(57)【要約】【課題】本発明の目的は、パラメトリックダウンコンバージョン過程による信号帯域へ発生する寄生的な光子により生じていた暗計数を低減し、量子暗号等の受信に好適な光検出装置を提供することにある。【解決手段】非線形光学媒質に波長λ1の信号光と波長λ2の励起光を入射し、上記非線形光学媒質中で生じる和周波発生によって、信号光を波長λ3の和周波光へ変換し、前記波長λ3に変換された和周波光を検出する光検出装置において、上記非線形光学媒質の非線形定数の符号の周期反転構造は、周期Λ0毎に上記非線形定数の符号が反転し、かつ上記非線形光学媒質の一部の長さΛ0の中での周期変調構造の反転領域と非反転領域の割合が変化し、上記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて上記非線形定数の符号を一方の符号とする割合が大きくなる構造を有することを特徴とする光検出装置。【選択図】図１
2011186407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形光学媒質を備え、
前記非線形光学媒質に波長λ1の信号光と波長λ2の励起光を入射し、
前記非線形光学媒質中で生じる和周波発生によって、信号光を波長λ3の和周波光へ変換し、前記波長λ3に変換された和周波光を検出することにより、前記信号光の情報を検出する光検出装置において、
前記非線形光学媒質は、非線形定数の符号の周期的反転構造を有し、
前記非線形定数の符号の周期反転構造は、周期Λ0毎に前記非線形定数の符号が反転し、かつ前記非線形光学媒質の一部の長さΛ0の中での周期変調構造の反転領域と非反転領域の割合が変化し、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて前記非線形定数の符号を一方の符号とする割合が大きくなる構造を有することを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
非線形光学媒質を備え、
前記非線形光学媒質に波長λ1の信号光と波長λ2の励起光を入射し、
前記非線形光学媒質中で生じる和周波発生によって、信号光を波長λ3の和周波光へ変換し、前記波長λ3に変換された和周波光を検出することにより、前記信号光の情報を検出する光検出装置において、
前記非線形光学媒質は、非線形定数の符号の周期的反転構造を有し、
前記非線形定数の符号の周期反転構造は、周期Λ0毎に前記非線形定数の符号が反転し、かつ前記周期反転構造を複数周期分束ねた部分の１部における非線形定数の符号を一方の符号とする構造を有し、前記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて前記非線形定数の符号を一方の符号とする割合が大きくなる構造を有することを特徴とする光検出装置。
【請求項３】
前記非線形光学媒質が光導波路構造を有するニオブ酸リチウムからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記励起光の波長が前記信号光の波長よりも長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置に係わり、特に、量子暗号を使用した光通信システムや量子情報処理システムにおいて使用される光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子の量子的性質を利用して、暗号を通信するいわゆる量子暗号の分野では、送信された暗号を受信するために、光子検出器が使用される。これには、通常、アバランシェフォトダイオードが（ＡＰＤ）が使用される。ゲート状に高バイアス電圧を引加し、単一光子レベルの光で励起された電子を種にして観測可能な光電流を発生させる。量子暗号を光ファイバを使用して伝送する場合、光ファイバの伝搬損失が最も小さくなる１．５５μｍの光子を使用することが必要となるが、この波長帯において感度を有するＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤは、１μｍ以下の波長において感度を有するＳｉ−ＡＰＤに比較すると量子効率が低く、一旦、アバランシェ電流が流れた後に、一部の電子が不純物準位に捕獲されて次の誤計数を引き起こすアフターパルスと呼ばれる現象があり、検出のためのゲート周波数が上げられない。従って、感度と通信速度の点に問題がある。そこで下記文献に示されるように光ファイバでの伝送に適した１．５５μｍの光子を高性能なＳｉ−ＡＰＤを使用して検出するために、波長変換による光子の変換を利用する方法が知られている。
【０００３】
この従来技術を、図１を使用して説明する。この方法は、入力される信号光子１０１を、合波器１０２において、強い強度を有する別の波長を有する励起光１０３と合波して２次非線形光学効果を有する材料１０４に入射し、和周波発生を使用してＳｉ−ＡＰＤ１０７で検出が可能な波長の光子（ここでは０．６μｍ光子１０５）へ変換し、波長フィルタ１０６を通して変換した光子のみを分離して、Ｓｉ−ＡＰＤ１０７で検出するものである。波長変換に使用する非線形媒質としては、高い変換効率が得られることから導波路構造を有する周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムが良く使用されている。近年では、この高い波長変換効率を利用することによって、導波路への結合効率を考慮しても、ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤに比較して高い量子効率と高い受信速度が可能であるため、速いビットレートでの通信が可能になりつつある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】H. Kamada, M. Asobe, T. Honjo, H. Takesue, Y. Tokura, Y. Nishida, O. Tadanaga, and H. Miyazawa ‘‘Efficient and low-noise single-photon detection in 1550 nm communication band by frequency upconversion in periodically poled LiNbO3 waveguides’’ Optics Letters, Vol. 33, Issue 7, pp. 639-641
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来技術では、以下に述べるような問題点がある。励起光の強度に比較して微弱な信号光を入射した場合の和周波発生による波長変換では励起光の強度を上げてゆくと、入射した信号光が完全に和周波光へ変換するまでは、励起光強度を上げるほど、和周波光への変換効率が高まる。従って、量子効率の観点からだけ見ると、励起光強度を上げるほど高い感度が期待できる。しかしながら実際には励起光の強度を増大させると、入力する光子がないときに発生する暗計数が励起パワーの２乗に比例して大きくなる現象が見られる。変換光の光子数は入力光子数以上にはならないために、励起光を増大させると信号のＳ／Ｎ比は過剰な暗計数の増大によりむしろ劣化してしまうことになる。
【０００６】
この励起光強度の２乗に比例して発生する暗計数のメカニズムは、以下のとおりである。具体的な信号波長、励起波長の組み合わせとして、信号光波長１．５５μｍ、励起光波長０．９８μｍとした場合を例にとって説明する。図１に示したように、信号光と励起光の和集波発生を導波路構造を有する周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムを使用して行い、０．６μｍの光子に変換してＳｉ−ＡＰＤで受信する構成をとる。このとき、導波路の形成方法等にもよるが、凡そ１０μｍの分極反転周期を設定することにより、信号光、励起光、変換光間の擬似位相整合条件が満足され、高い変換効率での和集波発生が可能になる。このとき、励起光波長を一定として、信号波長の変化に対して変換効率をプロットしたものを図２に示す。この図から分かるように擬似位相整合により変換できる信号光の帯域は、０．２ｎｍ程度と極めて狭く、それ以外の波長の組み合わせでは変換効率が極端に小さくなる。しかしながら、励起光の強度を増大させると、上記の擬似位相整合を満足しない波長間の寄生的な波長変換により生じる光の強度が単一光子レベルの光を扱う量子暗号のシステムにおいては無視できなくなってくる。
【０００７】
図３に、寄生的な波長変換を含む各波長の配置を模式的に示す。具体的には位相整合条件から離れた寄生的なパラメトリックダウンコンバージョンの過程によって励起光が０．９８μｍより長波長の２つの光子へ変換される。この過程によって信号光の帯域を含む励起波長より長波長の領域にパラメトリック蛍光が広い波長域に渡って発生する。これらのパラメトリック蛍光のうち、図２に示した、信号波長領域の位相整合曲線内に発生した光は、再度励起光との和周波発生によって、０．６μｍの光子に変換される。この光子は信号光を入射しない場合も発生するので、暗計数として計測されることになる。パラメトリック蛍光は、励起光強度に比例して発生し、パラメトリック蛍光と励起光との和周波光は励起光強度に比例して発生するために、発生する暗計数成分は励起光強度の２乗に比例することになる。従って上述したように和周波発生による変換効率をあげようとして励起光強度を増大させると、暗計数が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が劣化し、誤り率が低下する、通信に必要な誤り率を固定した場合には、伝送可能な距離が短くなり、受信できる信号速度が低下することになる。
【０００８】
本発明の目的は、上記のような従来技術の課題を解決し、パラメトリックダウンコンバージョン過程による信号帯域へ発生する寄生的な光子により生じていた暗計数を低減し、量子暗号等の受信に好適な光検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光検出装置は、非線形光学媒質を備え、上記非線形光学媒質に波長λ1の信号光と波長λ2の励起光を入射し、上記非線形光学媒質中で生じる和周波発生によって、信号光を波長λ3の和周波光へ変換し、上記波長λ3に変換された和周波光を検出することにより、上記信号光の情報を検出する光検出装置において、上記非線形光学媒質は、非線形定数の符号の周期的反転構造を有し、上記非線形定数の符号の周期反転構造は、周期Λ0毎に上記非線形定数の符号が反転し、かつ上記非線形光学媒質の一部の長さΛ0の中での周期変調構造の反転領域と非反転領域の割合が変化し、上記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて上記非線形定数の符号を一方の符号とする割合が大きくなる構造を有することを特徴とする。
【００１０】
また、上記の課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の光検出装置は、非線形光学媒質を備え、上記非線形光学媒質に波長λ1の信号光と波長λ2の励起光を入射し、上記非線形光学媒質中で生じる和周波発生によって、信号光を波長λ3の和周波光へ変換し、上記波長λ3に変換された和周波光を検出することにより、上記信号光の情報を検出する光検出装置において、上記非線形光学媒質は、非線形定数の符号の周期的反転構造を有し、上記非線形定数の符号の周期反転構造は、周期Λ0毎に上記非線形定数の符号が反転し、かつ上記周期反転構造を複数周期分束ねた部分の１部における非線形定数の符号を一方の符号とする構造を有し、上記非線形光学媒質の両端に近づくにつれて上記非線形定数の符号を一方の符号とする割合が大きくなる構造を有することを特徴とする光検出装置。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の光検出装置において、上記非線形光学媒質が光導波路構造を有するニオブ酸リチウムからなることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の光検出装置において、上記励起光の波長が前記信号光の波長よりも長いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、量子暗号等の微弱な信号光を和周波発生により短波長へ波長変換して検出する光検出装置において、所望の波長間以外の寄生的に生じる、パラメトリックダウンコンバージョン、第二高調波発生、あるいはそれらの組み合わせ、さらにさまざまな光学部品から意図せずに発生する微弱な光と励起光との和周波発生、差周波発生などの非線形過程による波長変換の効率を擬似位相整合素子にアポダイズを施すことにより効果的に低減できるために、信号光を入射しないときにも発生する暗計数を低減することが可能になり、結果として高速で、高感度で、Ｓ／Ｎ比の高い光検出装置を構成することができ、それによって高速で長距離まで伝送できる量子暗号伝送システムを構築できる。さらにフォトンカウンティングレベルの微弱光を計測するさまざまな応用において、高感度でＳ／Ｎ比の良い計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の波長変換を使用した光検出装置の構成を説明する図である。
【図２】従来の波長変換の動作を説明する図である。
【図３】波長変換における各波長の配置を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における分極反転構造を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における素子構造を説明する図である。
【図６】従来の波長変換を用いた光検出装置における動作を説明する図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の動作を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における素子構造を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の動作を説明する図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における各波長の配置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態１］
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。  
本実施形態において、信号光として１．５５μｍ、励起光として０．９８μｍを使用している。信号光と励起光を合波し、非線形媒質に入射し、０．６μｍの和周波光へ変換しフィルタを通して和周波光だけを分離したのちにＳｉ−ＡＰＤで和周波光を検出する。亜鉛をドープしたニオブ酸リチウムに電界印加法により分極反転構造を形成し、タンタル酸リチウム基板上に直接接合を行い、研磨によりニオブ酸リチウム層の厚みを６μｍまで薄くした後に、機械加工によりリッジ導波路を形成したものを非線形媒質として使用している。
【００１６】
次に、分極反転構造の詳細を説明する。本実施形態において、分極反転周期が１０μｍと比較的短いので、分極反転の基本周期中のデューティを変化させず、基本周期である１０μｍよりも広い範囲で部分的に一方の分極方向となる構造を付与して、一方の分極方向とする割合を変化させることによりアポダイズを施した。
【００１７】
より具体的には、本実施形態において、素子長は約５０ｍｍであり、基本周期の１０倍である１００μｍ毎に素子長を分割し、５００個の断片から素子全体を構成した。図４は、第１の実施形態における、分極反転構造の素子端付近の構造を説明するための図である。１００μｍ毎の断片内に１０周期配置された基本周期１０μｍのグレーティングの一部はアポダイズに必要な分だけその一部が一方の分極方向となり周期構造がなくなるような構造を有しており、素子の端に近づくほど一方の分極方向となる割合を大きくすることで擬似的にデューティを変化させたのと同じ効果を得ている。例えば１０周期中のグレーティングが全て周期構造を有している場合グレーティングのデューティは５０％であることに相当し、１０周期中２周期のグレーティングのみが周期構造を有している場合はグレーティングのデューティは１０％であることに相当する。
【００１８】
図５は、アポダイズを実現するのに使用した実質的なデューティの素子の長さ方向に対する分布を表している。比較のためにアポダイズを施さず、均一な周期１０μｍの分極反転構造を形成した素子も作製した。
【００１９】
図６に、従来のアポダイズを施していない導波路の位相整合曲線を示す。分極反転構造を有する非線形媒質における波長変換効率は波長変換に関わる３つの波長間の位相不整合量Δｋと分極反転周期Λに対して次式で与えられるような位相整合特性を示す。
【００２０】
【数１】
2011186407.tif 000003
【００２１】
【数２】
2011186407.tif 000004
【００２２】
ここで、λ1，λ2，λ3は信号光、励起光、和周波光の波長、ｎ1，ｎ2，ｎ3は、それぞれの波長における非線形媒質の屈折率、Ｉ3は和周波光の強度である。
【００２３】
図６に、分転周期Λ＝１０μｍとしたときのΔｋに対する変換効率の依存性を示す。図中の変換効率はピークの値で規格化されており、図中のグラフは変換効率の一部を拡大したもので、実際には変換効率は位相不整合量Δｋに対して周期的な変化を示すが、図中の全体の変換効率はそれらの包絡線を示している。上記の波長の組み合わせにおける位相不整合量Δｋは、０．１μｍ-1である。図からも分かるように、３つの波長間の位相不整合量Δｋが１／Λと等しくなるような分極反転周期を設定することにより、高効率な波長変換が可能になる。一方暗計数の原因となるパラメトリック蛍光は、波長λ2＝０．９８μｍの励起光子が波長λ1＝１．５５μｍの光子と波長λ4＝２．６μｍの光子に変換されることにより発生する。この場合の３つの波長間の位相不整合量は式１と同様にして次式で与えられる。
【００２４】
【数３】
2011186407.tif 000005
【００２５】
上記の波長の組み合わせにおける位相不整合量Δｋは、０．０３６μｍ-1である。従って図６上に示したように、メインのピークから非常に離れているものの、上記のパラメトリック蛍光の発生効率は有限の値を有する、非常に微弱な光を扱う量子暗号の検出においては、このパラメトリック蛍光が暗計数の原因となる。本実施形態において、この寄生的なパラメトリック蛍光を抑圧するために、上記のアポダイズを分極反転構造に施してメインのピーク以外の位相不整合量Δｋにおける変換効率を抑制するようにした。
【００２６】
図７に、本実施形態による波長変換効率のΔｋ依存性を実線で示す。比較のため従来のアポダイズを施さない場合のΔｋ依存性を点線で示す。これらを比較すると分かるように本実施形態において、アポダイズを施すことにより暗計数の原因となる位相不整合量Δｋが０．０３６μｍ-1付近のパラメトリック蛍光の発生効率を従来に比較して１桁程度小さくすることが可能になる。従って従来に比較して入射する光子がない場合の暗計数を１桁程度低減することができ、極めて微弱な入射光子をＳ／Ｎ比を劣化させることなく高効率に検出することが可能になる。
【００２７】
［実施形態２］
本実施形態において、信号光として１．５５μｍ、励起光として１．８１μｍを使用している。信号光と励起光を合波し、非線形媒質に入射し、０．８３μｍの和周波光へ変換しフィルタを通して和周波光だけを分離した後に、Ｓｉ−ＡＰＤで和周波光を検出する。非線形媒質には実施形態１と同様に分極反転構造と導波路構造を有するニオブ酸リチウムを使用している。導波路の長さは５０ｍｍである。次に分極反転構造の詳細を説明する。
【００２８】
図８は、第２の実施形態における分極反転構造の素子端付近の構造を説明するための図である。本実施形態において、分極反転周期が２０．５μｍと比較的長いので基本周期中の上向きの分極と下向きの分極の割合（デューティ比）を連続的に変化させてアポダイズを施した。デューティの素子の長さ方向に対する分布は、図５に示した実施形態１の場合とほぼ同様である。比較のためにアポダイズを施さず、均一な周期２０．５μｍの分極反転構造を形成した素子も作製した。
【００２９】
図９に、アポダイズを施していない導波路とアポダイズを施した導波路の位相整合曲線を示す。図中の変換効率はピークの値で規格化されており、図中のグラフは変換効率の一部を拡大したもので、実際には変換効率は位相不整合量Δｋに対して周期的な変化を示すが、図中の全体の変換効率はそれらの包絡線を示している。分極反転周期は２０．５μｍであるので波長変換に関わる３つの波長間の位相不整合量Δｋ＝０．０４８μｍ-1のときに変換効率が最大となる。この値は信号光１．５５μｍ、励起光１．８１μｍ、和周波光０．８３μｍの間の位相不整合量に一致するように設定されているために図中のピークの位置に相当し、効率的に波長変換が行える。実施形態１とは異なり、本実施形態では励起光波長を信号光よりも長波長に設定しているために、励起光からパラメトリックダウンコンバージョンの過程でパラメトリック蛍光が発生したとしても、励起光よりも長波長にのみ発生するために、励起光から直接発生するパラメトリック蛍光が信号波長である１．５５μｍ帯は混入することはない。しかしながらこのような構成では実施形態１のような信号光よりも短波長の励起光を使用した場合とは異なる以下のような機構で暗計数が発生する。
【００３０】
図１０に、寄生的な波長変換を含む各波長の配置を模式的に示す。本実施形態では信号光に比較して強度の大きな１．８１μｍの励起光を使用しているが、この励起光の第二高調波である０．９０５μｍの光への変換が生じる。この波長変換過程における位相不整合量Δｋは０．０４０８μｍ-1程度である。この位相不整合量は、図９のメインのピークからは外れているものの有限の値をとるため、高強度の励起光を入射した場合には励起光強度の２乗に比例して発生し、微弱な信号光を検出する場合には無視できない強度の第二高調波を発生することになる。この第二高調波の波長は測定の目的である波長０．８３μｍの和周波光に比較的近いため、フィルタなどで分離することはできるものの、近い波長の光を分離する高価な高性能なフィルタが必要となるため、できるだけ発生効率を抑えることが望ましい。
【００３１】
図９に示すように、本実施形態で分極反転構造にアポダイズを施すとΔｋ＝０．０４０８μｍ-1付近の寄生的な第二高調波発生の効率を１桁程度小さくすることができる。さらに暗計数への影響を考えるとこの発生した第二高調波が励起光となってパラメトリックダウンコンバージョンの過程でパラメトリック蛍光が発生する。具体的には０．０９５μｍの光が１．５５μｍと２．１７μｍの光へ変換される過程である。これら３つの波長の間の位相不整合量Δｋは０．０４０６μｍ-1程度である。この値は、上記の第二高調波発生の場合とほぼ同様であるので、図９を見ると分かるように有限の値を有する。この過程による波長変換効率は、図８を見ると分かるように本実施形態のようにアポダイズを施すことにより１桁程度低減することができる。この過程で生じた１．５５μｍのパラメトリック蛍光は、１．８１μｍの励起光との和周波発生により再び０．８３μｍへ変換される。この光は、信号光を入射しなくても発生するために暗計数として観測されてしまう。この暗計数は励起光強度の３乗に比例して発生することになるため、励起光強度が大きいときには問題となる。しかし、本実施形態のようにアポダイズを施すことにより０．０９５μｍへの変換効率を１桁下げられ、さらに０．０９５μｍから１．５５μｍへのパラメトリックダウンコンバージョンの効率を１桁下げられるために、結果として上記の機構による暗計数を二桁低減することが可能になる。このように波長変換に使用する周期分極反転構造にアポダイズを施すことにより、寄生的に発生する様々な波長間の変換効率を低減することができるため、微弱な信号を波長変換して検出する装置における暗計数を効果的に低減することができる。
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、量子暗号等の微弱な信号光を和周波発生により短波長へ波長変換して検出する光検出装置において、所望の波長間以外の寄生的に生じる、パラメトリックダウンコンバージョン、第二高調波発生、あるいはそれらの組み合わせ、さらに様々な光学部品から意図せずに発生する微弱な光と励起光との和周波発生、差周波発生などの非線形過程による波長変換の効率を擬似位相整合素子にアポダイズを施すことにより効果的に低減できるために、信号光を入射しないときにも発生する暗計数を低減することが可能になり、結果として高速で、高感度で、Ｓ／Ｎ比の高い光検出装置を構成することができ、それにより高速で長距離まで伝送できる量子暗号伝送システムを構築できる。さらにフォトンカウンティングレベルの微弱光を計測する様々な応用において、高感度でＳ／Ｎ比の良い計測が可能となる。
【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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