要不可欠である。量子もつれの状態にある光子対の生成方法は種々知られている。例えば、特許文献１には、半導体物質へ２個の親光子を照射して、二光子共鳴励起によって角運動量が０の状態の励起子分子を生成し、生成した励起子分子を２個の光子に同時に分裂させて、量子もつれの光子対を生成することが開示されている。【０００６】
量子もつれとして、２光子の偏光を用いた量子もつれ状態も利用されている。偏光を用いた２量子ビット（２光子）の量子もつれ状態として、下記（１）式及び（２）式に示す四つの状態が知られている。
【数１】
2010140661.tif 000003
【数２】
2010140661.tif 000004
ここで，|Ｈ＞ｉは第１偏光（Ｈ）を持つ光子がモードｉ（ｉは１又は２）に存在することを表わし、|Ｖ＞ｉは第２偏光（Ｖ）を持つ光子がモードｉ’（ｉ’は１又は２）に存在することを表わしている。光子のモードｉ，ｉ’を決定する物理量として、光子の光路や角周波数が考えられる。【０００７】
（パラメトリック下方変換を用いた２光子の生成方法）
２光子状態を生成するための物理過程として、自発パラメトリック下方変換過程がしばしば用いられる。自発パラメトリック下方変換過程では、非線形光学結晶中に入射した一つの角周波数ωｐ及び波数ベクトルｋｐを有しているポンプ光子が、ある確率で角周波数ωｓ及び波数ベクトルｋｓを有しているシグナル光子と角周波数ωｉ及び波数ベクトルｋｉを有しているアイドラー光子との光子対に変換される。この際、自発パラメトリック下方変換過程が引き起こされるための位相整合条件として、下記（３）式の角周波数条件と下記（４）式の運動量保存則とが同時に満足される必要がある。角周波数条件は、エネルギー保存則とも呼ばれている。
【数３】
2010140661.tif 000005
【数４】
2010140661.tif 000006
【０００８】
位相整合条件には、各々の光子の偏光によって以下の３種類が存在する。
（ａ）タイプ０の位相整合条件
ポンプ光子とシグナル光子とアイドラー光子の偏光が全て同一の場合を、タイプ０の位相整合条件と呼んでいる。
（ｂ）タイプＩの位相整合条件
シグナル光子とアイドラー光子とが同一の偏光を有し、ポンプ光子がこれらと直交した偏光状態を有する場合を、タイプＩの位相整合条件と呼んでいる。
（ｃ）タイプＩＩの位相整合条件
シグナル光子とアイドラー光子との偏光が直交しており、ポンプ光子がどちらか一方の偏光を有する場合、タイプＩＩの位相整合条件と呼んでいる。【０００９】
（波長帯域制限フィルターによる偏光量子もつれ状態の純度向上方法について）
自発パラメトリック下方変換過程により生成されたシグナル光子とアイドラー光子は広帯域にわたる波長スペクトルを持つ。一般に、広帯域なスペクトルを持つシグナル光子とアイドラー光子とを用いると、２光子のコヒーレンス時間が短くなり、偏光量子もつれを劣化させる場合がある。そこで、生成された偏光量子もつれ光子対の純度を上げるため、観測するシグナル光子、アイドラー光子のスペクトルを波長帯域制限フィルターによって制限する方法がある。通常、波長帯域制限に使われるフィルターは誘電体多層膜構造による干渉フィルターが用いられる。この種の干渉フィルターでは構造の設計により任意の中心波長、帯域幅の光を透過させることができるが、一度に透過できる波長帯は一種類に限られてしまう。そのため、これまでの方法ではスペクトル帯域の狭い、つまり狭帯域のパラメトリック光子対を生成することに興味が注がれていた。【００１０】
真空中での光の速度をcとすると、光子の角周波数ωと波長λは、下記（５）式で表わされる。光子の角周波数ωを指定すれば、波長λは下記関係式から求まるので、以下では、角周波数と波長をほぼ同じ意味で用いる。これは、理論的には角周波数が扱いやすく、実験的には波長が扱いやすいためである。
【数５】
2010140661.tif 000007
【００１１】
（既存の偏光量子もつれ状態の生成方法について）
２光子が同一の角周波数を持つ偏光量子もつれ状態の生成方法としては幾つかの手法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献１に開示の方法では、二つの光子の角周波数は同一であり区別がつかないため、光子の光路によってモードを決定している。つまり、二つの光子は別々の光路に放出されなければならない。【００１２】
一方で、角周波数の違った２光子により偏光量子もつれ状態を生成する方法も提案されている。この方法では角周波数によって光子のモードを区別しているため、二つの光子が同一の光路上に存在していても良い。【００１３】
このような、角周波数の異なる２光子より構成される偏光量子もつれ光子対の生成方法として、非特許文献２にはタイプ０又はタイプＩのパラメトリック下方変換を利用する方法が報告されている。非特許文献２では、同一の偏光状態を有する２光子を発生させるタイプ０又はタイプＩの位相整合条件の非線形光学結晶を互いに９０度回転させて直列に並べる方法で、光子対の生成が実現されている。この場合、二つの結晶に同一のポンプ光源からの光を照射し、ポンプ光と同軸方向に角周波数の異なる２光子（ω１，ω２）を生成させる。しかし、この方法では同一の性質を持つ二つの結晶を用意し、精密に並べなければならないという複雑さを伴う。【００１４】
非特許文献４には、タイプ０又はタイプＩのパラメトリック下方変換と干渉計とを利用する方法が報告されている。この方法では、同一の偏光状態を有する２光子を発生させるタイプ０又はタイプＩの位相整合条件の一つの非線形光学結晶を干渉計中に配置して、偏光量子もつれ光子対を生成する。しかし、この方法では干渉計を利用するため、装置の構成に複雑さを伴う。
非特許文献５には、タイプ０の位相整合条件下での光子対生成が報告されている。【００１５】
特許文献２には、単一の結晶中に２種類の周期分極反転構造を作製する方法が開示されている。この方法では、タイプ０とタイプＩという異なる位相整合条件を用いるため、各々の位相整合条件に対応する周期分極反転構造において発生する２光子の生成効率のバランスを取りにくいという欠点を持つ。各々の周期分極反転構造からの２光子の生成効率のバランスが悪いと、量子もつれの度合いが低下するという結果を招く。【００１６】
非特許文献３には、光ファイバー中で起こる３次の非線形光学現象である４光波混合過程を利用した方法が報告されている。この方法では、偏光量子もつれ状態を生成するために光ファイバーを干渉計中に設置しなければならないため、装置を構成するにあたり複雑さを伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−３０９０１２号公報
【特許文献２】特開２００７−１１４４６４号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】P.G. Kwiat et al.,“New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs”, Phys. Rev. Lett., Vol. 75, 4337, 1995
【非特許文献２】M. Pelton et al.,“Bright, single-spatial-mode source of frequency non-degenerate, polarization-entangled photon pairs using periodically poled KTP,” Opt. Express, Vol.12, 3573, 2004
【非特許文献３】H. Takesue and Kyo Inoue,“Generation of polarization-entangled photon pairs and violation of Bell’s inequality using spontaneous four-wave mixing in a fiber loop”, Phys. Rev., Vol.A 70, 031802, 2004
【非特許文献４】H.C. Lim, A. Yoshizawa, H. Tsuchida, and K. Kikuchi,“Stable source of high quality telecom-band polarization-entangled photon-pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLN waveguide”, Opt. Express, Vol.16, 12460, 2008
【非特許文献５】M.B. Nasr, S. Carrasco, B.E.A Saleh, A.V. Sergienko, M.C. Teich, J.P. Torres, L. Torner, D.S. Hum, and M.M. Fejer,“Ultrabroadband biphtoons generated via chirped quasi-phase matched optical parametric down-conversion,” Phys. Rev. Lett. Vol.100, p.183601, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
偏光量子もつれ光子対を生成させる従来の方法では、狭帯域のパラメトリック光子対を利用するために、任意の中心周波数を持つ透過帯域フィルターを使用することによりパラメトリック光子対のスペクトル帯域を制限していた。誘電体多層膜構造による干渉フィルターでは、構造の設計により任意の中心波長、帯域幅の光を透過させることができるが、一度に透過できる波長帯は一種類に限られてしまう。このため，透過帯域外のパラメトリック蛍光はフィルターによりブロックされ、偏光量子もつれ光子の生成には使用されていなかった。【００２０】
本発明は上記課題に鑑み、フィルターによってブロックされ、従来利用されていなかったパラメトリック光子対も利用し、波長を多重にすることができる、偏光量子もつれ光子対の生成装置及びその生成方法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】
【００２１】
上記目的を達成するため、本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置は、ポンプ光源と、ポンプ光源から出射したポンプ光が入射される量子もつれ光子対生成体と、量子もつれ光子対生成体から出射され、波長多重されたパラメトリック光子対が入射される分波器と、を含み、量子もつれ光子対生成体が非線形光学結晶からなり、ポンプ光に対してタイプＩＩの位相整合によって波長多重の偏光量子もつれ光子対を生成することを特徴とする。【００２２】
上記構成において、非線形光学結晶は、好ましくは周期分極反転構造を有している。
周期分極反転構造の分極反転周期は、好ましくは、非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造を有している。非線形性結晶は、好ましくはタンタル酸リチウムからなる。分波器は、好ましくはアレイ導波路回折格子からなる。【００２３】
上記構成によれば、ポンプ光源と非線形性結晶からなる量子もつれ光子対生成体とを有する簡易な光源によって、波長多重された偏光量子もつれ光子対を容易に発生させることができる。【００２４】
本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法は、非線形性結晶からなる量子もつれ光子対生成体を形成し、量子もつれ光子対生成体へ角周波数がωｐのポンプ光を照射し、ポンプ光と量子もつれ光子対生成体内で発生させるシグナル光とアイドラー光との間でタイプＩＩの位相整合を行い、互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重された偏光量子もつれ光子対を生成し、波長が多重された偏光量子もつれ光子対を、角周波数がω０，ω１，ω２，・・・ωｎ−２，ωｎ−１，ωｎとなるように分波し、波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を、下記（６）式で表わされるエネルギー保存則を満たす角周波数関係とすることを特徴とする。
【数６】
2010140661.tif 000008
【００２５】
上記構成において、非線形光学結晶に周期がΛの周期分極反転構造をポンプ光の光軸方向に形成し、周期Λを下記（７）式を満足する周期とし、ポンプ光と量子もつれ光子対生成体内で発生させるシグナル光とアイドラー光との間で、擬似位相整合を行うことができる。
【数７】
2010140661.tif 000009
ここで、ｋｐ，ｋｓ，ｋｓは、それぞれ、非線形光学結晶中に入射したポンプ光の波数ベクトル、非線形光学結晶内で発生するシグナル光の波数ベクトル、非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の波数ベクトルである。【００２６】
非線形光学結晶をタンタル酸リチウムとしてもよい。分波を、アレイ導波路回折格子を用いて行ってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置及びその生成方法によれば、波長多重された偏光量子もつれ光子対を簡単な装置で発生させることができ、量子暗号通信等の量子情報通信技術において、情報量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】ポンプ光源と量子もつれ光子対生成体との関係を模式的に示す図である。
【図３】非線形光学結晶の変形例の構造を示す斜視図である。
【図４】アレイ導波路回折格子の構造を模式的に示す斜視図である。
【図５】量子もつれ光子対生成体で発生した波長多重のパラメトリック光子対からなる光が、アレイ導波路回折格子で分波される様子を模式的に示す図である。
【図６】タンタル酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体から出射されるパラメトリック光子対のスペクトルを示す図である。
【図７】図６に示したパラメトリック光子対が、アレイ導波路回折格子を通過した後のスペクトルを示す図である。
【図８】比較例のニオブ酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体から出射されるパラメトリック光子対のスペクトルを示す図である。
【図９】実施例のタンタル酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体から出射されるパラメトリック光子対のスペクトルを示し、（Ａ）は常光線を、（Ｂ）は異常光線を示す。
【図１０】図９に示したパラメトリック光子対の波長相関を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置
２：ポンプ光源
３：ポンプ光源から出射したポンプ光
４：波長多重の量子もつれ光子対生成体
５：波長が多重されたパラメトリック光子対
６：第１の光ファイバー
７：アレイ導波路回折格子
８：第２の光ファイバー
１１：非線形光学結晶
１１Ａ：周期分極反転構造
１２：非線形光学結晶の変形例
１２Ａ：周期分極反転構造
１５：半導体基板
１６：絶縁膜
１７：入力導波路
１８：第１のレンズ導波路
１９：アレイ導波路
２１：第２のレンズ導波路
２２：出力導波路
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１は、ポンプ光源２と、ポンプ光源２から出射したポンプ光３が入射される波長多重の量子もつれ光子対生成体４と、量子もつれ光子対生成体４から出射した光が入射される第１の光ファイバー６と、第１の光ファイバー６に接続される分波器７と、分波器７に接続される第２の光ファイバー８と、を含んで構成されている。第１の光ファイバー６には、量子もつれ光子対生成体４から出射した波長が多重されたパラメトリック光子対５が入射する。
ここで、量子もつれ光子対生成体４と第１の光ファイバー６との間にはレンズのような集光手段を配置してもよい。
【００３１】
（ポンプ光源２）
ポンプ光源２は、ポンプ光３を発生するレーザである。ポンプ光３の角周波数をωｐとする。ポンプ光３の偏光は、図示しない偏光子等によって直線偏光とされている。
【００３２】
（量子もつれ光子対生成体４）
量子もつれ光子対生成体４は、非線形光学結晶からなる。角周波数ωｐを持つポンプ光３が非線形光学結晶に入射されると、自発パラメトリック下方変換過程によって偏光が直交する２光子を発生する。この発生した２光子は、広帯域スペクトルを有している。この際、非線形光学結晶によって偏光が直交した２光子を発生させるためには、タイプＩＩの位相整合条件を利用する。タイプＩＩの位相整合条件で得られる偏光状態は、ｏｅｏ又はｅｏｏと表記する。ここで、ｏｅｏ等の表記法は、ｏが当該光が常光（ordinary ray）、ｅが異常光（extra-ordinary ray）であることを表わしており、アイドラー光子，シグナル光子，ポンプ光３の順番にパラメトリック過程に寄与する光の偏光を示している。ｏｅｏは、アイドラー光子及びポンプ光３の偏光が常光、かつ、シグナル光子の偏光が異常光であることを示している。同様に、ｅｏｏは、シグナル光子及びポンプ光３の偏光が常光、かつ、アイドラー光子の偏光が異常光であることを示している。
【００３３】
（非線形光学結晶の擬似位相整合法）
任意の波長において、タイプＩＩの位相整合条件を満たす方法として擬似位相整合法が知られている。擬似位相整合法は、非線形光学結晶１１において、２次の非線形感受率を周期的に変調することによって、位相整合条件を満たす方法である。２次の非線形感受率の周期的な変調方法としては、非線形光学結晶の有している自発分極を周期的に反転させた所謂周期分極反転法を用いることができる。
【００３４】
（周期分極反転構造を施した非線形光学結晶）
図２は、ポンプ光源２と量子もつれ光子対生成体４との関係を模式的に示す図である。図２に示すように、量子もつれ光子対生成体４は、非線形光学結晶１１からなり、非線形光学結晶１１の内部には、周期がΛの周期分極反転構造１１Ａを有している。周期Λは、斜線で示した領域１１Ｂの分極と、隣り合う領域１１Ａとの分極とが互いに反対方向、つまり交番的に分極状態が反転している。
【００３５】
非線形光学結晶１１の内部に周期分極反転構造１１Ａを形成するには、自発分極した非線形光学結晶１１を用意し、斜線で示した領域１１Ｂを自発分極とは反対の極性とすることによって形成することができる。例えば、非線形光学結晶１１の表面側の斜線で示した領域１１Ｂに共通電極を形成し、非線形光学結晶１１の裏面側に裏面電極を形成する。共通電極と裏面電極との間に自発分極とは逆向きの電圧を印加して分極を行った後、共通電極及び裏面電極を剥離して、非線形光学結晶１１からなる量子もつれ光子対生成体４を形成することができる。
【００３６】
周期分極反転構造１１Ａの量子もつれ光子対生成体４の運動量保存則は、（４）式を変形して、下記（７）式で表わされる。
【数８】
2010140661.tif 000010
ここで、ｋｐは非線形光学結晶１１中に入射したポンプ光３の波数ベクトルを、ｋｓは非線形光学結晶１１内で発生するシグナル光の波数ベクトルを、ｋｉは非線形光学結晶１１内で発生するアイドラー光の波数ベクトルを、Λは非線形光学結晶１１の２次の非線形感受率の変調周期を表わしている。
【００３７】
量子もつれ光子対生成体４においては、角周波数ωｐ及び波数ベクトルｋｐのポンプ光３が入射することによって、ポンプ光３の進行方向と同軸方向（コリニア配置とも呼ばれている。）に、互いの偏光が直交した複数の光子対を発生させる。非線形光学結晶１１の分極反転周期Λは、（７）式と後述する（８）式で表わされるエネルギー保存則とが満足されるように調整される。
【００３８】
光のマルチモード性を利用する広帯域な波長分布を持つパラメトリック光子対５を生成するためには、一般に相互作用長を短くするために薄い非線形光学結晶１１を利用する必要がある。しかし、相互作用長を短くするとパラメトリック光子対５の生成効率が低下してしまう。本発明の量子もつれ光子対生成体４は、相互作用長が長くても、広帯域な波長分布を有しているパラメトリック光子対５が生成可能な周期分極反転構造１１Ａを施した非線形光学結晶１１を用いることができる。このような非線形光学結晶１１の材料としては、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等を挙げることができる。
【００３９】
（周期分極反転構造を施した非線形光学結晶の変形例）
他にも、タイプＩＩの自発パラメトリック下方変換において相互作用長を長くし、なおかつスペクトルの広帯域化を図る方法としては分極反転周期を徐々に変化させることによって広げることでも対応可能である。
図３は、非線形光学結晶の変形例１２の構造を示す斜視図である。
図３に示すように、非線形光学結晶の変形例１２の周期分極反転構造１２Ａの分極反転周期Λ’は、非線形光学結晶の変形例１２の左側から右側に沿って、Λ’A・・・Λ’I・・・Λ’Nと徐々に線形に変化するように構成されている。このような周期分極反転構造１２Ａは、線形チャープ構造とも呼ばれている。この場合、非線形光学結晶の変形例１２の周期分極反転構造の分極反転周期Λ’は、（７）式で表される運動量保存則及び後述する（８）式で表わされるエネルギー保存則が満足されるように調整される。
【００４０】
上記の分極反転周期Λ’は光軸方向に徐々に変化している。このため、シグナル光子とアイドラー光子の中心波長は、ポンプ光子の波長と分極反転周期Λ’の大凡の平均値Λ’ａｖを調整することにより決めることができる。さらに、シグナル光子とアイドラー光子の帯域幅は、非線形光学結晶の変形例１２の両端の周期の差、つまり、（|Λ’A−Λ’N|）を所定の値とすることで調整できる。
【００４１】
非線形光学結晶の変形例１２の分極反転周期Λ’は徐々に変化する線形チャープ構造を有しているので、ポンプ光に対してタイプＩＩの位相整合が可能であり、光子対生成の広帯域化をはかることができる。このため、非線形光学結晶の変形例１２は、波長多重の偏光量子もつれ光子対生成のための量子もつれ光子生成体４として使用可能である。非線形光学結晶１２の材料としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ３）やチタン酸リン酸カリウム結晶（ＫＴｉＯＰＯ４）が挙げられる。
【００４２】
（第１の光ファイバー６）
第１の光ファイバー６は、量子もつれ光子対生成体４で発生した波長が多重されたパラメトリック光子対５をアレイ導波路回折格子７に伝送する。
【００４３】
（アレイ導波路回折格子７）
図４は、分波器７の一例としてアレイ導波路回折格子の構造を模式的に示す斜視図である。アレイ導波路回折格子７は、ＡＷＧ（Arrayed-Waveguide Grating）とも呼ばれている。図４に示すように、アレイ導波路回折格子７は、Ｓｉ（シリコン）等の半導体基板１５上に形成された絶縁膜１６中に形成されている入力導波路１７と、入力導波路１７に接続される第１のレンズ導波路１８と、第１のレンズ導波路１８の出力端に接続されるアレイ導波路１９と、アレイ導波路１９の出力端に接続される第２のレンズ導波路２１と、第２のレンズ導波路２１の出力端に接続される出力導波路２２と、から構成されている。ここで、第１のファイバー６は、入射導波路数と同数の光ファイバーが束状に構成されていてもよい。
【００４４】
図５は、量子もつれ光子対生成体４で発生した波長多重のパラメトリック光子対５からなる光５が、アレイ導波路回折格子７で分波される様子を模式的に示す図である。アレイ導波路回折格子７において、第１の光ファイバー６から入射された波長多重光５が、第１のレンズ導波路１８を介して三角プリズムの作用を有しているアレイ導波路１９に入射し、波長毎に分波された光が出力導波路２２から出射され、これらの分波された波長毎の光が別々の第２の光ファイバー８（８０〜８ｎ）へ導光される。
【００４５】
（第２の光ファイバー８）
第２の光ファイバー８は、アレイ導波路回折格子７の出力導波路２２に接続されている。アレイ導波路回折格子７がｎ＋１個の出力導波路を備えている場合、ｎ＋１個の出力導波路の各々に第２の光ファイバー８０〜８ｎが接続される。第２の光ファイバー８の本数はｎ＋１本であり、各第２の光ファイバー８の中心角周波数は、ω０，ω１，ω２，・・・ωｎ−２，ωｎ−１，ωｎである。
【００４６】
本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１の動作について説明する。
上記したように、量子もつれ光子対生成体４における自発パラメトリック下方変換過程では、エネルギー保存則を満たすように生成されるために、この関係を満たす任意のファイバーチャンネル１及びｍにパラメトリック光子対５を形成する二つの光子は導かれる。このとき、エネルギー保存則を満たす角周波数条件は、下記（８）式の関係で表わされる。（８）式を満たす任意のファイバーチャンネル１及びｍに、パラメトリック光子対５を形成する二つの光子が導かれる。
【数９】
2010140661.tif 000011
【００４７】
ここで、二つの光子の偏光は直交しているが、アレイ導波路回折格子７は偏光によって光子を分割しないため、出力側の光ファイバーチャンネル８に出力される光子の偏光状態は決定されない。つまり、エネルギー保存則を満たす二つの光ファイバーチャンネルから出力される２光子は、下記（９）式で表わされる偏光量子もつれ状態を形成する。
【数１０】
2010140661.tif 000012
ここで、|Ｈ＞ωｉ（ｉは１又はｍ）は第１偏光（Ｈ）を持つ光子がωｉの角周波数を有しており、周波数がωｉ又はωｍであることを示している。|Ｖ＞ωｉ（ｉは１又はｍ）は第２偏光（Ｖ）を持つ光子がωｉの角周波数を有しており、角周波数がω１又はωｍであることを示している。
【００４８】
（９）式は、光子のモードｉを決定する物理量が、光子の角周波数であることを示している。第１偏光（Ｈ）と第２偏光（Ｖ）の向きは、互いに直交している。つまり、（９）式で表わされる偏光量子もつれ状態は、周波数モードを利用した偏光量子もつれ状態を表わす。
【００４９】
次に、各光ファイバーチャンネルの中心角周波数が、下記（６）式の関係を満たしているとする。
【数１１】
2010140661.tif 000013
【００５０】
このとき、エネルギー保存則を満たす２光子、例えば図１に示すように、角周波数がω０とωｎの対は、下記（１０）式で表わされる偏光量子もつれ状態を形成する。これらの角周波数ω０，ωｎを有する２光子対は、それぞれ光ファイバーチャンネル８０，８ｎに入射されている。
【数１２】
2010140661.tif 000014
例えば、（１０）式の第１式において、|Ｈ＞ωｉ（ｉは０又はｎ）は第１偏光（Ｈ）を持つ光子がωｉの角周波数を有しており、角周波数がω０又はωｎであることを示している。|Ｖ＞ωｉ（ｉは０又はｎ）は第２偏光（Ｖ）を持つ光子がωｉの角周波数を有しており、角周波数がω０又はωｎであることを示している。
【００５１】
（波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１の設計例）
量子もつれ光子対生成体４において、ポンプ光３に対してタイプＩＩの位相整合を実現するための計算を行った。具体的には、非線形光学結晶１１に形成する周期分極反転構造１１Ａの計算を行った。非線形光学結晶１１としては、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）及びニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用い、（７）式を用いて、擬似位相整合の計算を行った。
ここで、非線形光学結晶１１の光軸方向の長さ（素子長とも呼ぶ）は４０ｍｍとした。非線形光学結晶１１としてタンタル酸リチウムを用い、ポンプ光３の波長を７９２ｎｍとした場合、分極反転構造の周期Λは（７）式から１９．４μｍと求まった。
【００５２】
図６は、タンタル酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体４から出射されるパラメトリック光子対５のスペクトルを計算した図である。図６の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光強度（任意目盛）である。量子もつれ光子対生成体４の光軸方向の長さは４０ｍｍであり、分極反転構造の周期Λは１９．４μｍであり、ポンプ光３の波長は７９２ｎｍである。
図６から明らかなように、タンタル酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体４へ波長７９２ｎｍのポンプ光３を入射した際に、出射されるパラメトリック光子対５のスペクトルの半値全幅は、１２．６ｎｍ程度まで広がっていることが分かる。
【００５３】
図６に示したパラメトリック光子対５のスペクトルは、中心波長１５８４ｎｍ、チャンネル間隔０．８ｎｍ、各チャンネルの透過帯域半値全幅０．４ｎｍのアレイ導波路回折格子７を通過させた後に生じるパラメトリック光子対５のスペクトルの計算値である。
【００５４】
図７は、図６に示したパラメトリック光子対５が、アレイ導波路回折格子７を通過した後のスペクトルを示す図である。図７の横軸及び縦軸は図６と同じである。
図７から明らかなように、パラメトリック光子対５をアレイ導波路回折格子７を通過させることで、パラメトリック光子対５は、大凡４０チャンネルのスペクトルに分解されることが分かる。ここで、１５８４ｎｍを中心に対称な波長を持つ光ファイバーチャンネル８に出力される２光子は偏光量子もつれ状態を形成している。
【００５５】
（比較例）
非線形光学結晶１１としてニオブ酸リチウムを用いた比較例について説明する。この場合の素子長は４０ｍｍである。（７）式から、ポンプ光３の波長が７９２ｎｍのときの分極反転構造の周期Λは、９．６μｍとなった。
図８は、比較例のニオブ酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体４から出射されるパラメトリック光子対５のスペクトルを計算した図である。図８の横軸及び縦軸は図６と同じである。
図８から明らかなように、ニオブ酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体４へ波長７９２ｎｍのポンプ光３を入射した際に出射されるパラメトリック光子対５のスペクトルの半値全幅は、０．７ｎｍ程度であることが分かる。典型的なアレイ導波路回折格子７のチャンネル間の間隔(channel spacing)が０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）程度であることを考慮すると、ニオブ酸リチウム結晶を用いた量子もつれ光子対生成体４では、波長多重化には不適当であることが分かる。
【００５６】
本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１によれば、単一の波長ωｐを有しているポンプ光３を波長多重の量子もつれ光子対生成体４へ照射し、量子もつれ光子対生成体４によって偏光が直交した２光子が、広帯域スペクトルを持つように発生させることができる。これらの２光子対からなる広帯域スペクトルは、波長が多重化されている。この広帯域スペクトルをアレイ導波路回折格子７を通過させるだけで、波長多重の偏光量子もつれ光子対を多数のチャンネルのスペクトルに分波することができる。
【００５７】
本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１は、ポンプ光３を発生させるポンプ光源２と、波長多重の量子もつれ光子対生成体４と、アレイ導波路回折格子７と、を含んで構成されている。ポンプ光３と波長多重の量子もつれ光子対生成体４は、偏光が直交し広帯域スペクトルを有する光子から構成される光子対を生成するための２光子光源となる。このため、本発明の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置１は、複数の結晶の組み合わせや干渉計を用いる従来の方法と比較すると、構成の簡略化と偏光量子もつれ光源の波長多重化とを同時に達成可能である。
【００５８】
従来、フィルターによってブロックされ、利用されていなかったパラメトリック光子対５も、波長分割多重(WDM: Wavelength Divisioｎ Multiplexing)技術を用いることにより、偏光量子もつれ光子対として利用可能であり、偏光量子もつれ光子対の波長分割多重伝送技術へ応用できる。
【実施例１】
【００５９】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
波長多重量子もつれ光子対生成体４を、非線形光学結晶１１としてタンタル酸リチウムを用いて作製した。波長多重量子もつれ光子対生成体４の光軸方向の長さは４０ｍｍとし、光軸方向に沿って周期分極反転構造１１Ａを形成した。分極反転構造の周期Λは、１８．５μｍ，１９．５μｍ，２０．５μｍ，２１．５μｍと種々に変えた。【００６０】
作製した量子もつれ光子対生成体４へ波長が７９２ｎｍのポンプ光３を照射して、量子もつれ光子対生成体４から生成される光スペクトルを測定した。なお、ポンプ光３の光源として波長７９２．０ｎｍに設定されたＣＷ発振のチタンサファイアレーザーを用いた。
図９は、実施例のタンタル酸リチウムからなる量子もつれ光子対生成体４から出射されるパラメトリック光子対５のスペクトルを示す図であり、（Ａ）が常光線を、（Ｂ）が異常光線を示す。図９の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光強度（任意目盛）である。常光線と異常光線との偏光状態は直交している。量子もつれ光子対生成体４の分極反転構造の周期は２１．５μｍである。
図９から明らかなように、分極反転構造の周期が２１．５μｍの量子もつれ光子対生成体４から出射されるパラメトリック光子対５の常光及び異常光は、周波数に対して類似の強度を有しており、観測されたパラメトリック光子対５のスペクトル幅は、半値全幅でおおよそ２９ｎｍであり、図６及び図７に示した計算結果から予測されるスペクトルの半値全幅である１２．６ｎｍの２倍以上のスペクトル帯域を持つパラメトリック光子対５を生成できることが判明した。【００６１】
これにより、中心波長１５８４ｎｍ、チャンネル間隔０．８ｎｍ、各チャンネルの透過帯域半値全幅０．４ｎｍのアレイ導波路回折格子７を通過させた後のパラメトリック光子対５は、大凡８０チャンネルのスペクトルに分解されることが分かる。
なお、分極反転構造の周期１９．４μｍ近傍の量子もつれ光子対生成体４からのパラメトリック光子対５は、観測されなかった。【００６２】
次に、パラメトリック光子対５の波長相関を測定した。
図１０は、図９に示したパラメトリック光子対５の波長相関を示す図である。図１０において、横軸は常光線の波長（ｎｍ）であり、縦軸は異常光線の波長（ｎｍ）である。図に示す白い部分ほど光子対の強度が高いことを表わしている。
図１０から明らかなように、パラメトリック光子対５の波長相関は、ポンプ光３の２倍の波長である１５８４ｎｍを中心にエネルギー保存則を満たすように光子対が対称に分布していることが分かる。【００６３】
上記結果から、ポンプ光源２とパラメトリック光子対５とからなる光源によって発生した光子対を、例えば１２８チャンネルのアレイ導波路回折格子７へ導き、波長多重分割をすることで、アレイ導波路回折格子７の出力側で対をなす８０チャンネル間で偏光量子もつれ光子対が得られることが判明した。【００６４】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態で説明した、非線形光学結晶１１、１２の材料、素子長や分極反転周期Λ、Λ’は、波長多重の度合いに応じて適宜に調整できることは勿論である。
【図１】
2010140661.tif 000017
【図２】
2010140661.tif 000018
【図３】
2010140661.tif 000019
【図４】
2010140661.tif 000020
【図５】
2010140661.tif 000021
【図６】
2010140661.tif 000022
【図７】
2010140661.tif 000023
【図８】
2010140661.tif 000024
【図９】
2010140661.tif 000025
【図１０】
2010140661.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月1日(2011.4.1)
【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】
ポンプ光源と、
ポンプ光源と、
上記ポンプ光源から出射したポンプ光が入射される非線形光学結晶と、
上記非線形光学結晶から出射される波長が多重されたパラメトリック光子対が入射される分波器と、
を含み、
上記非線形光学結晶は周期分極反転構造を有しており、タイプＩＩの位相整合がされることによって互いの偏光が直交したパラメトリック光子対を発生させ、
上記分波器は．波長多重の偏光量子もつれ光子対を生成するようにした、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記周期分極反転構造の分極反転周期は、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造を有している、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項４】
前記非線形光学結晶が、タンタル酸リチウムからなる、請求項１又は３に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項５】
前記分波器が、アレイ導波路回折格子からなる、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項６】
非線形光学結晶に周期分極反転構造を形成し、
上記非線形光学結晶へ角周波数がωｐのポンプ光を照射し、
上記ポンプ光と上記非線形光学結晶内で発生させるシグナル光とアイドラー光との間でタイプＩＩの位相整合を行い、互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重されたパラメトリック光子対を生成し、
上記互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重されたパラメトリック光子対を、角周波数がω０，ω１，ω２，・・・ωｎ−２，ωｎ−１，ωｎとなるように分波して波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を生成し、
上記波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を、下記（６）式で表わされるエネルギー保存則を満たす角周波数関係とする、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数１】
2010140661.tif 000027
【請求項７】
前記非線形光学結晶に周期がΛの周期分極反転構造を、前記ポンプ光の光軸
方向に形成し、
上記周期Λを、下記（７）式を満足する周期とし、
前記ポンプ光と前記量子もつれ光子対生成体内で発生させる前記シグナル光と前記アイドラー光との間で擬似位相整合を行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数２】
2010140661.tif 000028
ここで、ｋｐ，ｋｓ，ｋｓは、それぞれ、前記非線形光学結晶中に入射したポンプ光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するシグナル光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の波数ベクトルである。
【請求項８】
前記周期分極反転構造の分極反転周期を、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造とする、請求項７に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項９】
前記非線形光学結晶を、タンタル酸リチウムとする、請求項６ないし８の何れかに記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項１０】
前記分波を、アレイ導波路回折格子を用いて行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項１１】
前記アレイ導波路回折格子は、入力導波路と、該入力導波路に接続される第１のレンズ導波路と、該第１のレンズ導波路の出力端に接続されるアレイ導波路と、該アレイ導波路の出力端に接続される第２のレンズ導波路と、該第２のレンズ導波路の出力端に接続される出力導波路と、からなる、請求項５に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月17日(2012.7.17)
【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】
ポンプ光源と、
上記ポンプ光源から出射したポンプ光が入射される非線形光学結晶と、
上記非線形光学結晶から出射される波長が多重されたパラメトリック光子対が入射される分波器と、
を含み、
上記非線形光学結晶は周期分極反転構造を有しており、タイプＩＩの位相整合がされることによって下記（６）式で表わされるエネルギー保存則を満たす角周波数関係を有している互いの偏光が直交したパラメトリック光子対を発生させ、
上記分波器は、上記パラメトリック光子対を、角周波数がω0，ω1，ω2，・・・ωn-2，ωn-1，ωnとなるように分波して波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を出射する、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【数１】
2010140661.tif 000029
【請求項２】
前記周期分極反転構造の分極反転周期は、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造を有している、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶が、タンタル酸リチウムからなる、請求項１又は２の何れかに記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項４】
前記分波器が、アレイ導波路回折格子からなる、請求項１に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項５】
前記アレイ導波路回折格子は、入力導波路と、該入力導波路に接続される第１のレンズ導波路と、該第１のレンズ導波路の出力端に接続されるアレイ導波路と、該アレイ導波路の出力端に接続される第２のレンズ導波路と、該第２のレンズ導波路の出力端に接続される出力導波路と、からなる、請求項４に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成装置。
【請求項６】
非線形光学結晶に周期分極反転構造を形成し、
上記非線形光学結晶へ角周波数がωpのポンプ光を照射し、
上記ポンプ光と上記非線形光学結晶内で発生させるシグナル光とアイドラー光との間でタイプＩＩの位相整合を行い、互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重されたパラメトリック光子対を生成し、
上記互いに偏光が直交し、かつ、波長が多重されたパラメトリック光子対を角周波数がω0，ω1，ω2，・・・ωn-2，ωn-1，ωnとなるように分波し、波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を出射し、
上記波長多重された各一対の偏光量子もつれ光子対を、下記（６）式で表わされるエネルギー保存則を満たす角周波数関係とする、波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数１】
2010140661.tif 000030
【請求項７】
前記非線形光学結晶に周期がΛの周期分極反転構造を、前記ポンプ光の光軸方向に形成し、
上記周期Λを、下記（７）式を満足する周期とし、
前記ポンプ光と前記量子もつれ光子対生成体内で発生させる前記シグナル光と前記アイドラー光との間で擬似位相整合を行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【数２】
2010140661.tif 000031
ここで、ｋp，ｋs，ｋsは、それぞれ、前記非線形光学結晶中に入射したポンプ光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するシグナル光の波数ベクトル、前記非線形光学結晶内で発生するアイドラー光の波数ベクトルである。
【請求項８】
前記周期分極反転構造の分極反転周期を、前記非線形光学結晶の光軸方向で徐々に変化する線形チャープ構造とする、請求項７に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項９】
前記非線形光学結晶を、タンタル酸リチウムとする、請求項６ないし８の何れかに記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【請求項１０】
前記分波を、アレイ導波路回折格子を用いて行う、請求項６に記載の波長多重偏光量子もつれ光子対の生成方法。
【国際調査報告】
2010140661.tif 000032
2010140661.tif 000033
2010140661.tif 000034
2010140661.tif 000035