(57)【要約】本発明は、光学ウェイブガイドと、少なくとも１つの色中心を備えるマテリアルとを有する光子源を提供する。各色中心は、光子放射のために設けられ、マテリアルは、マテリアルが光学ウェイブガイドに結合されるように生成され、使用の際に、各色中心によって放射された光子の少なくともいくらかが光学ウェイブガイドに導かれる。本発明は、また、少なくとも１つの色中心を備えるマテリアルと合体している光学ウェイブガイドを有する光子源を提供する。
2007526639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ウェイブガイドと、マテリアルとを有する光子源であって、
前記マテリアルは、少なくとも１つの色中心を備え、各色中心は、光子放射のために設けられ、前記マテリアルは、当該マテリアルが前記光学ウェイブガイドに結合されるように生成され、使用の際に、各色中心によって放射された光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれる、光子源。
【請求項２】
光子放射のために設けられた少なくとも１つの色中心を有するマテリアルと合体している光学ウェイブガイドを備え、
前記マテリアルは、使用の際に、各色中心から放射された光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれるように合体されている、光子源。
【請求項３】
請求項１または２において、各色中心は、単光子の放射のために設けられている、光子源。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、当該光子源は、単光子の源である、光子源。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、当該光子源は、エンタングル状態の光子の放射のために設けられている、光子源。
【請求項６】
請求項５において、少なくとも２つのエンタングル状態の光子を一緒に放射するように設けられた少なくとも２つの色中心を備えている、光子源。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド構造を備えている、光子源。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンドマテリアルである、光子源。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドのコア領域の一部に生成している、光子源。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド結晶であり、各色中心は、窒素に関連した色中心を備えている、光子源。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド結晶であり、各色中心は、ニッケルに関連した色中心を備えている、光子源。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、光ファイバである、光子源。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、平坦なウェイブガイドである、光子源。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、コア領域を備えており、このコア領域は、当該コア領域よりも低屈折率のコア周辺領域に取り囲まれている、光子源。
【請求項１５】
請求項１２または１３において、コア領域の周囲に設けられた多くの光閉じ込め要素を備えており、光が前記コア領域内に導かれるようになっている、光子源。
【請求項１６】
請求項１５において、前記コア領域は、固体であり、前記光閉じ込め要素は、コア周辺領域の屈折率の平均が前記コア領域よりも低屈折率となっている、光子源。
【請求項１７】
請求項１５において、前記光閉じ込め要素は、コア周辺領域に光子バンドギャップをもつような光子結晶ウェイブガイドが形成されることにより、設けられている、光子源。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイド内の空洞に配置されている、光子源。
【請求項１９】
請求項１８において、前記空洞は、前記ウェイブガイドのコア領域内に位置している、光子源。
【請求項２０】
請求項１８または１９において、前記空洞は、光共振器である、光子源。
【請求項２１】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２０のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記光学ウェイブガイドに埋め込まれている、光子源。
【請求項２２】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２０のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの一部を形成している、光子源。
【請求項２３】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２２のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、各色中心を備えるダイヤモンドコアを有している、光子源。
【請求項２４】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２３のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドの長さ方向の少なくとも一部は、ダイヤモンドで構成されている、光子源。
【請求項２５】
請求項２４において、前記ウェイブガイドの全体は、ダイヤモンドで構成されている、光子源。
【請求項２６】
請求項１ないし２５のいずれかに記載の光子源は、各色中心を光励起するように構成されている。
【請求項２７】
請求項１ないし２６のいずれかに記載の光子源は、各色中心を電気励起するように構成されている。
【請求項２８】
光子源を製造する方法であって、
光学ウェイブガイドを準備することと、
前記光学ウェイブガイドと隣接または結びつき、少なくとも１つの色中心が内部に形成されるように、マテリアルを生成することとを含む、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって、
前記マテリアルは、当該マテリアルが前記光学ウェイブガイドと結合するように生成され、使用の際に、各色中心から放射された単光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれる、方法。
【請求項３０】
請求項２８または２９において、前記光学ウェイブガイドと前記マテリアルとの直接結合が得られるように、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの一部に直に生成されている、方法。
【請求項３１】
請求項２８ないし３０のいずれかにおいて、さらに、前記光学ウェイブガイドに少なくとも１つの凹部を形成する工程を含む、方法。
【請求項３２】
請求項３１において、前記ウェイブガイドは、コアとコア周辺領域とを備え、前記少なくとも１つの凹部は、前記コア領域の、前記ウェイブガイドの端面に形成される、方法。
【請求項３３】
請求項３１または３２において、前記凹部は、前記コア領域のマテリアルを優先的にエッチングするエッチングプロセスを用いて、前記コア領域に当該凹部をエッチングすることによって形成される、方法。
【請求項３４】
請求項２８ないし３３のいずれかにおいて、前記マテリアルは、各色中心を有するダイヤモンド結晶を含んでいる、方法。
【請求項３５】
請求項２８ないし３４のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、化学気相成長（ＣＶＤ）を含む、方法。
【請求項３６】
請求項３１または請求項３１に従属する請求項３２ないし３５のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、各凹部による縁に前記マテリアルを生成することを含む、方法。
【請求項３７】
請求項３１または請求項３１に従属する請求項３２ないし３５のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、各凹部内に前記マテリアルを生成することを含む、方法。
【請求項３８】
請求項３７において、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの端面において生成されており、当該方法は、前記端面を、他のウェイブガイドの端面と接合させる工程を含む、方法。
【請求項３９】
請求項３７において、前記マテリアルは、端面の各凹部内に生成されており、当該方法は、前記端面と、他のウェイブガイドの端面とを接合させる工程を含み、各凹部を閉じて空洞を形成し、当該マテリアルが各色中心を有するようにする、方法。
【請求項４０】
光学ウェイブガイドを備える光子源を製造する方法であって、以下の工程を有する。
光子放射のための少なくとも１つの色中心を形成可能なマテリアルが合体している光学ウェイブガイドを製造することと、
放射された光子の少なくともいくらかが、使用の際、前記光学ウェイブガイドに導かれるように、前記マテリアル内に各色中心を形成すること。
【請求項４１】
請求項４０において、前記光学ウェイブガイドは、コアと、このコアの一部を形成する前記マテリアルとを有している、方法。
【請求項４２】
請求項４０において、前記光学ウェイブガイドは、前記マテリアルにより構成されるコアを有している、方法。
【請求項４３】
請求項２８ないし４２のいずれかの方法により製造された光子源。
【請求項４４】
請求項１ないし２７のいずれかに記載の光子源を備える量子鍵配送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは光子源に関するものであり、これに限定されないが特に量子鍵配送のために好適な光子源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子鍵配送のような多くの応用のために、光子源は、単光子またはエンタングル状態の多重光子を提供するものが求められている。ダイヤモンドにおける色中心は、たとえば、単光子放射のために用いることができるであろう。このような色中心は、典型的には、ダイヤモンドマトリックスにおける空孔の近傍に配置された窒素原子のような、少なくとも１つの光学的に活性な不純物原子を含んでいる。このような窒素−空孔（Ｎ−Ｖ）中心は、光または電子励起源を用いることにより励起され、典型的には、６３７ｎｍ付近の波長を有する単光子を放出するようになっている。しかしながら、単光子は、等方的に放出されるので、放出された光子を集めたり、導いたりすることが非常に難しい。放射光子を集めるためには、通常、１つの色中心に対して正確に一直線に並べられた対物レンズが使用されるが、光学的なインターフェイスにおける光学的損失はかなりのものであり、また、この収集技術は、一般的には、扱い難く、また、あまり強固なものではない。さらに、光学レンズは、集積化された技術と結合することが難しく、また、デバイスを冷却したり加熱することがさらに難しくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
単光子が必要な量子鍵配送や他のアプリケーションを実現するために、単光子を発生することについて、さらなる技術的な進歩が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様は、光子源を提供し、この光子源は、光学ウェイブガイド（光導波管、光導波路）と、マテリアルとを有する光子源であって、マテリアルは、少なくとも１つの色中心（カラーセンター）を備え、各色中心（前記１つまたはそれぞれの色中心）は、光子放射のために設けられ、このマテリアルは、当該マテリアルが光学ウェイブガイドに結合されるように生成され、さらに、使用の際に（使用中に）、各色中心によって放射された光子の少なくともいくらかが光学ウェイブガイドに導かれる。
【０００５】
本発明の第２の態様は、光子源を提供し、この光子源は、光子放射のために設けられた少なくとも１つの色中心を有するマテリアルと合体している光学ウェイブガイドを備え、マテリアルは、使用の際に、各色中心から放射された光子の少なくともいくらかが光学ウェイブガイド内に導かれるように合体されている。
【０００６】
このマテリアル（物質、具現化されたもの）はウェイブガイド（導波管）に結合されている、および／または、マテリアルは光学ウェイブガイドと合体しているため、各色中心は、ウェイブガイドと結び付けられる。したがって、本発明の第１の態様および第２の態様の形態にかかる光子源は、放射された単光子をウェイブガイドに導くために、さらなる光学構成要素を必要としないという長所をもつ。
【０００７】
この光子源は、比較的強固で小さくすることができ、集積化でき、そして、典型的には、比較的簡単に冷却したり、加熱できる。加えて、色中心は、しばしば等方性の光子エミッターであるため、ウェイブガイドと各色中心とを密接に関連させることは、光子源の効率に有益である。ウェイブガイドと各色中心との結合は、結果として、光子源の安定性と耐久性を改善できる。
【０００８】
この明細書にわたって、用語“色中心（カラーセンター）”は、光子がそこから放射されることが可能な、任意の光学的に活性（アクティブ）な原子、分子、または空孔中心に用いられ、単光子または多重光子の放出により励起状態が減衰するようになった原子、分子、空孔中心を含む。たとえば、色中心は、可視域の内側および／または外側の波長をもつ単光子または多重光子を放射するようになっている。
【０００９】
本発明の第１および第２の態様の一形態は、各色中心が単光子の放射のために設けられているものである。
【００１０】
用語“単光子の放射”は、一度にたった１つの光子を放射することに用いられる。たとえば、各色中心が単光子の放射のために設けられている場合、各色中心は、複数の単一（個別の、分離した）光子を連続して、またはパルス的に放射するように用いられる。
【００１１】
本発明の第１および第２の態様の具体的な形態において、この光子源は、単光子の源であり、したがって、この光子源は、２つ以上の光子を同時に放射しない光子源である。たとえば、この光子源は、単光子を放出するための色中心を１つ備えたものである。この光子源は、色中心を１つ以上備えることもできるが、この場合、この光子源は、典型的には、与えられた時間には色中心の１つのみが励起され、１つの光子が放射されるようになっている。
【００１２】
本発明の第１および第２の態様の他の具体的な形態において、この光子源は、エンタングル状態の光子を放出するようになっている。この場合、この光子源は、典型的には、少なくとも２つのエンタングル状態の光子を一緒に放射するように設けられた色中心を少なくとも２つ備えている。この光子源は、典型的には、一対のエンタングル状態の光子の放射のために設けられた少なくとも一対の色中心を備えている。この形態のバリエーションにおいて、この光子源は、１つまたはそれ以上の色中心を備え、各色中心は、それぞれがエンタングル状態の光子を放射するようになっている。
【００１３】
本発明の第１および第２の態様において、マテリアルは、典型的には、ダイヤモンド型構造を備えている。そして、典型的には、ダイヤモンドマテリアルは、合成（人工）ダイヤモンドの単結晶または多結晶質体である。
【００１４】
本発明の第１および第２の態様において、ウェイブガイドは、典型的には、コア領域を有しており、マテリアルは、ウェイブガイドのコア領域の一部に生成されている。
【００１５】
本発明の第１および第２の態様にかかる光子源において、マテリアルは、ウェイブガイドに間接的に結合させることができる。たとえば、他の素材（物質）の層を、マテリアルとウェイブガイドとの間に位置させることができる。しかしながら、マテリアルは、典型的には、ウェイブガイドに直接的に結合されている。
【００１６】
本発明の第２の態様にかかる光子源において、マテリアルは、光学ウェイブガイドに埋め込むことができる。マテリアルは、ウェイブガイドの一部であってもよい。たとえば、マテリアルはコア部を含んでもよく、あるいは、コア全体がマテリアルで構成されていてもよい。１つの具体的な形態において、ウェイブガイドは、例えば、ダイヤモンドをマテリアルとして構成されたコアを含み、各色中心は、ウェイブガイドのコアに形成されている。たとえば、ダイヤモンドコアを最初に形成し、各色中心は、（たとえば、インプランテーション（埋め込み）により）ダイヤモンドコアに生じさせることができる。
【００１７】
ウェイブガイドの長さ方向の少なくとも一部は、ダイヤモンドで構成することができ、１つの具体的な形態においては、ウェイブガイドの全体がダイヤモンドで構成されている。
【００１８】
本発明の第１および第２の態様にかかる光子源において、各色中心は、典型的には、ダイヤモンドマテリアル内の不純物をそれぞれ含んでいる。たとえば、各不純物は、窒素−空孔（Ｎ−Ｖ）の色中心が形成されるような空孔に隣接して配置された窒素原子であってもよい。各不純物は、一般に“ＮＥ８”色中心として参照される、ニッケルに関連した色中心であってもよい。たとえば、このような色中心の対は、エンタングル状態の光子の対の放射のために設けられてもよい。
【００１９】
本発明の第１および第２の態様において、ウェイブガイド（導波管）としては、光子をガイドするようになった任意の形状のものを用いることができる。たとえば、ウェイブガイドは、光ファイバであってもよい。あるいは、ウェイブガイドは、平坦な（板状の）ウェイブガイドであってもよい。いずれも場合も、ウェイブガイドは、コア領域を備えており、このコア領域は、典型的には、このコア領域よりも低屈折率のコア周辺領域に取り囲まれている。
【００２０】
または、さらにウェイブガイドは、光閉じ込め要素を多数備えていてもよく、それらは、例えば管状の部分であり、中空であっても良い。光閉じ込め要素は、光がコア領域内に導かれるように、コア領域の周囲に設けてもよい。コア領域は、固体であってもよく、光閉じ込め要素は、コア周辺領域の屈折率の平均を、コア領域よりも低屈折率にすることにより実現しても良い。
【００２１】
光閉じ込め要素は、コア周辺領域に、光子バンドギャップをもつように光子結晶ウェイブガイドが形成されることにより設けられてもよい。この場合、コア領域は中空であるか、あるいは、欠陥または不純物を含み、それらは、局所的に光子バンドキャップを崩壊し、それにより、コア領域内に光子が導かれるようにする。
【００２２】
本発明の第１および第２の態様の具体的な形態において、マテリアルは、ウェイブガイド内の空洞、典型的には、ウェイブガイドのコア領域内またはその近傍の空洞に配置されている。空洞は、典型的には、光共振器であり、部分的に中空であってもよく、あるいは、少なくとも一部が、コア領域と比べて異なる屈折率の物質により満たされていてもよい。この場合、各色中心の光子放射の等方性は小さく、光子は、増幅された共振モードの方向に優先的に放射されるであろう。その結果として、光共振器は、光子源の効率を改善できる。
【００２３】
本発明の第３の態様は、光子源を製造する方法を提供し、この方法は、
光学ウェイブガイドを準備することと、
光学ウェイブガイドの上、または光学ウェイブガイドに結びついたマテリアルであって、少なくとも１つの色中心が内部に形成されるように、マテリアル（物質、具現化されたもの）を生成することとを含む。
【００２４】
マテリアルは、典型的には、このマテリアルが、光学ウェイブガイドと結合するように成長（生成）され、使用の際に（用いられると）、各色中心から放射された光子の少なくともいくつかが光学ウェイブガイドに導かれる。マテリアルは、典型的には、このマテリアルが光学ウェイブガイドと直接結合するように生成されている。あるいは、マテリアルが光学ウェイブガイドと間接的に接合するように生成され、光学ウェイブガイドとマテリアルとの間に、ある層が設けられていてもよい。
【００２５】
光子源は、典型的には、単光子の源であり、あるいは、エンタングル状態の光子の対の源であってもよく、エンタングル状態の光子対を含む。
【００２６】
光学ウェイブガイドとしては、任意のタイプの平坦なウェイブガイドおよび光ファイバを含む、任意のタイプの光学ウェイブガイドを用いることができる。たとえば、光学ウェイブガイドは、コア領域を備えており、このコア領域が、コア領域よりも低屈折率のコア周辺領域に取り囲まれているものであってもよい。
【００２７】
それに代わり、または、追加して、光学ウェイブガイドは、コア領域の周囲に設けられた、光閉じ込め要素を多数備えていてもよく、光閉じ込め要素は、例えば、管状の部分である。光閉じ込め要素は、コア周辺領域にバンドギャップがあるような光子結晶ウェイブガイドが形成されることによってもアレンジされる。
【００２８】
この方法は、さらに、光学ウェイブガイドに少なくとも１つの凹部（窪み、穴、リセス）を形成する工程を含んでもよい。たとえば、ウェイブガイドは、例えば、引き延ばされたものであり、コアとコア周辺領域とを備え、少なくとも１つの凹部が、ウェイブガイドの端面の、コア領域内に形成されていてもよい。各凹部は、典型的には、コア領域のマテリアルを優先的にエッチングするエッチングプロセスを用いて、コア領域にエッチングされる。
【００２９】
マテリアルは、各色中心を有する複数のダイヤモンド結晶を含んでいてもよい。マテリアルを生成する工程は、典型的には、化学気相成長（ＣＶＤ）を含む。生成する工程は、各凹部、たとえば、各凹部による縁（端、エッジ）に、マテリアルを生成することを含んでもよい。本願発明者らは、生成する条件によって、各凹部による（に関連した）各縁にマテリアルが良好に成長することを確認した。各縁は、典型的には、コア領域またはコア領域の近くであり、したがって、各凹部は、コア領域またはコア領域の近くにダイヤモンド結晶を主として生成するために有効である。
【００３０】
マテリアルをウェイブガイドの端面に生成する場合、この方法は、端面を他のウェイブガイドの端面と（融解または別の方法で）接合させる工程を含んでもよい。具体的な形態においては、マテリアルが端面であって各凹部内に生成され、この方法は、端面と他のウェイブガイドの端面とを融合（溶融結合）する工程を含み、それにより、各凹部が閉じられ、各色中心を有するマテリアルが埋められた空洞が形成される。この場合、マテリアルは、典型的には、一つの色中心を有する。
【００３１】
色中心の構成の後、適当なレーザー放射または電子のような適当な励起源を用いて、色中心を活性化させてもよい。この方法は、各色中心から放射される光子を分析することにより、色中心が１つだけ光子源に存在しているかどうかを分析する工程を有していてもよい。
【００３２】
本発明の第４の態様は、光学ウェイブガイドを備える光子源を製造する方法を提供し、その方法は、以下の工程を含む、
光子放射のための少なくとも１つの色中心を形成可能なマテリアルが合体している光学ウェイブガイドを製造することと、
放射された光子の少なくともいくらかが、使用の際、光学ウェイブガイドに導かれるように、マテリアル内に各色中心を形成すること。
【００３３】
マテリアルは、光学ウェイブガイドの他の部分に埋め込まれていてもよい。
【００３４】
光学ウェイブガイドは、コアを有していてもよく、マテリアルは、コアの一部を形成する。コアは、マテリアルにより構成されていてもよい。
【００３５】
本発明の第５の態様は、上述した方法によって製造された、光子源を提供する。
【００３６】
本発明の第６の態様は、本発明の第１の態様にかかる光子源を備える、量子鍵配送システムを提供する。
【００３７】
マテリアルは、ウェイブガイドと結合および／または合体しており、各色中心は、ウェイブガイドと結びついているため、上述した光子源を備える量子鍵配送システムは、実用性および効率性を改善することができる。
【００３８】
本発明は、次に続く本発明の実施形態の説明により、さらに深く理解される。この説明は、図面を参照して提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
まず、図１（ａ）を参照すると、本発明の具体的な実施形態にかかる光子源１０が示されている。光子源１０は、コア１４とクラッディング（外装）１６とを含む光学ウェイブガイド１２を備えている。本実施形態では、クラッディング１６は、コア１４よりも低屈折率の材料を備えている。ダイヤモンド結晶１８は、コア１４に埋め込まれている。ダイヤモンド結晶１８は、使用の際に（使用中に）単光子を放出する色中心（カラーセンター）を備えている。本実施形態では、色中心は、ダイヤモンド結晶の格子内に設けられた空洞と、隣接した窒素原子とを備えており、窒素原子は、窒素−空孔（ＮＶ）中心が形成されるように、別の炭素原子と置換して配置されている。レーザー放射、たとえば、５１４ｎｍまたは５３２ｎｍの波長を有するものが色中心の励起に用いられ、励起状態の崩壊により単光子が放射される。
【００４０】
これに代わる光子源１０としては、他の適当な色中心を有するものがある。実施形態のバリエーションとしては、色中心は、エンタングル状態の光子の放射のためにアレンジすることもできる。さらに、光子源１０は、エンタングル状態の光子の放射のためにアレンジされた、１以上の色中心を有していてもよい。
【００４１】
本実施形態において、ダイヤモンド結晶は、ウェイブガイド１２のコア１４に埋め込まれている。図１（ｂ）は、本実施形態のバリエーションを示している。図示された光子源２０は、端面２２に生成された結晶１８を備えている。両方のケースとも、色中心はウェイブガイドと結びついており、放出された単光子をウェイブガイド内に導くために、それ以上の光学構成要素を必要としない。さらに、色中心とウェイブガイドとの密接した関連により、光子の大部分がウェイブガイドに導かれ、それゆえに、光子源の効率が増大する。
【００４２】
本実施形態において、コア１４は、ゲルマニウムがドープされたシリカ（珪素）により構成されており、クラッディング１６は、シリカにより構成されている。ウェイブガイド１２は、本実施形態のバリエーションとして、任意の適当な形状で提供することができる。光ファイバおよび平坦なウェイブガイドのいずれも用いることができる。たとえば、他の実施形態において、ウェイブガイドは、多くの光閉じ込め要素を備えていてもよく、それは、管状の部分であって良く、中空で、コア領域の周りにアレンジされる。光閉じ込め要素は、コア周辺領域に光子バンドギャップをもつような光子結晶ウェイブガイドが形成されることによってもアレンジされる。
【００４３】
図２（ａ）は、走査型電子顕微鏡写真を示している。この顕微鏡写真は、ファイバ３０の端面を示しており、その上に、色中心を有するダイヤモンド結晶３１が生成されている。図２（ｂ）は、ファイバ端面のダイヤモンド結晶３１の、倍率を上げた走査型電子顕微鏡写真を示している。図２（ｂ）において見える同心円状のリングは、コア領域の周囲の、ドープされて下がったグラッディング領域のエッチングによるものである。図２（ｂ）の中心における単結晶は、コア領域に配置されている。
【００４４】
図３は、本発明の実施形態にかかる光子源を製造する様子を示している。この製造過程において、色中心を有するダイヤモンド結晶は、光学ウェイブガイド（光ファイバあるいは平坦なウェイブガイド）の端面に生成されている。ダイヤモンド結晶が生成された端面は、その後、何もしていないウェイブガイドの端面と融合（溶融結合）され、したがって、それぞれの融合されたファイバコアに、それぞれの色中心を有するそれぞれのダイヤモンド結晶が埋め込まれる。５１４または５３２ｎｍポンプ−レーザー源がファイバに結び付けられ、レーザー放射は、（Ｎ−Ｖ）色中心を励起させ、その結果、色中心から６３７ｎｍ近傍の波長を有する光子が放射される。
【００４５】
ウェイブガイドの伝播の方向の９０度方向から、色中心の近くに、ポンプ源から入射することにより励起させることも可能である。このことは、ポンプ波長がウェイブガイドをトラベリングダウンするのを防ぐことができるという追加の長所をもつ。ポンプ波長をウェイブガイドから取り除く必要があるときは、ブラッグ格子が、デバイスの中またはデバイスの外において用いられるだろう。
【００４６】
他の実施形態においては、色中心は、電気的に励起されてもよい。たとえば、電極をウェイブガイドの２つの反対の側部に設け、色中心が励起するように選ばれた周波数を有する交流電圧をそれらの電極に加えることができる。光子源は、電気的に制御されたゲートを備えるアウトプットを有していてもよい。
【００４７】
ウェイブガイドが光ファイバである場合、まず、光ファイバは、剥がされ、断ち割られることにより高品質な端面が形成される。断ち割られたファイバの束は、ファイバが集められ、タンタル（または他の適当な非反応性の物質）のチューブで守られているものであり、ダイヤモンドパウダーが含まれたアルコール懸濁液を用いて、超音波でスクラッチされる（擦られる）。これらの手順は、ダイヤモンドの生成を促す、ダイヤモンド核サイトまたはシードを生成するように機能する（工程３３（ａ）および（ｂ））。ファイバ（または平坦なウェイブガイド）は、その後、洗浄され、化学蒸着（ＣＶＤ）装置（ＣＶＤ装置は図示せず）内のダイヤモンド生成のためのサンプルホルダにマウントされる。
【００４８】
本実施形態においては、ファイバの端面にダイヤモンドクリスタライト（結晶子、微結晶）を成長させるために、１．５ｋＷのマイクロ波ＣＶＤ装置（ＡｓＴｅｘ社製造）が用いられる（工程３４）。
【００４９】
サンプルが装置チャンバの内部にロードされた後、チャンバは排気され、負圧（たとえば１０−３Ｔｏｒｒ、必要であればさらに低くしてもよい）になる。サンプルは、誘導加熱器を用いて加熱される。本実施形態においては、たとえば、９９％水素、０．７％メタン、０．３％窒素の割合となるように、チャンバを水素とメタンと窒素とで満たす。チャンバは、ある圧力（たとえば３０Ｔｏｒｒ）まで加圧され、そして、この一定の割合および圧力となるように、ガスが流される。マイクロ波が装置のチャンバ内に導かれ、ガスを励起してプラズマを生成する。その時、プラズマの下、あるいは、わずかにプラズマが入った場所に置かれている基材に、ダイヤモンドが生成される。
【００５０】
ウェイブガイドの端面にダイヤモンド結晶を生成した後、それぞれの端面を、何もしていないウェイブガイドの端面とそれぞれ接合することにより、ダイヤモンド結晶を埋め込み、ウェイブガイドコアに埋め込まれたダイヤモンド結晶をもつ、光学ウェイブガイドの事実上継ぎ目の無いストランド（撚線、素線）を形成する（工程３６）。インデックス（屈折率）がマッチングしている接着剤や、フィンガー接合デバイスを使うことによりウェイブガイドを接合することも可能である。
【００５１】
形成された光子源は、５３２ｎｍレーザーのパルスといった、パルスレーザー源により操作される（工程３８、レーザーは図示せず）。ファイバのアウトプットでは、ポンプ周波数は、減衰フィルタまたは回折格子によりフィルタされる。ファイバコア上にダイヤモンドが位置しているため、ファイバに沿って一旦伝播したレーザーパルスをダイヤモンドに対してさらにアライメントする必要はない。この付随的な空間的なフィルタリングにより、コアに位置している色中心のみを励起することができる。単光子の放射を確かめるために、A. Beveratos at al, Phys. Rev. Lett. 89,187901 （2002）や、R. Brouri et al, Opt. Lett. 25,1294 （2000）で論じられている、アンチバンチング試験を実行してもよい。
【００５２】
図１に示された実施形態および上述したことに関する代わりの実施形態において、光子源は、エンタングル状態の光子を放射するように製造されてもよい。
【００５３】
図４は、本発明の他の実施形態にかかる製造中の光子源を示している。図４は、コア４２およびクラッディング４４を備える光学ウェイブガイド４０（光ファイバまたは平坦なウェイブガイドのいずれでもよい）を示している。凹部（窪み、穴、リセス）４６は、端面４８からコア４２内に向けてエッチングされたものである。たとえば、凹部は、ウェットエッチングプロセスを用いてエッチングすることができる。本実施形態において、コアマテリアルを優先的にエッチングするエッチングプロセスを用い、コア４２に凹部４６を形成している。本実施形態において、コア４２は、ゲルマニウムがドープされたシリカにより構成されており、クラッディング４４は、シリカにより構成されている。４８％フッ化水素酸溶液は、端面４８からコアを優先的にエッチングするために用いられる。コアとクラッディング材料とのエッチング割合は知られているため、凹部４６の深さをコントロールすることが可能である。
【００５４】
ダイヤモンド結晶４９は、その後、凹部４６内に生成される。本願発明者らは、ダイヤモンドマテリアルの核は、ＣＶＤ生成の間、主として、凹部４６の縁（角、エッジ）といった、縁の部分に生じることを確認した。したがって、コアの凹部は、端面４８が化学気相成長の化学気相に晒されたとき、コアまたはコアの近くにダイヤモンド結晶を主として生成するのに適している。端面４８は、その後、他の光ファイバ５２の端面５０と融合（溶融結合）され、凹部は、閉じられた空洞を形成し、この空洞の中に、ダイヤモンド結晶４９が配置される。ダイヤモンド結晶を取り囲む空洞の各端をミラーにすることにより、効率のよい光共振器を形成することができる。たとえば、ミラーは、空洞のいずれかの端のブラッグ格子を含む。
【００５５】
上で示したように、色中心からの光子の放射は、典型的には、等方性である。しかしながら、色中心がウェイブガイドに埋め込まれると、周辺媒体は等方性ではない。光ファイバのコアに沿った光信号の伝播は、ファイバを横断する伝播よりも優先され、色中心から放射された光子の伝播においても同様である。これは、ウェイブガイドの方向において、自発放射がより強くなることを意味している（この増幅は、パーセル効果によるものである）。本実施形態においては、色中心が凹部４６およびミラーにより形成された光共振器に配置されているため、コアの方向の自発光子放射はさらに増幅される。本実施形態において、光共振器は長く、大部分は空洞であるため、コアに沿った“空の空間”の有効強度が増加し、このため、コアに沿った方向に自発放射が増大する。このような共振増幅は、限られたパルスまたはコヒーレントな光子パルスを伝達するために特に有利である。
【００５６】
本発明の１つの具体的な実施形態において、上述した任意の光子源は、量子鍵配送システムの一部を形成する。量子鍵配送システムの操作についての一般的な説明は、参考文献 A. Beveratos at al, Phys. Rev. Lett. 89,187901 （2002）に示されている。
【００５７】
本発明は、個々の例を参照して説明しているが、この分野の当業者によって、本発明が多くの他の種類として実施可能であることが認められるだろう。たとえば、色中心は、窒素−空孔を含むものだけでなく、たとえばニッケルや窒素原子を含むものであってもよい。色中心の他の例は、参考文献“Optical Properties of Diamond”, A Data Handbook, Zaitsev, A. M. 2001, XVII, ISBN: 3-540-66582-X Springerに示されている。
【００５８】
さらに、色中心を有するマテリアルは、ダイヤモンドである必要はなく、また、ウェイブガイドの一部に置かれていなくてもよい。ダイヤモンド結晶である場合、結晶は、ナノ、マイクロ、単結晶、あるいは多結晶として提供されてもよい。たとえば、マテリアルは、ある層の上に配置されていてもよく、その層は、ウェイブガイド上に形成されたもの、他の場所に形成されたものであってウェイブガイドと機械的に結合されたもの、さらには、ウェイブガイドの中に埋め込まれたものであってもよい。
【００５９】
あるいは、ウェイブガイドは、ダイヤモンドといった、各色中心が形成され得るマテリアルから形成されたコアを含んでいてもよい。さらに、ウェイブガイドの全体がダイヤモンドで形成されたものであってもよい。
【００６０】
加えて、各色中心を備えるマテリアルは、ウェイブガイドに機械的に埋め込まれてもよい。たとえば、ウェイブガイドに孔をエッチングし、マテリアルをその孔に挿入し、その後、孔を閉じてもよい。
【００６１】
光子源は、このような光子源が要求される任意のアプリケーションのために使用できる。これは、量子鍵配送システムを含み、それだけでなく、リサーチの分野のアプリケーションおよび量子光学を含む他の光学分野のアプリケーションも含む。
【００６２】
さらに、従来技術の出版物を参考文献としていることは、その出版物がオーストラリアまたは他の国における、従来の一般的な知識の一部を構成することを認めているものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施形態にかかる光子源の概略的な断面図を示している。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、本発明の他の実施形態にかかる光子源の走査型電子顕微鏡写真を示している。
【図３】図３は、本発明のさらなる実施形態にかかる光子源の製造を説明するための図を示している。
【図４】図４は、本発明のさらに他の実施形態にかかる製造中の光子源の概略的な図を示している。
【図１】
2007526639.tif 000003
【図２】
2007526639.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007526639.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月16日(2006.2.16)
【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】
光学ウェイブガイドと、マテリアルとを備える光子源であって、
前記マテリアルは、少なくとも１つの色中心を備え、各色中心は、単一またはエンタングル状態の光子の放射のために設けられ、前記マテリアルは、当該マテリアルが前記光学ウェイブガイドに結合されるように生成され、使用の際に、各色中心によって放射された光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれる、光子源。
【請求項２】
単一またはエンタングル状態の光子を放射するために設けられた少なくとも１つの色中心を有するマテリアルと合体している光学ウェイブガイドを備え、
前記マテリアルは、使用の際に、各色中心から放射された光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれるように合体されている光子源。
【請求項３】
請求項１または２において、当該光子源は、単光子の源である、光子源。
【請求項４】
請求項１または２において、当該光子源は、エンタングル状態の光子の放射のために設けられている、光子源。
【請求項５】
請求項４において、少なくとも２つのエンタングル状態の光子を一緒に放射するように設けられた少なくとも２つの色中心を備えている、光子源。
【請求項６】
請求項４において、少なくとも１つの色中心であって、それ自身によりエンタングル状態の光子を放射するように設けられた、少なくとも１つの色中心を備えている、光子源。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド型構造を備えている、光子源。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンドマテリアルである、光子源。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドのコア領域の一部に生成している、光子源。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド結晶であり、各色中心は、窒素に関連した色中心を備えている、光子源。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記マテリアルは、ダイヤモンド結晶であり、各色中心は、ニッケルに関連した色中心を備えている、光子源。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、光ファイバである、光子源。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、平坦なウェイブガイドである、光子源。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、コア領域を備えており、このコア領域は、当該コア領域よりも低屈折率のコア周辺領域に取り囲まれている、光子源。
【請求項１５】
請求項１２または１３において、コア領域の周囲に設けられた多くの光閉じ込め要素を備えており、光が前記コア領域内に導かれるようになっている、光子源。
【請求項１６】
請求項１５において、前記コア領域は、固体であり、前記光閉じ込め要素は、コア周辺領域の屈折率の平均が前記コア領域よりも低屈折率となっている、光子源。
【請求項１７】
請求項１５において、前記光閉じ込め要素は、コア周辺領域に光子バンドギャップをもつような光子結晶ウェイブガイドが形成されることにより、設けられている、光子源。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイド内の空洞に配置されている、光子源。
【請求項１９】
請求項１８において、前記空洞は、前記ウェイブガイドのコア領域内に位置している、光子源。
【請求項２０】
請求項１８または１９において、前記空洞は、光共振器である、光子源。
【請求項２１】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２０のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記光学ウェイブガイドに埋め込まれている、光子源。
【請求項２２】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２０のいずれかにおいて、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの一部を形成している、光子源。
【請求項２３】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２２のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドは、各色中心を備えるダイヤモンドコアを有している、光子源。
【請求項２４】
請求項２または請求項２に従属する請求項３ないし２３のいずれかにおいて、前記ウェイブガイドの長さ方向の少なくとも一部は、ダイヤモンドで構成されている、光子源。
【請求項２５】
請求項２４において、前記ウェイブガイドの全体は、ダイヤモンドで構成されている、光子源。
【請求項２６】
請求項１ないし２５のいずれかに記載の光子源は、各色中心を光励起するように構成されている。
【請求項２７】
請求項１ないし２６のいずれかに記載の光子源は、各色中心を電気励起するように構成されている。
【請求項２８】
光子源を製造する方法であって、
光学ウェイブガイドを準備することと、
前記光学ウェイブガイドと隣接または結びつき、単一またはエンタングル状態の光子の放射のための少なくとも１つの色中心が内部に形成されるように、マテリアルを生成することとを含む、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって、
前記マテリアルは、当該マテリアルが前記光学ウェイブガイドと結合するように生成され、使用の際に、各色中心から放射された単光子の少なくともいくらかが前記光学ウェイブガイドに導かれる、方法。
【請求項３０】
請求項２８または２９において、前記光学ウェイブガイドと前記マテリアルとの直接結合が得られるように、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの一部に直に生成されている、方法。
【請求項３１】
請求項２８ないし３０のいずれかにおいて、さらに、前記光学ウェイブガイドに少なくとも１つの凹部を形成する工程を含む、方法。
【請求項３２】
請求項３１において、前記ウェイブガイドは、コアとコア周辺領域とを備え、前記少なくとも１つの凹部は、前記コア領域の、前記ウェイブガイドの端面に形成される、方法。
【請求項３３】
請求項３１または３２において、前記凹部は、前記コア領域のマテリアルを優先的にエッチングするエッチングプロセスを用いて、前記コア領域に当該凹部をエッチングすることによって形成される、方法。
【請求項３４】
請求項２８ないし３３のいずれかにおいて、前記マテリアルは、各色中心を有するダイヤモンド結晶を含んでいる、方法。
【請求項３５】
請求項２８ないし３４のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、化学気相成長（ＣＶＤ）を含む、方法。
【請求項３６】
請求項３１または請求項３１に従属する請求項３２ないし３５のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、各凹部による縁に前記マテリアルを生成することを含む、方法。
【請求項３７】
請求項３１または請求項３１に従属する請求項３２ないし３５のいずれかにおいて、前記マテリアルを生成する工程は、各凹部内に前記マテリアルを生成することを含む、方法。
【請求項３８】
請求項３７において、前記マテリアルは、前記ウェイブガイドの端面において生成されており、当該方法は、前記端面を、他のウェイブガイドの端面と接合させる工程を含む、方法。
【請求項３９】
請求項３７において、前記マテリアルは、端面の各凹部内に生成されており、当該方法は、前記端面と、他のウェイブガイドの端面とを接合させる工程を含み、各凹部を閉じて空洞を形成し、当該マテリアルが各色中心を有するようにする、方法。
【請求項４０】
光学ウェイブガイドを備える光子源を製造する方法であって、以下の工程を有する。
単一またはエンタングル状態の光子の放射のための少なくとも１つの色中心を形成可能なマテリアルが合体している光学ウェイブガイドを製造することと、
放射された光子の少なくともいくらかが、使用の際、前記光学ウェイブガイドに導かれるように、前記マテリアル内に各色中心を形成すること。
【請求項４１】
請求項４０において、前記光学ウェイブガイドは、コアと、このコアの一部を形成する前記マテリアルとを有している、方法。
【請求項４２】
請求項４０において、前記光学ウェイブガイドは、前記マテリアルにより構成されるコアを有している、方法。
【請求項４３】
請求項２８ないし４２のいずれかの方法により製造された光子源。
【請求項４４】
請求項１ないし２７のいずれかに記載の光子源を備える量子鍵配送システム。
【国際調査報告】
2007526639.tif 000007
2007526639.tif 000008