(57)【要約】【課題】自然放出光等のインコヒーレント光源を用いて、従来のレーザ励起によるSHG等と同等な波長変換が効率よく実現でき、かつその際に入力光波長等についての許容範囲も広くできる【解決手段】インコヒーレント光源2から出力される出力光は、光学結合系3を介して第1の非線形光学デバイス1に入力される。第1の非線形光学デバイスにおいて、インコヒーレント光源2の有する光スペクトル成分間でSFGが生じ、インコヒーレント光源2の中心光周波数の2倍の光周波数の短波長光が発生する。発生した短波長光を、光学結合系4を介して外部に出力する。【選択図】図１
2015114539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
nを2以上の整数とし、真空中の光速度をcとし、n次の光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0として、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長がλPMW(＝nc/f0)であるn次非線形光学効果を有する第1の非線形光学デバイスと、
該λPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と
を備え、
前記第1の非線形光学デバイスによって、前記インコヒーレント光に対するn次のSFGにより、波長λPMW/nのSFG光を発生させることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記第1の非線形光学デバイスは、2次非線形光学デバイスであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であり、
当該光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)によるSHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係を満たす
ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であり、
当該光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)によるSHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump＞0.7ΔfSHGの関係を満たす
ことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項５】
前記インコヒーレント光源は、インコヒーレント光を出力する複数の自然放出光源からの出力光を一か所に集光する構成とされており、
当該集光されたインコヒーレント光を前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項６】
前記インコヒーレント光源は、インコヒーレント光を出力する複数の自然放出光源を備え、
前記複数のインコヒーレント光源からの出力光を前記第1の非線形光学デバイス上の複数個所にそれぞれ照射してSFG光を出力させ、
当該複数箇所で発生したSFG光を集光して出力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光増幅器とを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光バンドパスフィルタとを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記インコヒーレント光源は、自然放出光源と光バンドパスフィルタと光増幅器とを備え、
前記自然放出光源から出力されるインコヒーレント光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記インコヒーレント光源は、自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光バンドパスフィルタとを備え、
インコヒーレント光である前記自由空間光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記インコヒーレント光源は、自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光バンドパスフィルタと光増幅器とを備え、
インコヒーレント光である前記自由空間光を前記光バンドパスフィルタで光スペクトル帯域の狭窄化を行って、前記光増幅器で増幅した後、前記第1の非線形光学デバイスに入力させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分を透過することでSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
光分離回路と
を備え、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタを経過後、前記第2の非線形光学デバイスに入力され、
前記第2の非線形光学デバイスにおいて、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換、あるいは3次非線形光学効果である自然4光波混合によって発生したシグナル光成分とアイドラー光成分から成る前記相関光子対を生成し、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する前記相関光子対が前記光リジェクションフィルタ、及び前記光分離回路によってシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分を透過することでSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次又は3次の非線形光学効果を発現する第2の非線形光学デバイスと、
波長変換光の光周波数f0よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する第1の光ハイパスフィルタと、
波長変換光の光周波数f0よりも低周波数側の光を選択的に反射する第2の光ハイパスフィルタと
を備え、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタを経過後、前記第2の非線形光学デバイスに入力され、
前記第2の非線形光学デバイスにおいて、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換、あるいは3次非線形光学効果である自然4光波混合によって発生したシグナル光成分とアイドラー光成分から成る前記相関光子対を生成し、
前記第2の非線形光学デバイスからの出力光は、前記第1の光ハイパスフィルタに入力され、前記第1の光ハイパスフィルタの反射光は、前記第2の光ハイパスフィルタに入力され、
前記第1の光ハイパスフィルタの透過出力からシグナル光成分が、前記第2の光ハイパスフィルタの反射出力からアイドラー光成分が、空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するtype-I型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と、
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記SFG光を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
前記光合分波器の第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の前記相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第1のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第1のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が光合分波器の第2のポート、第3のポート、前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するtype-I型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する光リジェクションフィルタと、
前記第2の非線形光学デバイスが発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の前記相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第4のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記偏光ビームスプリッタの第4のポートに前記光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第4のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１６】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタと、
2次非線形光学効果を発現するType-II型の第2の非線形光学デバイスと、
前記SFG光を除去する第1及び第2の光リジェクションフィルタと、
前記SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記SFG光を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
第1のポートから入力された前記SFG光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2、第3のポートへと入力され第4のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記第2の非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートに前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記第1の光リジェクションフィルタが接続され、
前記偏光ビームスプリッタの第4のポートに前記第2の光リジェクションフィルタが接続され、
前記光源装置からの出力光が前記光ハイパスフィルタ、及び前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力される前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が前記第2の非線形光学デバイスに双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記双方向に発生した相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいてそれぞれシグナル光成分、アイドラー光成分に偏光分離され、それぞれ第1のポート、第4のポートに出力され、
前記第1の光リジェクションフィルタおよび前記第2の光リジェクションフィルタから量子もつれ光子対が出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１７】
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(＝2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)を発生する2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
前記インコヒーレント光の光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタと、
光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する光ローパスフィルタと、
光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分を除去しSPDC光子対の波長成分のみを透過する光リジェクションフィルタと、
SPDCによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対をそれぞれ空間分離して出力する光分離回路と
を備え、
前記インコヒーレント光源からの出力光は前記光バンドパスフィルタによって光周波数f0/2近傍の光成分に帯域制限されたのちに前記2次非線形光学デバイスへと入力され、
前記2次非線形光学デバイスにおいて、入力されたインコヒーレント光成分を励起光とするSFG光を発生させ、当該SFG光を励起光としてSPDCを発現させて、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対を発生させ、
前記2次非線形光学デバイスからの出力光のうち、相関光子対波長成分以外の不要な波長成分は前記光ローパスフィルタ及び前記光リジェクションフィルタによって除去されることを特徴とする相関光子対発生装置。
【請求項１８】
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(＝2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)を発生する2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する光ローパスフィルタと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
前記インコヒーレント光の光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタで決まる透過インコヒーレント光帯域よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する第1の光ハイパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタで決まる透過インコヒーレント光帯域よりも低周波数側の光を選択的に反射する第2の光ハイパスフィルタと
を備え、
前記第1の光ハイパスフィルタの反射光は、前記第2の光ハイパスフィルタに入力され、
前記第1の光ハイパスフィルタの透過出力からシグナル光成分が、前記第2の光ハイパスフィルタの反射出力からアイドラー光成分が、空間分離されて出力される
ことを特徴とする相関光子対発生装置。
【請求項１９】
真空中の光速度をcとし、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)のための位相整合が実現されて最大強度の変換光が得られるときの変換光の光周波数をf0、位相整合波長あるいは擬似位相整合波長をλPMW(＝2c/f0)として、インコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、自然パラメトリック下方変換を発生するtype-I型の2次非線形光学デバイスと、
光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源と、
光周波数f0/2近傍の波長成分を透過する光バンドパスフィルタと、
光周波数f0近傍の波長成分のSFG光を除去する光ローパスフィルタと、
前記光バンドパスフィルタを透過するインコヒーレント光成分を除去する光リジェクションフィルタと、
前記2次非線形光デバイスが発生するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路と、
偏光子と、
前記偏光子を透過した前記インコヒーレント光成分の偏光を45度回転する偏光回転器と、
第1のポートから入力する前記インコヒーレント光成分を第2のポートに出力し、第2のポートから入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポートに出力する光合分波器と、
第1のポートから入力された光を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の光が各々第2、第3のポートへと入力され第1のポートへと偏光合成して出力する偏光ビームスプリッタと、
入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器と
を備え、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポートと第3のポートを結ぶループ経路に前記2次非線形光学デバイス、及び前記90度偏光回転器が配置され、
前記光合分波器の第1のポートと前記インコヒーレント光源の間に前記光バンドパスフィルタ、前記偏光子、前記偏光回転器が接続され、
前記光合分波器の第2のポートに前記偏光ビームスプリッタの第1のポートが接続され、
前記光合分波器の第3のポートに前記光ローパスフィルタと前記光リジェクションフィルタと前記光分離回路がこの順に接続され、
前記インコヒーレント光源からの出力光が前記光バンドパスフィルタ、前記偏光子、前記偏光回転器を経過後、前記光合分波器の第1のポート、第2のポートを経過し45度偏光として前記偏光ビームスプリッタの第1のポートに入力され、
前記偏光ビームスプリッタの第2のポート、第3のポートから出力された前記ループ経路を右回りおよび左回りに伝搬するインコヒーレント光成分が、前記2次非線形光学デバイスに双方向に入力され、前記2次非線形光学デバイスにおいてインコヒーレント光成分に対する第1及び第2のSFG光が発生するとともに、該SFG光に対するパラメトリック下方変換によりシグナル光とアイドラー光からなる第1及び第2の相関光子対を双方向に発生し、
前記双方向に発生した前記第1及び第2の相関光子対が前記偏光ビームスプリッタにおいて偏光合成され第1のポートに出力され、
偏光合成された前記相関光子対が前記光合分波器の第2のポート、第3のポート、前記光ローパスフィルタ、前記光リジェクションフィルタ、前記光分離回路を経過して量子もつれ光子対として出力される
ことを特徴とする偏光量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２０】
請求項１４又は１５に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記光リジェクションフィルタの前段もしくは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記第1光リジェクションフィルタの前段あるいは後段、もしくは前記第2光リジェクションフィルタの前段あるいは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２２】
請求項１９に記載の偏光量子もつれ光子対発生装置に、
更に、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に量子相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させるモード変換器を備え、
前記インコヒーレント光源は、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であって、
当該モード変換器は、前記インコヒーレント光のパルス幅よりも前記相対的な遅延時間差が十分大きく設定されており、前記光ローパスフィルタの前段もしくは後段に接続されている
ことを特徴とする時間位置量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２３】
前記モード変換器は、
第1のポートから入力された前記相関光子対を第2、第3のポートへと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力する第2の偏光ビームスプリッタと、
前記相関光子対の偏光を90度回転する第2の90度偏光回転器と、
第1のポートから入力された前記相関光子対を第2、第4のポートへ等分岐し、第3のポートから入力された前記相関光子対を第2、第4のポートへ等分岐するハーフミラーと
を備え、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第3のポートと前記ハーフミラーの第1のポートとが接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第2のポートと前記第2の90度偏光回転器と前記ハーフミラーの第3のポートとがこの順番に接続され、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第3のポートと前記ハーフミラーの第1のポートとの間の光路で生じる光遅延時間と、
前記第2の偏光ビームスプリッタの第2のポートと前記ハーフミラーの第3のポートとの間の光路で生じる光遅延時間が異なる
ことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の時間位置量子もつれ光子対発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インコヒーレント光源と非線形光学デバイスを備えた光源装置、並びにインコヒーレント光を励起光とする自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶等の非線形光学結晶を利用して構成される非線形光学デバイスを利用して、入力光波長のn分の一(nは2以上の整数)の波長の光を出力する光源装置は、短波長光源、あるいは既存の半導体レーザ等のレーザ光源では実現が難しい波長の光を発生させる光源として産業上の利用価値が高い。例えば、n＝2に相当する光第2高調波発生(Second Harmonic Generation、以下SHGと略す)は、光の3原色の一つである緑色光の発生に多く利用され、レーザテレビ、プロジェクター等のディスプレイ技術に利用されている。また、SHGを利用して光源を短波長化することで、光学記録メディアを高記録密度化することが可能である。
【０００３】
また、上述の装置から発生した短波長光を励起光として、2次非線形光学効果である自然パラメトリック下方変換(Spontaneous Parametric Down Conversion、以下SPDCと略す)によって相関光子対を発生する相関光子対発生装置、及びこれを用いた量子もつれ光子対発生装置についての報告がある(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1では、第1の周期的分極反転LiNbO3 (Periodically poled lithium noibate、以下PPLNと略す)導波路型デバイスにおいて波長1559 nmの入力レーザ光に対して779.5 nmのSHG光を発生させ、第2のPPLN導波路型デバイスにおいて、SHG光を励起光としたSPDCにより1.5μm波長帯の相関光子対を発生させ、時間位置量子もつれ光子対を発生させている。
【０００４】
同様の相関光子対発生装置は、3次の非線形光学効果である自然4光波混合(Spontaneous Four Wave Mixing、以下SFWMと略す)を利用しても実現できる。以下、SPDC及びSFWMを総称して、自然パラメトリック蛍光と呼ぶこととする。また、特に偏光量子もつれ光子対発生に特化した相関光子対発生装置を偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生に特化した相関光子対発生装置を時間位置量子もつれ光子対発生装置と区別して呼称することもある。
【０００５】
ここで、以後の説明における便宜のため、相関光子対、偏光量子もつれ光子対、及び時間位置量子もつれ光子対についてその定義をしておく。
【０００６】
非線形光学効果が発現する非線形光学結晶に励起光を入力すると、非線形光学結晶内で発現する非線形光学効果によって、例えば、シグナル光、アイドラー光等の、波数、角周波数、偏光状態、時間軸上での時間位置等に関して量子的な相関関係を有する変換光が発生する。相関光子対とは、このように量子相関を有する光子の対をいい、相関光子対発生装置とは相関光子対を発生させる装置を言う。
【０００７】
そして、偏光量子もつれ光子対とは、個々の光子の偏波は決定されていないが2光子間の偏波は互いに平行あるいは直交など確定した偏波相関を有している状態になっている光子対をいう。すなわち、偏光量子もつれ光子対は、光子対に対して複数存在する偏波の組み合わせが重ね合わさった状態にあり、光子対間に偏波相関がある相関光子対である。
【０００８】
一方、時間位置量子もつれ光子対とは、光子が存在し得る複数の時間スロットがあり、個々の光子はどこの時間スロットに存在するかは決定されていないが、2個の光子は必ず同一の時間スロットに存在するという状態になっている光子対をいう。すなわち、時間位置量子もつれ光子対は、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に相関がある相関光子対である。また、時間位置量子もつれ光子対は、2光子の発生時刻に関する測定において相関があるだけではなく、各光子が位相差0の重ね合わせ状態であるか，相対遅延時間τに相当する位相差をもった重ね合わせ状態であるかに対しても相関のある結果を示す。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Qiang Zhang, Hiroki Takesue, Sae Woo Nam, Carsten Langrock, Xiuping Xie, Burm Baek, M. M. Fejer, and Yoshihisa Yamamoto, "Distribution of Time-Energy Entanglement over 100 km fiber using superconducting single-photon detectors", Optics Express, vol 16, No. 8, pp. 5776-5781 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
多くの文献等に開示されているように、従来、SHG等の非線形光学効果を発現させるために専ら用いられてきた励起光源は、レーザ光源である。これは、レーザ光源が高い空間的及び時間的コヒーレンスを有し、このことが非線形光学効果を効率よく、すなわち、低い励起強度で高い変換効率を以って生じさせるのに有用であるからである。
【００１１】
ここで、空間的コヒーレンスとは、進行方向と垂直な方向（横方向）に波面が揃っているという性質をいい、時間的コヒーレンスとは進行方向(縦方向)に波面が揃っていることを意味する。光の進行方向に対して、幅広い波長成分を含むと、進行方向に波面をそろえることが難しくなるので、時間的コヒーレンスが実現されるためには、含まれる波長の幅が狭いことが要求される。すなわち、誘導放出光に基づく光増幅によるレーザ光源はこのような条件を満足しており高い空間的及び時間的コヒーレンスを有する光を出力するコヒーレント光源である。一方、ランプ、電球、蛍光灯、発光ダイオード、太陽光など、自然放出光に基づく、横方向にも縦方向にも波面が揃っていない光であるインコヒーレント光を出力する光源をインコヒーレント光源という。
【００１２】
一般に、レーザ光源を準備することは、自然放出光に基づくインコヒーレント光源を準備することに比べてより難しい。これは、レーザ光源を準備するには、誘導放出を効果的に起こさせるため、反転分布を実現する増幅物質と共に安定な光共振器をも必要とするからである。これに対して、インコヒーレント光は、自然界のいたるところに特別な準備もなく存在している。
【００１３】
非線形光学効果を効率よく実現させるためには、位相整合(phase matching)の実現が欠かせないが、位相整合条件は擬似位相整合(quasi-phase matching)も含めて、入力光や出力光の波長に非常に敏感である。そのため、励起レーザ光源の波長は十分に制御されていなければならない。更に、非線形光学デバイスの側でも位相整合を実現する入力光波長(位相整合する波長)に対して、十分に制御して動作させる必要がある。例えば、後述する本願発明者等による実験例によれば、素子長6 cmのPPLN導波路型デバイスを用いて、波長1.5μm近傍の入力光波長に対して擬似位相整合を実現してSHGを発生させる場合、許容される入力光波長の精度は約0.2nm程度と非常に狭い。このことはPPLN導波路型デバイスの側から言えば、その動作温度が約1.6℃の温度変動範囲内に制御されていなければならないことに相当する。以後、特に区別する必要性がない限り、擬似位相整合に対しても単に位相整合ということもある。
【００１４】
従って、自然放出光等のインコヒーレント光源を用いて、従来のレーザ励起によるSHG等と同等な波長変換が効率よく実現でき、かつその際に入力光波長等についての許容範囲も広くできるなら、より低コストで高効率な光源装置が実現される。更に、この光源装置を利用することにより低コストで高効率な相関光子対発生装置及び量子もつれ光子対発生装置を提供することが可能となる。
【００１５】
そこで、この発明の目的は、インコヒーレント光源と非線形光学デバイスを備え、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、非線形光学デバイスによって出力光の波長のn分の一の波長の変換光を生成して出力する光源装置、及びこの装置から出力される変換光を励起光とする自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置を提供することにあり、特に偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。また、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、光和周波発生(Sum Frequency Generation、以下SFGと略す)による波長変換光発生とSPDCとを単一の2次非線形光学デバイスで生じさせ、同様に、相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
インコヒーレント光が2次非線形光学デバイスに入力されると、インコヒーレント光に含まれる光周波数スペクトル成分間でSFGが発現し、インコヒーレント光の中心周波数の2倍(波長にして半分)の光周波数の短波長光が発生する。ここで、SHGは、SFGの特別な場合として含まれている。すなわち、SFGはインコヒーレント光の2つの低周波数スペクトル成分から1つの高周波数光が生成される過程であり、SHGはこの2つの低周波数スペクトル成分の周波数が等しい特別な場合である。
【００１７】
本願発明者は、2次非線形光学デバイスを用いた場合、インコヒーレント励起光源の光周波数スペクトルを与える曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線(以後、SHGカーブということもある)の半値全幅(以後、SHGバンド幅ということもある)ΔfSHGとの関係、及び、光差周波発生(Differential frequency generation、以下DFGと略す)の波長依存性の検討を通じて、次の知見を得た。
【００１８】
詳細な計算を行ったところΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係が満たされるとき、この発明の方式によるSFG変換効率が従来のSHG変換効率を上回ることを見出した。
【００１９】
また、Δfpump＞0.7ΔfSHGの関係が満たされると、従来のコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件より、この発明の方式によるインコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件が緩和されるという知見が得られた。
【００２０】
そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の光源装置が提供される。
【００２１】
この光源装置は、nを2以上の整数として、位相整合波長がλPMWであるn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスと、λPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光源とを備え、このインコヒーレント光源から出力されるインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、このインコヒーレント光に対するn次の光和周波発生により、波長λPMW/nの和周波光を発生させることを特徴とする。
【００２２】
波長変換効率を高くするためには、インコヒーレント光の光周波数スペクトル特性を与える光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump≦1.2ΔfSHGの関係を満たすのが好ましい。
【００２３】
位相整合条件を緩和するには、インコヒーレント光の光周波数スペクトル特性を与える光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光の光周波数に対するSHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとがΔfpump＞0.7ΔfSHGの関係を満たすのが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の光源装置によれば、インコヒーレント光源から出力されるλPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光が、n次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスに入力される構成とされているので、波長がλPMW/nの変換光を発生させることが可能である。
【００２５】
そして、2次非線形光学デバイスを用いた場合、光周波数曲線の半値全幅Δfpumpと、SHG光強度を与える曲線の半値全幅ΔfSHGとの関係を、上述のように狭くしあるいは広くすることによって、従来のコヒーレント光源を利用する光源装置に比べて、波長変換効率を高くすることも、位相整合条件を緩和することも可能である。
【００２６】
従ってこの発明の光源装置によれば、レーザ光源に代えてインコヒーレント光源を準備することで済み、光源の調達を容易にする。そして、高価なコヒーレント光源を必要としないことから、低コストで光源装置を実現することが可能となる。すなわち、光源装置がインコヒーレント光源を利用して構築可能となったことから、従来のコヒーレント光源を必要とする光源装置以外の装置が設計可能となったことで、光源装置に対する設計の自由度の増大に貢献することができる。
【００２７】
また、この発明のインコヒーレント光源を利用する光源装置、あるいはこの発明のインコヒーレント光源を利用して、波長変換効率を高くする技術あるいは位相整合条件を緩和する技術を応用すれば、自然パラメトリック蛍光によって相関光子対を発生させる相関光子対発生装置を実現することが可能であり、特に偏光量子もつれ光子対発生装置、あるいは時間位置量子もつれ光子対発生装置を実現することが可能となる。更に、インコヒーレント光源からの出力光を利用して、同様に、相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、時間位置量子もつれ光子対発生装置を実現することが可能となる。
【００２８】
すなわち、相関光子対発生装置がインコヒーレント光源を利用して構築可能となったことから、従来のコヒーレント光源を必要とする相関光子対発生装置に加えて、インコヒーレント光源を利用して実現される装置の設計が可能となったことで、相関光子対発生装置に対する設計の自由度の増大に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第1の光源装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図２】SHGバンド幅ΔfSHG及び入力光スペクトル幅Δfpumpについての説明に供するグラフである。
【図３】入力光の光電場の振幅を微小周波数Δfごとに2N個に分割して表示した光周波数スペクトルを示す図である。
【図４】本願発明の波長変換によるSFG光強度と従来方式の波長変換によるSHG光強度との比、及び本願発明の波長変換によるSFGスペクトル幅の入力光スペクトル幅依存性についての説明に供する図である。
【図５】入力光スペクトル幅の変化に応じた、SFG光強度の入力光強度依存性の測定結果を示す図である。
【図６】入力光強度一定の下で入力光スペクトル幅に対する、PSFG/PSHG比及びSFG光スペクトル幅を評価した実験結果を示す図である。
【図７】中心光周波数、f0/2からのずれ量δpに対する許容度を評価するために行った、入力光強度を固定しデバイスの動作温度を変化させたときのSFG光強度の変化についての実験結果を示す図である。
【図８】本願発明の光源装置に利用されるインコヒーレント光源の構成例について概略的に示すブロック構成図である。
【図９】この発明の第2の光源装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図１０】第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた励起光を用いた第1の相関光子対発生装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図１１】第1の相関光子対発生装置において、SFWMを利用する場合に好適な光リジェクションフィルタ及び光分離回路の概略的ブロック構成図である。
【図１２】type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例を概略的に示すブロック構成図である。
【図１３】type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の他の構成例を概略的に示すブロック構成図である。
【図１４】type-II型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例を概略的に示すブロック構成図である。
【図１５】第2の相関光子対発生装置の実施形態の基本構成を概略的に示すブロック構成図である。
【図１６】第2の相関光子対発生装置において、SFWMを利用する場合に好適な光リジェクションフィルタ及び光分離回路の概略的ブロック構成図である。
【図１７】type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の他の構成例を概略的に示すブロック構成図である。
【図１８】モード変換器の構成例を概略的に示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図1〜図18を参照してこの発明の光源装置、並びに相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生に特化した偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生に特化した時間位置量子もつれ光子対発生装置の実施形態につき説明する。以下の説明において、特定の素子及び動作条件等を取り上げることがあるが、これら素子及び動作条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、光源装置、並びに相関光子対発生装置、偏光量子もつれ光子対発生装置、及び時間位置量子もつれ光子対発生装置の概略的構成を示す図のそれぞれは、この発明に係る装置の全体あるいは一部の構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。
【００３１】
＜第1の光源装置＞
≪１≫
図1を参照して、この発明の光源装置の実施形態の第1の光源装置について説明する。第1の光源装置は、位相整合波長がλPMWである2次非線形光学効果を有する第1の非線形光学デバイス1と、このλPMWの波長成分を含む連続的な光周波数スペクトル(以後、単に光スペクトルと略することもある)を有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源2とを備えている。そして、このインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、インコヒーレント光に対する2次の非線形光学効果により、波長λPMW/2の和周波光を発生させる。
【００３２】
インコヒーレント光源2から出力される出力光は、レンズ等で構成される光学結合系3を介して第1の非線形光学デバイス1に入力される。第1の非線形光学デバイス1において、インコヒーレント光源2の有する光スペクトル成分間でSFGが生じ、インコヒーレント光源2の中心光周波数の2倍の光周波数の短波長光が発生する。発生した短波長光を、必要であればレンズ等で構成される光学結合系4を介して外部に出力し、実用に供する。
【００３３】
ここで、第1の非線形光学デバイス1において、従来技術のように単一波長のレーザ光を入力してSHG光を発生させるときに、位相整合が実現されて得られる最大強度のSHG光の光周波数をf0とする。このときの入力単一波長レーザ光(励起光)の光周波数はf0/2である。一般的に、このときの入力単一波長レーザ光の光周波数を波長に換算した値2c/f0は位相整合波長(λPMW)と呼ばれる。ここで、cは真空中での光速度である。なお、SHG光の光周波数f0は、最大強度のSHG光が得られるときのSHG光の光周波数に相当し、このf0を波長に換算するとλPMW/2に相当する。
【００３４】
図2(A)及び(B)を参照して、SHGバンド幅ΔfSHG及び入力光スペクトル幅Δfpumpについて説明する。図2(A)はSHG光周波数に対するSHG光強度の関係(SHGカーブ)を示すグラフであり、図2(B)は入力励起光周波数に対する光周波数スペクトル強度の関係(インコヒーレント光源の光周波数スペクトル)を示すグラフである。図2(A)に示すように、入力単一波長レーザ光の波長(又は光周波数)を変えた場合に、SHG光強度が上述した最大SHG光強度の半分以上得られるときのSHG光の光周波数の可変範囲(半値全幅)をSHGバンド幅ΔfSHGとする。よく知られているようにSHGカーブは一般的にsinc関数の2乗で与えられる形状をもつ。また、図2(B)に示すように、インコヒーレント光源の光周波数スペクトルは、光周波数がf0/2の成分を含んでその周りに広がった連続的な光スペクトルであるものとする。この光スペクトルの半値全幅を入力光スペクトル幅Δfpumpとする。
【００３５】
インコヒーレント光源の光周波数スペクトルを与える曲線は、光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して対称であることがもっとも望ましい。また、詳細は後述するが、その光スペクトルの入力光スペクトル幅Δfpumpは、SHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGと同程度あるいはそれより狭いことが望ましい。しかしながら、この第1の光源装置によって得られる効果の一部を実現するためには、これらの条件は必ずしも必要とされない。
【００３６】
次に、図2(B)に示す光周波数スペクトルを有するインコヒーレント光によって発生するSHG及びSFGについて考察する。
【００３７】
まず、SHGについて、発生するSHG光の光周波数をfとすると、このSHG光は入力光の光周波数成分のうち、光周波数f/2の成分からしか発生しない。入力光は連続的なスペクトル形状を有するので、このような周波数成分は全スペクトル成分のうちのごくわずかでしかなく、そのため発生するSHG光は、後述するSFG光に比べて非常に弱い。
【００３８】
一方、SFGについて、SFG光の光周波数をfとすると、このSFG光は入力光の光周波数成分のうち、光周波数(f/2)+δfの周波数成分と光周波数(f/2)-δfの周波数成分から発生する。δfの組み合わせは、光スペクトル帯域の範囲内で無数に存在するため、SFG光は基本的にSHG光より非常に強い強度で発生する。
【００３９】
すなわち、この第1の光源装置で発生する短波長光はSFGによるもので、SHGによるものはほとんど無いものと考えてよい。
【００４０】
≪２≫
次に、SFGによって発生する短波長光の強度について考察する。
【００４１】
まず、簡単のために、入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを微小周波数Δfごとに2N個に分割して考察する。図3に、横軸に光周波数をとり、縦軸に光電場の振幅の大きさをとって、微小周波数Δfごとに2N個に分割した入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを示す。各光周波数領域における単位周波数あたりの光電場の振幅をer（r＝-N, -N+1, -N+2, …, -1, 1, 2, …, N）とする。
【００４２】
ここで、rの順番は、光周波数f0/2より高周波数側の領域を中心から順に、1, 2, …, Nとおき、光周波数f0/2より低周波数側の領域を中心から順に、-1, -2, …, -Nとおく。微小周波数Δfが十分に小さければ、r番目の光電場の振幅erの光と-r番目の光電場の振幅e-rの光とが、光周波数f0のSFG光を発生すると考えてよい。(er, e-r)の組み合わせはN通りあるので、結果、SFGによって光周波数f0で発生する単位周波数あたりの非線形分極をp(f0)とおくと、次式(1)となる。ここで、dはSHGテンソル、krはr番目の光電場の振幅がerである光の波数であり、φrはr番目の光電場の振幅がerである光の相対位相である。
【００４３】
【数１】
2015114539.tif 000003
【００４４】
上述の式(1)を結合モード方程式に代入して解けば、SFG光強度の計算ができる。ここで簡単のために、入力光、SFG光の伝搬損失をゼロ、また、入力励起光の減衰もないものとすれば、光周波数f0で発生する単位周波数値のSFG光の光電場の振幅ef0は次式(2)で与えられる結合モード方程式に従う。
【００４５】
【数２】
2015114539.tif 000004
【００４６】
ここで、ΔkrはΔkr≡kf0−kr−k-r−Kと定義される位相不整合量を表し、kf0はSFG光の波数である。また、Kは擬似位相整合のための分極反転周期に対応したパラメータであり、分極反転周期Λに対してΛ/2πで与えられる。更に、Aは屈折率等を含む比例係数である。
【００４７】
ここで便宜のために、全ての（er、e-r）の組み合わせに対して位相整合が成り立っているとする。すなわち、Δkr＝0であるとする。後述するように、この仮定は妥当性がある。式(2)を解けば、次式(3)が得られる。ここで、Lはデバイス長である。
【００４８】
【数３】
2015114539.tif 000005
【００４９】
さて、発生するSFG光は｜ef0｜2に比例するため、単位周波数あたりのSFG光強度をiSFG(f0)とおけば、iSFG(f0)は次式(4)で与えられる。ここで、Bは誘電率等を含む比例係数である。
【００５０】
【数４】
2015114539.tif 000006
【００５１】
式(4)の右辺の最後の(Σ)×(Σ)なる積において、入力光がインコヒーレント光であるために、位相φrはランダムに揺れている。それゆえに、r≠mなる積の項の時間平均値はゼロとなり、結果として式(4)は、次式(5)となる。
【００５２】
【数５】
2015114539.tif 000007
【００５３】
ここで、｜er｜2は入力光の単位周波数あたりのスペクトル強度ir(スペクトル密度)に比例することを考慮すれば、式(5)は、次式(6)となる。ここで、Cは比例係数である。
【００５４】
【数６】
2015114539.tif 000008
【００５５】
いま、入力光スペクトルが、f0/2を中心としたピークスペクトル強度がI0であり、半値全幅(入力光スペクトル幅)がΔfpumpであるガウス曲線型であるとする。つまり、スペクトル強度波形は、次式(7)で与えられるとする。
【００５６】
【数７】
2015114539.tif 000009
【００５７】
このとき、入力光の光電場の振幅の光周波数スペクトルを2N個に分割したときの分割幅に当たる微小周波数Δfが十分に小さければ、次式(8)で与えられるようになる。
【００５８】
【数８】
2015114539.tif 000010
【００５９】
また、入力光の平均強度Ppumpは、次式(9)で与えられる。
【００６０】
【数９】
2015114539.tif 000011
【００６１】
式(8)及び(9)を式(6)に代入すると、次式(10)が得られる。
【００６２】
【数１０】
2015114539.tif 000012
【００６３】
入力インコヒーレント光は連続スペクトルを有するから、様々な周波数成分のSFG光が発生する。詳細は後述するが、SFG光のスペクトル形状は、ΔfpumpがΔfSHGに比べて十分広ければ、図2(A)に示すような半値全幅がΔfSHGのsinc2関数となる。すなわち、SHGカーブと一致する。SFG光の全強度PSFGは、式(10)のピーク強度を有し、半値全幅ΔfSHGのsinc2関数の全積分値で与えられるからsinc2関数の性質を使って次式(11)が得られる。
【００６４】
【数１１】
2015114539.tif 000013
【００６５】
式(10)及び(11)から、SFG光の強度PSFGと入力光の強度Ppumpは次式(12)で与えられる関係をもつ。
【００６６】
【数１２】
2015114539.tif 000014
【００６７】
同様の議論を、従来の単一波長レーザ光励起によるSHGに適用した場合、位相整合が取れているときのSHG光強度PSHGと入力光強度Ppumpとの関係は、次式(13)で与えられる。
【００６８】
【数１３】
2015114539.tif 000015
【００６９】
式(12)と式(13)とを比較すれば次のことが言える。すなわち、入力光の光スペクトル幅ΔfpumpがSHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGの1.5倍であるとき、第1の光源装置は、従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置と同等の変換効率を有する。そして、入力光の光スペクトル幅Δfpumpがこれより狭い場合、第1の光源装置は、従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置よりも高い変換効率を有する。つまり、第1の光源装置は、同じ励起光強度に対して得られる短波長光強度は強いものとなる。
【００７０】
以上の議論は、第1の光源装置に対して近似的な特性をよく説明するが、より厳密な議論が必要である。例えば、式(12)によれば、入力光の光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFG光強度は無限大に発散するが、現実にはこのようなことは起こらない。それは、入力光の光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFGスペクトルもまたそれに応じて狭くなっていくからである。このため実際には、以下の計算結果が示すように、第1の光源装置が従来のレーザ光励起によるSHGによる光源装置と同等の変換効率を有するのは、入力光の光スペクトル形状がガウス曲線で与えられる場合、入力光の光スペクトル幅ΔfpumpがSHGカーブのSHGバンド幅ΔfSHGの約1.2倍であるときになる。
【００７１】
そこで、より厳密な理論的考察を行う。これまでの近似的議論を参照すれば、光周波数fでの単位周波数あたりのSFG光強度iSFG(f)は、位相不整合の効果も考慮して次式(14)で表される。
【００７２】
【数１４】
2015114539.tif 000016
【００７３】
ここで、Sin(x)は光周波数xでの入力光の単位周波数あたりでのスペクトル強度である。また、位相不整合量Δは、次式(15)で与えられる。
【００７４】
【数１５】
2015114539.tif 000017
【００７５】
また、全SFG光強度PSFGは次式(16)の全積分で与えられる。
【００７６】
【数１６】
2015114539.tif 000018
【００７７】
ここで、入力インコヒーレント光のスペクトル帯域内で、第1の非線形光学デバイス1(2次非線形光学デバイス)の屈折率の波長依存性が線形であると仮定する。すなわち、屈折率が、a及びbを定数とし、波長λの関数として次式(17)で近似されるとする。
n＝aλ＋b              (17)
【００７８】
このとき、光周波数f、(f/2)+x、(f/2)-xに対応する波長を、それぞれλf、λ(f/2)+x、λ(f/2)-xとして、SFGのエネルギー保存則
(１/λf)＝(１/λ(f/2)+x)＋(１/λ(f/2)-x）
を利用すれば、光周波数f、(f/2)+x、(f/2)-xに対応する波数を、それぞれkf、k(f/2)+x、k(f/2)-xとして、位相不整合量Δは、
Δ≡kf−k(f/2)+x−k(f/2)-x−K＝（2π/λf)−4πa−(2πb/λf)−K
となり、位相不整合量Δはxに無依存になり、式(14)におけるsinc2関数の部分は積分の外に出せる。また、この位相不整合量Δは、光周波数f/2に対応する波長及び波数を、それぞれλf/2及びkf/2として、
Δ≡（2π/λf)−4πa−(2πb/λf)−K＝(2π/λf)−4πa−(4πb/λf/2)−K＝kf−2kf/2−K
ともおけるので、SHGカーブにおける位相不整合量とも等しい。ただし、ここで、
１/λf＝2/λf/2であることを用いた。
【００７９】
上述の屈折率の線形近似性は、例えば、DFGの変換効率の波長依存性からその妥当性が評価できる。すなわち、上述の線形近似が成り立つ範囲では、位相整合が成り立つために変換効率が変化しない。例えば文献Ａ（Tadashi Kishimoto and Koji Nakamura, “Periodically Poled MgO-doped Stoichiometric LiNbO3 Wavelength Converter With Ridge-Type Annealed Proton-Exchanged Waveguide", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, No. 3, pp. 161-163 (2011) ）に開示されている、本願の発明者等の実験結果によれば、素子長6 cmのPPLN導波路型デバイスでは、典型的におおよそ60 nm程度の波長範囲で変換効率は変化しないことがわかっている。従って、入力光のスペクトル帯域がこの程度であれば、上述の線形近似が成り立ち、以下に示す議論が成り立つと仮定してよい。
【００８０】
上述の厳密な理論的考察と同様に、入力光が半値全幅Δfpumpのガウス曲線で与えられるスペクトル形状を有しているとする。また、その中心光周波数が、f0/2からδpずれているものとする。また、sinc2関数部分については、それがSHGカーブと一致し、半値全幅がΔfSHGであることから、次式(18)で表現される。
【００８１】
【数１７】
2015114539.tif 000019
【００８２】
以上の仮定から、式(14)の積分を実行すると、単位周波数あたりのSFG光の強度iSFG(f)は、次式(19)となる。
【００８３】
【数１８】
2015114539.tif 000020
【００８４】
同様に従来のレーザ光を用いたSHGの場合のSHG光強度PSHGは、次式(20)で与えられる。
【００８５】
【数１９】
2015114539.tif 000021
【００８６】
式(10)と式(19)とを比較して、式(19)の右辺最後の項が、入力光のスペクトル帯域が狭くなったときのSFGスペクトルの狭窄化を示す。また同じく、入力光の中心光周波数の最適値(f0/2)からのずれの効果を示す。
【００８７】
≪３≫
次に、式(16)、(19)、(20)を用いて、第1の光源装置によるSFG光強度と、従来の単一波長レーザ光励起によるSHG光強度との比PSFG/PSHGの入力光スペクトル幅依存性を計算した結果を図4(A)及び(B)に示す。図4(A)は横軸に入力光バンド幅比Δfpump/ΔfSHGをとり(ΔfSHGで規格化してある)、縦軸にSFG光強度/SHG光強度の比(PSFG/PSHG)をとってある。図4(B)は横軸に入力光バンド幅比Δfpump/ΔfSHGをとり、縦軸にSFGバンド幅/SHGバンド幅の比ΔfSFG/ΔfSHG(ΔfSHGで規格化してある)をとって示してある。また、δp＝０の理想的な場合を仮定している。
【００８８】
図4(A)に示すように、本願発明の波長変換方式が従来のコヒーレント光源を用いるSHGによる方式より高変換効率になるのは、入力光スペクトル幅がSHGバンド幅ΔfSHGの約1.2倍以下となるときであることがわかる。ここで、PSFG/PSHG＝1となる入力光スペクトル幅を臨界スペクトル幅と呼ぶ。
【００８９】
この臨界スペクトル幅は、入力光のスペクトル形状に依存する。図4(A)には、入力光スペクトルが矩形波形（点線）である場合と、ローレンツ波形（一点鎖線）である場合の計算結果も示している。臨界スペクトル幅はそれぞれ、約1.6倍（矩形）、約0.45倍（ローレンツ波形）と見積もられた。すなわち、スペクトル形状が急峻になるほど臨界スペクトル幅は広くなる（より広いスペクトル幅で変換効率の逆転現象が生じる）。これは、スペクトルが急峻になるほど中心部のスペクトル密度が高くなり、そしてSFG光強度はスペクトル密度の2乗に比例するからである。
【００９０】
いずれの波形においても、PSFG/PSHGの最大値は2に収束していく。式(19)においてδp＝０（ずれなし）で、入力光スペクトル幅がSHGバンド幅に比べて狭くなってくると、式(19)におけるsinc2関数部分は近似的に1とおけ、結果SFGスペクトルの形状は半値全幅 のガウス波形に近似される。そして、このときの全SFG光強度PSFGは、次式(21)で与えられる。
【００９１】
【数２０】
2015114539.tif 000022
【００９２】
すなわち、入力光スペクトルの帯域狭窄化による、従来のSHG方式に対する変換効率の改善は、最大2倍で収束することがわかる。
【００９３】
δpがゼロでない場合、SFG光強度は低下する。δpがゼロでないことは、入力光スペクトルが光周波数f0/2を中心として光周波数軸に関して非対称であることを意味する。すなわち、本発明の効果を最大化するには、入力光スペクトルはf0/2を中心として光周波数軸に関して対称であることが最も望ましい。しかしながら一方で、入力光スペクトルの帯域が十分広いと、式(19)の右辺最後のExp{  }の部分は、δpがある程度大きくなっても1からあまり変化しない。このことは、δpに対する許容度が高くなることを意味する。
【００９４】
式(19)から、SFG光強度が約半分になるδpの許容度はおおよそΔfpump/(21/2)であり、入力光スペクトル幅に比例して増加する。一方、従来方式のレーザ光励起によるSHGの場合、式(20)から、δpに対する許容度はΔfSHGの半分程度である。従って、Δfpump＞ΔfSHG/(21/2)≒0.7ΔfSHGの関係が満たされると、従来のコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件より、この発明の方式によるインコヒーレント光源によって得られるSHG変換に求められる位相整合条件が緩和される。
【００９５】
これらのことは、第1の光源装置においては入力光スペクトルの帯域を十分広くすれば、入力光スペクトルの中心周波数がずれていても変換効率を一定に保つことができることを意味する。さらにまた、非線形光学デバイスの、例えば温度が変化して、f0の値が変化しても、変換効率の低下を小さくできることを意味する。一方、従来のレーザ光励起によるSHGでは、入力レーザ光の波長や非線形光学デバイスの温度に非常に敏感であり、これらは精密に制御される必要があった。
【００９６】
以上の議論を一見すると、従来方式のレーザ光励起による波長変換を用いた場合であっても、入力レーザ光が縦多モードレーザであり、十分なスペクトル広がりを持っていれば、第1の光源装置と同様な変換効率の増加やδpに対する許容度増加の効果が得られるように思える。しかしながら下記に述べる理由によりこのような効果は生じない。
【００９７】
すなわち、例えば入力レーザ光が縦多モードレーザであり、N本のレーザ発振モードを有しており、そのうち一本がf0/2に一致するとする。この時、この一致した発振モードに対してSHGが生じ、ほかの縦モード間でSFGが生じる。レーザ光の全強度をPとすれば、各縦モードの強度は高々P/Nである。またSFGを生じる縦モードの組み合わせは(N-1)/2である。結果、SFGとSHGのトータルの強度は高々次式(22)で与えられ、単一縦モードレーザで励起した場合の値と同じである。
【００９８】
【数２１】
2015114539.tif 000023
【００９９】
また、上述の議論は各縦モードが同じ周波数間隔で並んでかつ同位相であった場合である。一般的な縦多モードレーザはこのようになっておらず、効率はより低下する。
【０１００】
さらにまた、δpが与えられたとき、これがΔfSHGを超えて大きければ、位相不整合が大きいためにSHGは生ぜず、同じくSFGも生じない。すなわち、δpに対する許容度は結局、単一縦モードレーザで励起した場合と変わらない。すなわち、第1の光源装置の効果は入力光が連続的なスペクトルを有するインコヒーレント光源であるために生じ、共振器構造で決まる離散的なスペクトル構造を有する縦多モードレーザを用いては第1の光源装置の効果を得ることはできない。
【０１０１】
次にSFG光のスペクトル幅について考察する。図4(B)には、SFG光のスペクトル幅の入力光スペクトル幅依存性の計算結果を示す。図4(B)でも上述したように、図4(A)と同様に横軸の入力光スペクトル幅はSHGバンド幅ΔfSHGで規格化してある。また縦軸のSFG光スペクトル幅もSHGバンド幅ΔfSHGで規格化してある。またδp＝0の理想的な場合とした。
【０１０２】
入力光スペクトル幅Δfpumpが十分広い場合、SFGスペクトル幅はほぼSHGバンド幅ΔfSHGと同じで変化がない。これは式(19)において、Δfpump≫ΔfSHGとした場合、SFGスペクトル形状はSHGカーブとほぼ一致することから理解できる。入力光スペクトル幅Δfpumpが狭くなっていくとSFGスペクトル幅も狭くなっていく。これは単調減少でありその結果、SFGスペクトル幅がSHGスペクトル幅より広くなることはない。
【０１０３】
後述するように、例えば長さ6 cmのPPLN導波路型デバイスを用いた場合、SHGバンド幅は約0.1 nm（光周波数で50GHz）程度と狭い。この値は、いわゆる分布帰還型半導体レーザ(Distributed Feedback laser)などの縦単一モードレーザのスペクトル幅（典型的には数百kHz〜MHz）に比べれば広いが、一方、ファブリペローレーザなどの縦多モードレーザのスペクトル幅（数nm）に比べれば非常に狭い。すなわち、第1の光源装置によれば、通常のレーザ光や、あるいはまたレーザ光のSHGで得られる波長変換光と遜色のない、高い時間コヒーレンスを持った波長変換光を出力することができる。
【０１０４】
本願の発明者は、以上で述べた理論的考察を実証するための実証実験を行った。実験に用いたのは、上述の文献Ａで述べられているのと同様なPPLN導波路型デバイスである。素子長6 cm、および2 cmのデバイスに対して評価を行った。
【０１０５】
素子長6 cmのデバイスは、温度41.5℃での疑似位相整合波長（＝2c/f0）は1551.05 nm、このときのSHG変換効率は約650 %/Wであった。またSHGバンド幅（ΔfSHG）は約50 GHz（波長にして0.1 nm）であった。一方、素子長2 cmのデバイスは、温度25.0℃での疑似位相整合波長は1548.54nm、このときのSHG変換効率は約62 %/Wであった。またSHGバンド幅（ΔfSHG）は約150 GHz（0.3 nm）であった。
【０１０６】
インコヒーレント光源としては市販のエルビウム添加光ファイバ増幅器（Er3+-doped fiber amplifier、以下EDFAと略す）が発生する増幅自然放出雑音光（Amplified Spontaneous Emission、以下ASE光と略す）を用いた。EDFAからのASE光を、様々な透過帯域幅を有する光バンドパスフィルタを通過させることで、入力光源の入力光スペクトル幅を変化させた。また入力光強度依存性などの諸特性を測定するために、EDFAや光バンドパスフィルタを複数個多段接続して使用した。
【０１０７】
また従来のレーザ光励起によるSHG方式のリファレンスとして、単一波長半導体レーザを利用したSHG発生実験も行った。用いたレーザ光源は、市販の波長可変単一波長半導体レーザ光源であり、線幅が100 kHz程度の典型的な単一波長レーザ光源である。
【０１０８】
なお以下の実験では、PPLN導波路型デバイスとしては偏光保持光ファイバピグテールを両端面に結合させて光モジュール化したものを用いた。以下でいう入力強度は、ファイバピグテールへの入力強度である。また、SFG光強度ないしはSHG光強度はファイバピグテールからの出力強度である。従って、実際にデバイスへ入出力される入力光強度、SFG（あるいはSHG）強度は、今回の実験値とは異なるが、それぞれの相対値の評価で第1の光源装置の実証実験としては十分である。
【０１０９】
≪４≫
次に、図5を参照して、素子長6 cmのデバイスに対し、入力光スペクトル幅を変化させた場合の、SFG光強度の入力光強度依存性の測定結果について説明する。なお図中で入力光スペクトル幅は波長領域での値に換算してある。なお図中点線は、レーザ入力によるSHG発生の場合の結果である。SHGの場合のレーザ光波長、及びASE光入力による本発明のSFGによるときの中心波長はいずれも疑似位相整合波長に一致させた。なお、図5において、入力光スペクトル幅が0.128 nmに対して■で示し、入力光スペクトル幅が0.45 nmに対して▲で示し、入力光スペクトル幅が0.84 nmに対して●で示し、入力光スペクトル幅が2.6 nmに対して□で示し、入力光スペクトル幅が5.15 nmに対して△で示し、入力光スペクトル幅が14.55 nmに対して○で示してある。
【０１１０】
いずれのスペクトル幅においてもSFG光強度は入力光強度の2乗に比例する。一方、同じ励起光強度では、発生するSFG光強度は、入力光スペクトル幅が狭くなるほど増加した。特に、入力光スペクトル幅が約0.45 nm （光周波数にして約56 GHz）の時、SFG光強度は従来例のレーザ入力によるSHG光強度とほぼ一致した。この入力スペクトル幅は、SHGバンド幅（50 GHz）の約1.13倍であり、先に述べた理論結果とよく一致した。さらに入力光スペクトル幅を0.45 nmより狭くすると、第1の光源装置によるSFG光強度は従来方式の光源装置によるSHG光強度よりも高くなり、第1の光源装置の効果を裏付ける結果が得られた。
【０１１１】
同様の実験を素子長2 cmの素子に対して実行した結果、入力光スペクトル幅が約1.3 nm （光周波数にして約162.5 GHz）のとき、SFG光強度は従来例のレーザ入力によるSHG光強度とほぼ一致した。この入力スペクトル幅は、SHGバンド幅（150 GHz）の約1.08倍であり、やはり理論結果とよく一致した。同じく、入力光スペクトル幅を1.3 nmより狭くすると、SFG光強度は従来方式のSHG光強度よりも増加した。
【０１１２】
図6(A)及び(B)は、入力光強度一定(0 dBm)で評価した実験結果を示している。図6(A)は入力光スペクトル幅に対するPSFG/PSHG比を示し、図6(B)は入力光スペクトル幅に対するSFG光スペクトル幅の関係を示している。図6(A)及び(B)のいずれにおいても横軸にはnm単位で目盛って入力光スペクトル幅を示している。素子長6 cmの素子に対する実験値を○で示し、素子長2 cmの素子に対する実験値を●で示してある。また、素子長6 cmの素子に対す理論計算結果を図中実線で示し、素子長2 cmの素子に対す理論計算結果を点線で示してある。実験値と理論値は非常に良い合致を示しており、本発明の効果を実証する実験結果が得られた。
【０１１３】
次に、δpに対する許容度を評価するために、素子長6 cmのデバイスに対して次のような実験を行った。すなわち、入力光強度を固定し、デバイスの動作温度を変化させたときのSFG光強度の変化を調べた。デバイスの動作温度を変化させると、疑似位相整合波長が変化し、これによりδpが生じる。疑似位相整合波長の温度変化量は、通常のSHG方式においてSHG光強度を最大化する入力波長の温度変化から見積もられ、おおよそ0.13 nm/℃であった。
【０１１４】
図7に実験結果を示す。図7において、横軸にデバイス温度をとり、縦軸にSHG光強度をdBm単位で目盛って示してある。変換光であるSHG光及びSFG光の強度が最大強度の半分以上である温度範囲を許容温度範囲と定義する。ここで点線は、従来方式であるレーザ光入力によるSHGの場合の実験結果を示し、許容温度範囲は約1.6℃程度であった。すなわち疑似位相整合波長の変化にして、0.13×1.6＝0.208 nmとなる。これは光周波数にして約25 GHzとなり、先に述べたようにSHGバンド幅(50 GHz)の半分程度となっている。
【０１１５】
一方、図7には本願発明のインコヒーレント光入力によるSFG光の場合の許容温度範囲も示してある。すなわち、入力光スペクトル幅が0.208 nm(○で示してある)、2.87 nm(△で示してある)、5.45 nm(□で示してある)、及び10.8 nm(●で示してある)場合のデバイス温度に対するSFG光の強度の変化を示してある。本願発明のインコヒーレント光入力によるSFG光の場合、入力光スペクトル幅が広くなるに従い許容度が高くなった。例えば入力光スペクトル幅が10.8 nmの場合、15℃以上の温度変化に対してSFG光強度はほとんど変化しなかった。
【０１１６】
以上の実験結果により、第1の光源装置の効果が実証できた。第1の光源装置を実施するに当たり、特にインコヒーレント光源の構成については様々な構成を利用することができる。インコヒーレント光源としては基本的には自然放出光源など様々な光源が利用できる。より高い光強度を出力し、それにより、より高い強度の波長変換光を出力するという観点から、インコヒーレント光源として光増幅作用を有するASE光源を利用することは好適な一例である。例えば、実証実験で利用したEDFAや、半導体光増幅器、あるいは発光ダイオード（Light Emitting Diode、以下LEDと略す）光源は好適な例である。
【０１１７】
≪５≫
また、第1の光源装置のインコヒーレント光源としては、様々な形態が適用できる。図8(A)〜(E)を参照して、インコヒーレント光源の様々な構成例について説明する。
【０１１８】
インコヒーレント光源として、インコヒーレント光を出力する複数のインコヒーレント光源(自然放出光源)からの出力光を一箇所に集光しその集光されたインコヒーレント光を利用する形態とすることができる。すなわち、図8(A)に示すように、LEDアレイなど複数のインコヒーレント光源2からの出力光を、適当な光学結合系3を構成して第1の非線形光学デバイス1上の適当な一箇所に集光して用いることができる。LEDアレイなど複数のインコヒーレント光源2からの出力光を光学結合系3で集光し、光学結合系3から出力されたインコヒーレント光を第1の非線形光学デバイス1に入力させ、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。
【０１１９】
また、図8(B)に示すように、複数のインコヒーレント光源からの出力光を第1の非線形光学デバイス1上の適当な複数個所にそれぞれ照射してSFG光を出力させ、それら複数箇所で発生したSFG光を適当な光学結合系4によって適当な1か所に集光して出力させる構成とすることでも、図8(A)の場合と同様な効果を得ることが出来る。
【０１２０】
複数のインコヒーレント光源間には可干渉性がないことを考慮すれば、上述した式(4)〜式(5)で考慮した異なる周波数モード間での時間平均ゼロ化の効果は同様に成り立つものと考えられ、結果発生するSFG光は個々の光源の光出力の和の2乗に比例して増強されると考えられる。つまり、4台のLEDを使用すれば16倍、SFG光強度は増強される。同様なことは、複数のレーザ光源を用いたSHG発生でも技術的には可能であるが、増強効果を得るためには、個々のレーザ光源間の波長や位相を制御する必要があるのに対し、インコヒーレント光源の場合そのような対処は不要であるメリットがある。また各々のインコヒーレント光源の波長を少しずつ変えてやれば、トータルのスペクトル幅を広くでき、それによってδpの許容度を高くとることもできる。そのような構成は、例えば温度が大きく変わる環境下で、温度制御なしに一定の波長変換光強度を得たい場合などに特に有効である。
【０１２１】
インコヒーレント光源を自然放出光源と光増幅器から構成することもできる。すなわち、図8(C)に示すように、自然放出光源であるインコヒーレント光源2からの出力光を光増幅器5で増幅したのちに第1の非線形光学デバイス1に入力する構成も好適な一例である。インコヒーレント光源2から出力されたインコヒーレント光を光増幅器5に入力させて増幅し、その出力光を光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。
【０１２２】
元になるインコヒーレント光源2からの出力光が弱くても本願発明の効果を実現できる。光増幅器5を複数個カスケード接続した構成を利用してもよい。このような構成を採用することで、元になるインコヒーレント光源2として、光増幅作用を有しない一般的な自然放出光源を利用することができる。
【０１２３】
また上述したように、インコヒーレント光源の入力光スペクトル幅をSHGカーブのSHGバンド幅より狭くすると、従来のレーザ光励起によるSHG方式よりも高効率な波長変換が実現できる。これを実現するために、図8(D)のような構成を利用することもできる。
【０１２４】
インコヒーレント光源2からの出力光は光バンドパスフィルタ6に入力されて光増幅器5で増幅される。光増幅器5からの出力光は光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。
【０１２５】
すなわち、元の自然放出光源であるインコヒーレント光源2からの出力光のうち、光周波数f0/2近傍の光成分(λPMW近傍の波長成分)のみを光バンドパスフィルタ6で取り出し、光増幅器5で増幅する。このような構成にすることで、光増幅器5でf0/2近傍の光成分のみを誘導放出によって集中的に増幅でき、狭スペクトル幅でピークスペクトル強度I0が高いインコヒーレント光源を準備できる。また、このような光バンドパスフィルタと光増幅器を多段カスケード接続した構成を利用してもよい。
【０１２６】
更に、インコヒーレント光源を、太陽光や照明光などの自由空間光を取得する自由空間光取得装置と光増幅器と光バンドパスフィルタとを備えて構成し、自由空間光を光増幅器及び光バンドパスフィルタで光強度の増幅及び光スペクトル帯域の狭窄化を行って、非線形光学デバイスに入力させる構成とすることもできる。すなわち、図8(E)に示すように、インコヒーレント光源として、LEDなどのような光源デバイスや光源装置ではなく、例えば太陽光や照明光などの自由空間光を利用することも可能である。自由空間光取得装置8とは、LED等の発光源を含め、この発明の光源装置が備えて好適な光学結合系、光増幅器あるいは光バンドパスフィルタ等の素子にインコヒーレント光を入力するために、インコヒーレント光のビーム形状が好適な形状となるように調整する光学部品あるいはそれら素子の集合を総称するものである。太陽光を利用する場合は、太陽の動きに自動的に追従するための装置及び集光学系等を含めて自由空間光取得装置8というものとする。
【０１２７】
自由空間光取得装置8から出力されるインコヒーレント光をレンズや光引き回し用の光ファイバなどの光学結合系7で集光し、光バンドパスフィルタ6で光スペクトル帯域の狭窄化を行って、光増幅器5で増幅される。光増幅器5からの出力光は光学結合系3で集光し、第1の非線形光学デバイス1に入力させる。そして、第1の非線形光学デバイス1から出力される変換光を光学結合系4でビーム整形して出力させる。このような構成をとることで、光源についての自由度が高い光源装置を提供することができる。
【０１２８】
上述の図8(C)〜(E)に示す実施の形態では、光増幅器5が使用されているが、第1の非線形光学デバイス1に入力させるインコヒーレント光の強度が十分であれば必ずしも必要とされない。
【０１２９】
≪６≫
第1の光源装置によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、インコヒーレント光源を励起光源としてその半分の波長の波長変換光を発生できる。光源のスペクトル幅を2次非線形光学デバイスのSHGカーブのバンド幅より狭くすることで、従来のSHG方式よりも高効率に波長変換光を発生できる。あるいはまた光源のスペクトル幅を2次非線形光学デバイスのSHGカーブのバンド幅より十分広くすることで、従来のSHG方式よりも位相不整合に鈍感で環境温度の変化などに耐性がある波長変換光を発生できる。さらにまた、励起光源の選択における自由度が高くなる。
【０１３０】
＜第2の光源装置＞
≪１≫
図9を参照して、3次以上の次数の非線形光学デバイスを用いた場合を取り上げて、この発明の光源装置の実施形態の第2の光源装置について説明する。
【０１３１】
第2の光源装置は、nを3以上の整数としてn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスと、位相整合が実現する波長(λPMW)成分を含む連続的な光周波数スペクトル(以後、単に光スペクトルと略することもある)を有するインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源とを備えている。そして、このインコヒーレント光を非線形光学デバイスに入力させて、インコヒーレント光に対するn次非線形光学効果により、波長λPMW/nの和周波光を発生させる。
【０１３２】
インコヒーレント光源22の出力光は、レンズ等で構成される光学結合系23を介してn次非線形光学デバイス21に入力される。n次非線形光学デバイス21において、インコヒーレント光源22の有する光周波数スペクトル成分間で高次の光和周波発生（High-Order Sum-Frequency Generation、以下HO-SFGと略す）が生じ、インコヒーレント光源22の光周波数f0/nのn倍の光周波数f0の短波長光が発生する。必要であれば生じた短波長光をレンズ等で構成される光学結合系24を介して外部に出力し実用に供する。
【０１３３】
なお第2の光源装置においては、nを3以上の整数として、n次非線形光学デバイスを利用したn次高調波発生において、位相整合あるいは疑似位相整合が実現されてn次高調波強度が最大化されるときの入力単一波長レーザ光の波長を位相整合波長あるいは疑似位相整合波長λPMWと呼ぶこととする。
【０１３４】
≪２≫
第2の光源装置の効果を議論するために、第2の光源装置によって得られる効果が発現する条件について整理する。第2の光源装置の効果は、以下の（１）〜（３）に示す条件によって得られるものである。
（１）光周波数fのSFG光を発生する励起光周波数の組み合わせが、連続的な光スペクトルを有するインコヒーレント光源では光スペクトル帯域の範囲内で無数に存在する。
（２）異なる周波数モード間では位相相関がないため、単位周波数あたりのSFG光強度が式(4)〜式(5)のように変形できる。
（３）式(17)に示すような屈折率の波長依存性の線形性があれば、任意のSFG光周波数に対し、位相不整合量が励起光周波数の組み合わせ方によらない（式（14）におけるxによらない）。この条件は、SFG光周波数をf0とした場合には、入力光スペクトルの全ての励起光周波数の組み合わせが位相整合条件を満足することを意味する。
【０１３５】
このことを踏まえて、例えば3次非線形光学デバイスにおける光第3高調波発生（Third Harmonic Generation、以後THGと略す）に相当する短波長光を発生する場合について考察する。この場合、THG光周波数をfTHGとすると、次式(23)を満足する3つの励起光周波数成分f1、f2、f3の組み合わせが光周波数fTHGのTHGに相当する短波長光を発生する。
fTHG＝f1＋f2＋f3              (23)
この効果は、3次のSFGであり、上述したように高次の光和周波発生(HO-SFG)である。
【０１３６】
入力光がfTHG/3を中心光周波数に持つ、連続的な光スペクトルを有するインコヒーレント光源であれば、上述の式(23)を満足する励起光の組み合わせは無数に存在し、つまり上記の条件（１）を満足する。また、やはり異なる光周波数モード間では位相相関がないため、上記の条件（２）と同様な形でHO-SFG光強度は与えられると考えてよい。
【０１３７】
次に、光周波数成分f1、f2、f3が同じ光周波数帯域にあり、屈折率分散の線形性があるならば、THG波長をλTHGとし、光周波数成分f1、f2、f3に対応する波長を、それぞれλ1、λ2、λ3とすると、エネルギー保存則
1/λTHG＝(1/λ1)＋(1/λ2)＋(1/λ3)
と表される。また、位相不整合量Δは、光周波数成分f1、f2、f3に対応する波数を、それぞれk1、k2、k3とし、Kを上述した擬似位相整合のための分極反転周期に対応したパラメータとすれば、
Δ≡kTHG−k1−k2−k3−K＝（2π/λTHG)−6πa−(2πb/λTHG)−K
となり、位相不整合量Δは光周波数成分f1、f2、f3の組み合わせによらない。つまり上記の条件（３）を満足する。
【０１３８】
以上のことから、第1の光源装置の場合と同様に、インコヒーレント光源と3次非線形光学デバイスを用いて、3次のHO-SFG効果を用いることで、THGに相当する短波長の光を効率よく発生できるものと考えられる。さらにまたこのことを一般化すれば、インコヒーレント光源とn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスを用いて、n次のHO-SFG効果を用いることで、入力インコヒーレント光のn倍の光周波数（波長にして1/n）の短波長光を効率よく発生できるものと考えられる。
【０１３９】
≪３≫
第2の光源装置に依れば、第1の光源装置の効果に加えて以下の効果が期待できる。すなわち、インコヒーレント光とn次非線形光学効果を有する非線形光学デバイスを用いて、入力インコヒーレント光の1/nの波長の短波長光を効率よく発生できる。
【０１４０】
＜第1の相関光子対発生装置＞
≪１≫
第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた波長変換光を利用すれば、この波長変換光を励起光としたSPDCあるいはSFWMにより相関光子対を発生させる相関光子対発生装置、及びそれを用いた偏光量子もつれ光子対発生装置及び時間位置量子もつれ光子対発生装置が実現される。以後、偏光量子もつれ光子対発生装置と時間位置量子もつれ光子対発生装置を総称して量子もつれ光子対発生装置ということもある。また、後述する同種の装置と区別するため、ここで説明する相関光子対発生装置を第1の相関光子対発生装置という。
【０１４１】
図10を参照して、第1の光源装置あるいは第2の光源装置で発生させた励起光を用いた第1の相関光子対発生装置の構成を説明する。
【０１４２】
第1の相関光子対発生装置は、光源装置30、光ハイパスフィルタ32、第2の非線形光学デバイス31、光リジェクションフィルタ33、及び光分離回路34を備えている。第2の非線形光学デバイス31は、2次非線形光学効果によってSPDCを発現する2次非線形光学デバイス、あるいは3次非線形光学効果によってSFWMを発現する3次非線形光学デバイスである。光ハイパスフィルタ32は、インコヒーレント光源の有する光周波数f0/n近傍の光成分を除去し、光周波数f0近傍の光成分(高次のSFG光)を透過する。光リジェクションフィルタ33は、高次のSFG光を除去してSPDCあるいはSFWMによる相関光子対成分のみを透過する。光分離回路34は、SPDCあるいはSFWMによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対を、最終的にそれぞれ空間分離して出力する。
【０１４３】
光源装置30から出力される波長変換光は、光ハイパスフィルタ32を経過したのち、第2の非線形光学デバイス31へと入力される。第2の非線形光学デバイス31において、この波長変換光成分を励起光とするSPDCあるいはSFWMが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。発生した相関光子対は光リジェクションフィルタ33を経過したのち、光分離回路34においてシグナル光子成分、アイドラー光子成分に空間分離されて出力される。
【０１４４】
≪２≫
光源装置30から出力される波長変換光は、光ハイパスフィルタ32を経過して第2の非線形光学デバイス31へと入力される。光ハイパスフィルタ32は、光源装置30から出力される光周波数f0/n近傍のインコヒーレント光成分を除去し、光周波数f0近傍の波長変換光成分のみを出力する。このような光ハイパスフィルタは誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。その結果、第2の非線形光学デバイス31へは光周波数f0近傍の波長変換光成分のみが入力される。すると第2の非線形光学デバイス31において、この波長変換光成分を励起光とするSPDCあるいはSFWMが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。
【０１４５】
シグナル光の光周波数fs、及びアイドラー光の光周波数fiは、SPDCを利用した場合、エネルギー保存則を規定する次式(24)を満足する。
【０１４６】
f0＝fs＋fi            (24)
シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯にあるとき(fs≒fi)、上式(24)からシグナル光、アイドラー光の光周波数は第1の光源装置によれば、インコヒーレント光源の光周波数f0/2と一致するかあるいは極めて近くなる。そこで、インコヒーレント光成分と相関光子対成分が混同されないように、光ハイパスフィルタ32を用いて第2の非線形光学デバイス31へインコヒーレント光成分が入力されないようにする。
【０１４７】
一方、シグナル光の光周波数fs、及びアイドラー光の光周波数fiは、SFWMを利用した場合、エネルギー保存則を規定する次式(25)を満足する
【０１４８】
2f0＝fs＋fi            (25)
シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯にあるとき（fs≒fi）、上式(25)からシグナル光及びアイドラー光の光周波数は波長変換光の光周波数f0に近いが、インコヒーレント光の光周波数f0/2とは大きく異なる。このような場合、光ハイパスフィルタ32は省略してもよい。第2の非線形光学デバイス31からの出力光は、光リジェクションフィルタ33を経過する。その際、SPDCあるいはSFWMの励起光として使用した波長変換光成分等は除去され、光リジェクションフィルタ33からは相関光子対成分のみが出力されることが望ましい。
【０１４９】
SPDCを利用した場合、式(24)により、相関光子対成分の光周波数は波長変換光の光周波数のおおよそ半分程度となる。従って、光リジェクションフィルタ33として、光ローパスフィルタを利用できる。このような光ローパスフィルタもまた、誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。
【０１５０】
一方、SFWMを利用した場合、波長変換光の光周波数と相関光子対成分の光周波数は、式(25)により非常に近い。この場合、光リジェクションフィルタとして好適なものの一例は、いわゆるAWG(Arrayed Waveguide Grating)フィルタである。すなわち、AWGフィルタの有する複数の出力ポートのうちの二つを、式(25)を満足するシグナル光波長、アイドラー光波長となるように設定すればよい。そして波長変換光成分は別の出力ポートに出力される、または出力ポートに結合されることなく減衰されるように設定すればよい。このようにAWGフィルタを利用した場合、シグナル光成分とアイドラー光成分とは空間分離されて出力されるため、光分離回路34としても同時に動作する。
【０１５１】
あるいは、透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタも光リジェクションフィルタ33として好適である。透過中心波長を光周波数f0に設定すれば、それから離れた光周波数に発生するシグナル光及びアイドラー光成分を反射出力として得ることができる。あるいはまたファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating、以下FBGと略す)もまた、このような光リジェクションフィルタ33として利用できる。すなわち、ブラッグ波長が波長変換光波長であるFBGを用意すれば、入力光のうち波長変換光成分は反射されるのに対して、相関光子対成分を透過出力させることができる。
【０１５２】
≪３≫
また、第1の相関光子対発生装置は、図11に示すように2つの光ハイパスフィルタを組み合わせても実現できる。ここで、第1の光ハイパスフィルタ35は、波長変換光の光周波数f0よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する光ハイパスフィルタである。すなわち、第1の光ハイパスフィルタ35は、光源装置30が出力するインコヒーレント光の光周波数f0/2近傍又は光周波数f0/3近傍の光合成を除去し、光周波数f0近傍の光合成を透過することでSFG光のみを透過する。また第2の光ハイパスフィルタ36は、波長変換光の光周波数f0よりも低周波数側の光を選択的に反射する光ハイパスフィルタである。このような光ハイパスフィルタは、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。
【０１５３】
2次又は3次の非線形光学効果を発現する第2の非線形光学デバイス31からの出力光は、まず第1の光ハイパスフィルタ35に入力される。その透過光には、波長変換光成分は含まれず、相関光子対のうち高周波数成分（シグナル光成分とする）のみが選択的に出力される。第1の光ハイパスフィルタ35の反射光(波長変換光成分含む)は、次に第2の光ハイパスフィルタ36に入力される。そしてその反射光には、波長変換光成分は含まれず、相関光子対のうち低周波数成分（アイドラー光とする）のみが選択的に出力される。
【０１５４】
この結果、第1の光ハイパスフィルタ35の透過出力からシグナル光成分が、また第2の光ハイパスフィルタ36の反射出力からアイドラー光成分が、波長変換光成分を含まずに空間分離されて出力される。必要に応じてそれぞれの出力端に別途光バンドパスフィルタ37、38を追加接続して帯域制限する構成としてもよい。以上のように図11の構成ではAWGフィルタと同様、2つの光ハイパスフィルタが光リジェクションフィルタ33と光分離回路34の両方の役割を果たす。なお、上述のような光リジェクションフィルタを複数個接続して使用してもよい。
【０１５５】
量子鍵配送など多くの応用例において、発生した相関光子対成分は互いに空間分離して出力されるほうが望ましい。これは光分離回路34において実行される。ここで、発生するシグナル光とアイドラー光の相関光子対が同一偏光方向であるtype-I型の位相整合が実現される非線形光学デバイスを、type-I型の2次非線形光学デバイスと定義する。一方、発生するシグナル光とアイドラー光との相関光子対が互いに直交偏光であるtype-II型の位相整合が実現される非線形光学デバイスを、type-II型の2次非線形光学デバイスと定義する。
【０１５６】
第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光が直交している。従って、光分離回路34として偏光ビームスプリッタを利用することができる。一方、第2の非線形光学デバイス31がtype-I型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光方向が同じである。このようなときは、シグナル光子とアイドラー光子として、式(24)あるいは式（25）を満足する異なる波長の組み合わせを選び、光分離回路34としていわゆるAWGフィルタなどのWDM(Wavelength Division Multiplexing)フィルタを利用して波長分離すればよい。あるいはまた、図11に示したように2つの光ハイパスフィルタを組み合わせて使用すればよい。
【０１５７】
このように発生させた相関光子対を利用して、量子もつれ光子対も発生できる。例えば、図10に示した構成と同じ構成において、波長変換光強度、すなわちインコヒーレント光源強度を適度に設定すれば、上述した非特許文献1に開示されているように時間位置量子もつれ光子対を発生できる。あるいはまた、第2の非線形光学デバイス31としてtype-II型の2次非線形光学デバイスを利用し、またシグナル光子とアイドラー光子が同じ波長である縮退SPDCを利用し、また光分離回路34として偏光無依存のハーフミラーを利用すれば、文献Ｂ（Go Fujii, Naoto Namekata, Masayuki Motoya, Sunao Kurimura, and Shuichiro Inoue,  "Bright narrowband source of photon pairs at optical telecommunication wavelengths using a type-II periodically poled lithium niobate waveguide", Optics Express, vol. 15, No. 20, pp. 12769-12776 (2007).）に開示されているように偏光量子もつれ光子対を発生できる。文献Ｂには、光導波路型PPLNによって非線形光学テンソル成分d24を利用するtype-IIの擬似位相整合に基づく高輝度の狭波長帯域の光子対の発生光源が開示されている。
【０１５８】
また偏光量子もつれ光子対を発生するのに、図12〜図14に示すサニャックループ干渉計を構成してもよい。
【０１５９】
＜偏光量子もつれ光子対発生装置＞
≪１≫
図12を参照して、第2の非線形光学デバイス31としてtype-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置の構成例について説明する。
【０１６０】
まず、図12に示す偏光量子もつれ光子対発生装置の概要を説明すると、以下のとおりである。
【０１６１】
このtype-I型の非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32と、type-I型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光を除去する光リジェクションフィルタ33と、第2の非線形光学デバイス31が発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分に空間分離して出力する光分離回路34とSFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、光合分波器の一種であるダイクロイックフィルタ40と、偏光ビームスプリッタ41と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器42を備えている。
【０１６２】
ダイクロイックフィルタ40は、第1のポート40-1から入力するSFG光を第2のポート40-2に出力し、第2のポート40-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート40-3に出力する。
【０１６３】
偏光ビームスプリッタ41は、第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の相関光子対が各々第2ポート41-2、第3のポート41-3へと入力されると第1のポート41-1へと偏光合成して出力する。
【０１６４】
そして、偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3のポート41-3を結ぶループ経路(サニャックループ経路)に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1に偏光回転器39が接続され、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1が接続され、ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3に光リジェクションフィルタ33が接続されている。
【０１６５】
光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1、第2のポート40-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート40-1に入力される。
【０１６６】
偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。
【０１６７】
第1及び第2の相関光子対が偏光ビームスプリッタ41において偏光合成され第1のポート40-1に出力され、偏光合成された相関光子対がダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2、第3のポート40-3、光リジェクションフィルタ33、光分離回路34を経過して量子もつれ光子対として発生する。
【０１６８】
上述したように、光源装置30からの波長変換光は光ハイパスフィルタ32を通過後、偏光回転器39によって斜め45度直線偏光に変換され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1に入力される。ダイクロイックフィルタ40において、光周波数f0近傍の波長変換光成分は第1のポート40-1から入力され第2のポート40-2から出力される。一方、相関光子対成分は、第2のポート40-2から入力され第3のポート40-3から出力される。このようなダイクロイックフィルタ40は、SPDCを利用する場合は、市販の誘電体多層膜フィルタの技術を利用して実現できる。また、SFWMを利用する場合は、上述したAWGフィルタ型や透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタ型の光リジェクションフィルタ33を利用して実現できる。
【０１６９】
ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2から出力される波長変換光は、次に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力される。偏光ビームスプリッタ41において、第1のポート41-1から入力された光周波数f0近傍の波長変換光成分のうち、p偏光成分は第2のポート41-2に出力され、それと偏光直交するs偏光成分は第3のポート41-3に出力される。ここでは、p偏光成分は第2の非線形光学デバイス31において最も強くSPDCないしはSFWMを生じさせる励起光偏光方向とする。
【０１７０】
同様に偏光ビームスプリッタ41において、第2のポート41-2から入力された相関光子対成分のうち、p偏光成分は第1のポート41-1に出力される。またそれと偏光直交するs偏光成分は第3のポート41-3に入力されると第1のポート41-1に出力される。このような偏光ビームスプリッタ41は誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。また90度偏光回転器42においては、波長変換光および相関光子対光の偏光を90度回転する。このような90度偏光回転器42として、偏光面保持ファイバの光学軸を90回転して融着接合したものを利用することが好適である。
【０１７１】
偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2から出力されたp偏光の波長変換光は、第2の非線形光学デバイス31においてSPDCあるいはSFWMによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は90度偏光回転器42を経過してs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3に入力され、第1のポート41-1に出力される。そして、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に入力され、第3のポート40-3から出力される。一方、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3から出力されたs偏光の波長変換光は、90度偏光回転器42を経過してp偏光に変換され第2の非線形光学デバイス31においてSPDCあるいはSFWMによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2に入力され、第1のポート41-1に出力される。そして、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に入力され、第3のポート40-3から出力される。
【０１７２】
この結果、ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3からは、s偏光の相関光子対とp偏光の相関光子対が出力される。波長変換光の強度（すなわち、インコヒーレント光源の強度）を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。その後、光リジェクションフィルタ33で波長変換光成分等を除去し、AWGフィルタなどの光分離回路34を用いてこれら偏光量子もつれ光子対を空間的に分離して、シグナル光子及びアイドラー光子を出力すればよい。
【０１７３】
≪２≫
非線形光学デバイスにおいて例えばp偏光の励起光に対してs偏光の相関光子対成分が生じる場合もある。このような例は、SPDCにおいて2次非線形光学定数を与える3階の極性テンソルのd31成分を利用した場合などに生じる。このようなときは図13のような構成を採用する。
【０１７４】
図13に示す偏光量子もつれ光子対発生装置は、type-I型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置である。この偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32と、type-I型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光を除去する光リジェクションフィルタ33と、第2の非線形光学デバイス31が発生する相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する光分離回路34と、SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、偏光ビームスプリッタ41と、90度偏光回転器42を備えている。偏光ビームスプリッタ41は、その第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2のポート41-2、第3のポート41-3へと入力されると第4のポート41-4へと偏光合成して出力する。
【０１７５】
偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3ポート41-3を結ぶサニャックループ経路に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置されている。
【０１７６】
偏光ビームスプリッタ41の第1ポート41-1に偏光回転器39が接続され、偏光ビームスプリッタ41の第4ポート41-4に光リジェクションフィルタ33が接続されている。
【０１７７】
光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力され、第1および第2のSFG光に分割されて第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力される。偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光は、第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。そして、第1及び第2の相関光子対が偏光ビームスプリッタ41において偏光合成され第4のポート41-4に出力され偏光合成された相関光子対が光リジェクションフィルタ33、光分離回路34を経過して量子もつれ光子対として出力される。
【０１７８】
すなわちこの場合、偏光ビームスプリッタ41として4つの入出力ポートを有する偏光ビームスプリッタを利用する。すなわち、上述した動作に加えて、偏光ビームスプリッタ41において、第2のポート41-2から入力された相関光子対成分のうち、s偏光成分は第4のポート41-4に出力される。またそれと偏光直交するp偏光成分は第3のポート41-3に入力されると第4のポート41-4に出力される。このような偏光ビームスプリッタ41もまた、誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。
【０１７９】
このとき、偏光ビームスプリッタ41の第3のポート41-3、第2のポート41-2に入力されるそれぞれp偏光、s偏光の相関光子対は第4のポート41-4に出力される。従って、光リジェクションフィルタ33および光分離回路34は偏光ビームスプリッタの第4のポート41-4側に接続すればよい。このような場合、相関光子対成分はダイクロイックフィルタ40を経過することがないため、ダイクロイックフィルタ40は不要となる。
【０１８０】
≪３≫
第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の2次非線形光学デバイスである場合、図14のような構成を利用すればよい。ここでは、偏光ビームスプリッタ41として上述した4つの入出力ポートを有するものを利用する。
【０１８１】
図14に示す偏光量子もつれ光子対発生装置は、type-II型の2次非線形光学デバイスを利用した偏光量子もつれ光子対発生装置である。この偏光量子もつれ光子対発生装置は、この発明の第1又は第2の光源装置(光源装置30)と、光源装置30が出力するSFG光のみを透過する光ハイパスフィルタ32、第1の光リジェクションフィルタ33-1及び第2の光リジェクションフィルタ33-2と、type-II型の第2の非線形光学デバイス31と、SFG光の偏光を45度回転する偏光回転器39と、ダイクロイックフィルタ40と、偏光ビームスプリッタ41と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器42を備えている。
【０１８２】
ダイクロイックフィルタ40は、第1のポート40-1から入力されるSFG光を第2のポート40-2に出力し、第2のポート40-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート40-3に出力する。
【０１８３】
偏光ビームスプリッタ41は、第1のポート41-1から入力されたSFG光を第2、第3のポート(41-2、41-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と直交した偏光方向の相関光子対が各々第2、第3のポート(41-2、41-3)へと入力されると第1のポート41-1及び第4のポート41-4へ偏光合成して出力する。
【０１８４】
偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2と第3のポート41-3を結ぶサニャックループ経路に第2の非線形光学デバイス31、及び90度偏光回転器42が配置され、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート41-1に偏光回転器39が接続される。
【０１８５】
ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2に偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1が接続され、第3のポート40-3に第1の光リジェクションフィルタ33-1が接続され、偏光ビームスプリッタ41の第4のポート41-4に第2の光リジェクションフィルタ33-2が接続される。
【０１８６】
光源装置30からの出力光が光ハイパスフィルタ32、及び偏光回転器39を経過後、ダイクロイックフィルタ40の第1のポート40-1、第2のポート40-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1に入力される。
【０１８７】
偏光ビームスプリッタ41の第2のポート41-2、第3のポート41-3から出力されるサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2のSFG光が第2の非線形光学デバイス31に双方向に入力され、パラメトリック蛍光によりシグナル光とアイドラー光からなる、それぞれサニャックループ経路を右回りおよび左回りに伝搬する第1および第2の相関光子対を双方向に発生する。
【０１８８】
双方向に発生した相関光子対が偏光ビームスプリッタ41においてそれぞれシグナル光成分、アイドラー光成分に偏光分離され、それぞれ第1のポート41-1、第4のポート41-4に出力され、第1の光リジェクションフィルタ33-1および第2の光リジェクションフィルタ33-2から量子もつれ光子対が出力される。偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1から出力されるシグナル光成分は、ダイクロイックフィルタ40の第2のポート40-2へ入力され第3のポート40-3から出力されて第1の光リジェクションフィルタ33-1に入力される。
【０１８９】
上述したように、第2の非線形光学デバイス31がtype-II型の非線形光学デバイスである場合、相関光子対はs偏光とp偏光の光子対となる。仮にシグナル光をp偏光、アイドラー光をs偏光としたとき、図14においてサニャックループ経路の時計回りに伝搬する波長変換光によって生じるSPDCあるいはSFWM光に対して、シグナル光は偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1にs偏光として、アイドラー光は第4のポート41-4にp偏光として出力される。一方、サニャックループ経路の反時計回りに伝搬する波長変換光によって生じるSPDCあるいはSFWM光に対して、シグナル光は偏光ビームスプリッタ41の第1のポート41-1にp偏光として、アイドラー光は第4のポート41-4にs偏光として出力される。同様に波長変換光の強度（すなわち、インコヒーレント光源の強度）を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。この場合、シグナル光とアイドラー光は偏光ビームスプリッタ41の異なるポートに出力するので、それらを空間分離出力するための光分離回路34は基本的には不要である。
【０１９０】
この発明の相関光子対発生装置、及び偏光量子もつれ光子対発生装置の更なる効果は、時間的に識別不可能な光子対(あるいは量子もつれ光子対)の発生が容易になる点にある。時間的に識別不可能な光子対発生は、例えばベル測定を利用した量子テレポーテーションの実現など、様々な量子信号処理回路に必要不可欠な技術である。
【０１９１】
自然パラメトリック下方変換によって発生する4光子もつれ状態について報告している文献Ｃ（Hugues de Riedmatten, Valerio Scarani, Ivan Marcikic, Antonio, Acin, Wolfgang Tittel, Hugo Zbinden and Nicolas Gisin, "Two independent photon pairs versus four-photon entangled states in parametric down conversion", J. Mod. Opt. 51, 1637 (2004).）によれば、時間的に識別不可能な光子対（あるいは量子もつれ光子対）を発生するためには、SPDCあるいはSFWMを生じさせる励起光のコヒーレンス時間が、SPDCあるいはSFWMによる相関光子対のコヒーレンス時間と同程度に短くなる必要がある。
【０１９２】
SPDCあるいはSFWM相関光子対のコヒーレンス時間は、SPDC（あるいはSFWM）によって発生する相関光子対の全スペクトル帯域幅、もしくは空間分離等などのために光バンドパスフィルタで帯域制限を課した場合、光バンドパスフィルタの透過帯域幅の逆数で与えられる。SPDC（あるいはSFWM）スペクトル幅、もしくは光バンドパスフィルタによって実現可能なスペクトル幅の最小値は、従来技術を参照するとせいぜいサブnm〜数nm程度である。これは1.5μm波長帯においては、光周波数にして数十GHz以上に相当する。
【０１９３】
一方、励起光のコヒーレンス時間は、連続レーザ光の場合、その線幅（一般的に数MHz以下）の逆数であるため、一般に連続レーザ光励起で上記の条件を満足することは難しい。そのため従来、時間的に識別不可能な光子対（さらには量子もつれ光子対）を発生するためには、レーザ光としてパルスレーザ光、主としてパルス幅がフェムト秒領域に達する極短パルスレーザ光を利用する場合が多かった。このような極短パルスレーザ光源及びパルスレーザ光源は一般に、大型で高価な実験設備となる。
【０１９４】
一方、この発明の相関光子対発生装置、さらには量子もつれ光子対発生装置の場合、励起光のコヒーレンス時間は、例えば第1の光源装置の場合、SHGバンド幅の逆数で与えられる。その値は実証実験例に示すように数十GHz程度であり、連続レーザ光の線幅と比較して格段に広い。そしてこのような帯域の光バンドパスフィルタは既存の光フィルタ技術によって十分実現可能である。非線形光学デバイスのデバイス長を短くするとSHGバンド幅はさらに広くなるため、実現はより容易になる。
【０１９５】
≪４≫
第1の相関光子対発生装置によれば、パルス光状の励起光源を利用することなく、連続光状態のインコヒーレント光源によって、時間的に識別不可能な光子対（さらには量子もつれ光子対）を発生することができる。すなわち、第1の相関光子対発生装置によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、この発明の第1の光源装置あるいは第2の光源装置から出力されるインコヒーレント光を励起光として利用した、低コスト、高変換効率な相関光子対発生装置、及び量子もつれ光子対発生装置を提供することができる。さらには時間的に識別不可能な相関光子対及び量子もつれ光子対を、パルス光源を利用することなく容易に発生することができる。
【０１９６】
＜第2の相関光子対発生装置＞
≪１≫
図15を参照して、第2の相関光子対発生装置の構成を説明する。第2の相関光子対発生装置の第1の相関光子対発生装置との相違点は、SFGによる波長変換光発生とSPDCを単一の2次非線形光学デバイスで生じさせる点にある。
【０１９７】
第2の相関光子対発生装置は、光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光源52と、光周波数f0/2近傍の光成分をのみを透過する光バンドパスフィルタ53と、2次非線形光学デバイス51と、光ローパスフィルタ54と、光リジェクションフィルタ55と、光分離回路56とを備えている。
【０１９８】
2次非線形光学デバイス51は、位相整合波長を2c/f0としてインコヒーレント光からのSFG光を発生し、かつ、SPDCを発現する。光ローパスフィルタ54は、光周波数f0近傍の光成分を除去し、光周波数f0/2近傍のSPDC光子対の波長成分を含む光成分を透過する。光リジェクションフィルタ55は、光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分を除去しSPDC光子対の波長成分のみを透過する。光分離回路56は、SPDCによって発生したシグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対をそれぞれ空間分離して出力する。
【０１９９】
インコヒーレント光源52からの出力光は光バンドパスフィルタ53によって光周波数f0/2近傍の光成分に帯域制限されたのちに2次非線形光学デバイス51へと入力される。2次非線形光学デバイス51において、入力されたインコヒーレント光成分を励起光とするSFGが生じ、短波長光が生じる。それとともに、この短波長光を励起光としてSPDCが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。2次非線形光学デバイス51からの出力光のうち、相関光子対波長成分以外の不要な波長成分は光ローパスフィルタ54および光リジェクションフィルタ55によって除去され、その後、相関光子対は光分離回路56においてシグナル光子成分、アイドラー光子成分に空間分離されて出力される。
【０２００】
なお、図15に示すインコヒーレント光源52と光バンドパスフィルタ53から構成されている部分を、光増幅器と光バンドパスフィルタを複数個カスケード接続させた構成とすることもできる。
【０２０１】
ここで、図15に示す第2の相関光子対発生装置の動作の説明をする。インコヒーレント光源52から出力される励起光は、光バンドパスフィルタ53を経過して2次非線形光学デバイス51へと入力される。光バンドパスフィルタ53は、インコヒーレント光源52が一般的に有する広い光スペクトルのうち、光周波数f0/2近傍の光成分のみを取り出すことで、2次非線形光学デバイス51に入力されるインコヒーレント光の帯域制限をする。これは、上述した第1の相関光子対発生装置において発生する相関光子対の波長成分は、インコヒーレント光源52の波長成分と非常に近いため、2次非線形光学デバイス51に入力されるインコヒーレント光の光スペクトルが広いままだと、相関光子対成分とインコヒーレント光成分との分離が不可能になるためである。このような光バンドパスフィルタは誘電体多層膜フィルタなどを利用して商用化されている。
【０２０２】
2次非線形光学デバイス51において、このインコヒーレント光成分を励起光とするSFGが生じ、光周波数f0のSFG光が生じる。同時にこのSFG光を励起光として、同一の2次非線形光学デバイス51内でSPDCが生じ、シグナル光子、アイドラー光子から成る相関光子対が発生する。このようなカスケード2次非線形光学効果が生じうることは、本願発明者等が、PPLNリッジ導波路型非線形光学デバイスで発現するカスケードχ(2)過程を利用して光通信波長帯域での偏光量子もつれ光子対の発生について報告した文献Ｄ（Shin Arahira, Naoto Namekata, Tadashi Kishimoto, Hiroki Yaegashi, and Shuichiro Inoue, “Generation of polarization entangled photon pairs at telecommunication wavelength using cascaded χ(2) processes in a periodically poled LiNbO3 ridge waveguide" Optics Express vol. 19, No. 17, pp. 16032-16043, (2011).）等で明らかにしている。
【０２０３】
シグナル光の光周波数fs、アイドラー光の光周波数fiは、SPDC過程におけるエネルギー保存則を規定する式(24)を満足し、シグナル光子、アイドラー光子が同一波長帯(fs≒fi)にあるとき、式(24)からシグナル光、アイドラー光の光周波数はインコヒーレント光源の光周波数f0/2と一致もしくは極めて近くなる。従って、光バンドパスフィルタ53による入力インコヒーレント光の帯域制限は必要である。
【０２０４】
このような帯域制限をした結果、一般に入力インコヒーレント光の強度は低下し、この結果、実用に足るSPDC光子対の光子対数を得るのが困難になる場合も予想される。このようなときは、上述の第1の相関光子対発生装置を説明する際に示したように、光バンドパスフィルタ53の前後においてさらに光増幅器や光バンドパスフィルタを追加して挿入すればよい。これら光増幅器や光バンドパスフィルタは、複数個利用しても同様の効果が得られる。
【０２０５】
2次非線形光学デバイス51からの出力光は、まず光ローパスフィルタ54を経過する。その際、SPDCの励起光として使用したSFG光成分は除去され、結果、光ローパスフィルタ54からは、インコヒーレント光成分と相関光子対成分のみが出力される。
【０２０６】
次に、光リジェクションフィルタ55において、インコヒーレント光成分を除去し、相関光子対成分のみを透過する。このような光リジェクションフィルタとして好適なものの一例は、いわゆるAWGフィルタである。すなわち、AWGフィルタの有する複数の出力ポートのうちの2つを、式（24）を満足するシグナル光波長、アイドラー光波長となるように設定すればよい。そしてインコヒーレント光成分は別の出力ポートに出力される、または出力ポートに結合されることなく減衰されるように設定すればよい。
【０２０７】
また、透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタもまた光リジェクションフィルタ55として好適である。透過中心波長を光周波数f0/2に設定し、透過バンド幅を光バンドパスフィルタ53のそれよりも広く設定すれば、その反射出力にはインコヒーレント光成分が含まれず、相関光子対成分のみが出力される。このような光リジェクションフィルタ55は、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。
【０２０８】
また、FBGも、このような光リジェクションフィルタ55として利用できる。すなわち、ブラッグ波長が位相整合波長であるFBGを用意すれば、入力光のうちインコヒーレント光成分は反射されるのに対して、相関光子対成分を透過出力させることができる。
【０２０９】
なお、上述のような光リジェクションフィルタを複数個接続して使用してもよい。また、多くの応用例において、発生した相関光子対成分は互いに空間分離して出力されるほうが望ましい。これは光分離回路56において実行される。
【０２１０】
2次非線形光学デバイス51がType-II型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光が直交している。従って、光分離回路56として偏光ビームスプリッタを利用することができる。
【０２１１】
一方、2次非線形光学デバイス51がtype-I型の2次非線形光学デバイスであるとき、シグナル光子とアイドラー光子は互いに偏光方向が同じである。このようなときは、シグナル光子とアイドラー光子として、式(24)を満足する異なる波長の組み合わせを選び、光分離回路56としていわゆるAWGフィルタなどの、光合分波器の一種であるWDM(Wavelength Division Multiplexing)フィルタを利用して波長分離すればよい。またこのような場合、一つのAWGフィルタで光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の役割を担わせることも可能である。
【０２１２】
≪２≫
光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の部分を、2つの光ハイパスフィルタで構成することも可能である。図16を参照して、第2の相関光子対発生装置において、光リジェクションフィルタ55および光分離回路56の部分を2つの光ハイパスフィルタで構成した場合について説明する。
【０２１３】
第1の光ハイパスフィルタ57は、光バンドパスフィルタ53で決まる透過インコヒーレント光帯域よりも高周波数側の光を選択的に透過しそれ以外の光成分を反射する。また第2の光ハイパスフィルタ58は、光バンドパスフィルタ53で決まる透過インコヒーレント光帯域よりも低周波数側の光を選択的に反射する。このような第1及び第2の光ハイパスフィルタは、誘電体多層膜フィルタなどを利用したものが市販されている。
【０２１４】
光ローパスフィルタ54からの出力光は、まず第1の光ハイパスフィルタ57に入力される。その透過光には、インコヒーレント光成分は含まれず、相関光子対のうち高周波数成分（シグナル光成分とする）のみが選択的に出力される。第1の光ハイパスフィルタ57の反射光（インコヒーレント光成分含む）は、次に第2の光ハイパスフィルタ58に入力される。そしてその反射光には、インコヒーレント光成分は含まれず、相関光子対のうち低周波数成分（アイドラー光とする）のみが選択的に出力される。この結果、第1の光ハイパスフィルタ57の透過出力からシグナル光成分が、また第2の光ハイパスフィルタ58の反射出力からアイドラー光成分が、インコヒーレント光成分を含まずに空間分離されて出力される。必要に応じてそれぞれの出力端に別途光バンドパスフィルタ59、60を追加接続して帯域制限する構成としてもよい。
【０２１５】
このように発生させた相関光子対を利用して、量子もつれ光子対も発生できる。例えば、図15と同じ構成の第2の相関光子対発生装置において、インコヒーレント光源強度を適度に設定すれば、時間位置量子もつれ光子対を発生できる。また図12に示す第1の相関光子対発生装置のように、サニャックループ干渉計を構成することで偏光量子もつれ光子対を発生することもできる。
【０２１６】
≪３≫
次に、図17を参照して、非線形光学デバイスとしてtype-I型の2次非線形光学デバイスを利用した第2の相関光子対発生装置である、偏光量子もつれ光子対発生装置について説明する。
【０２１７】
この偏光量子もつれ光子対発生装置は、光周波数f0/2近傍の周波数成分を含むインコヒーレント光源52と、位相整合波長λPMW(＝2c/f0)近傍の波長成分を透過する光バンドパスフィルタ53と、type-I型の2次非線形光学デバイス51と、λPMW/2近傍の波長成分の和周波光を除去する光ローパスフィルタ54と、光リジェクションフィルタ55と、光分離回路56と、偏光子61と、偏光回転器62と、光合分波器の一種であるWDMフィルタ63と、偏光ビームスプリッタ64と、入力光の偏光を90度回転する90度偏光回転器65とを備えている。
【０２１８】
光リジェクションフィルタ55は、光バンドパスフィルタ53を透過するインコヒーレント光成分を除去する。光分離回路56は、2次非線形光デバイス51が発生するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対をシグナル光成分とアイドラー光成分とに空間分離して出力する。偏光回転器62は、偏光子61を透過したインコヒーレント光成分の偏光を45度回転する。WDMフィルタ63は、第1のポート63-1、第2のポート63-2、及び第3のポート63-3を備え、第1のポート63-1から入力するインコヒーレント光成分を第2のポート63-2に出力し、第2のポート63-2から入力するシグナル光成分とアイドラー光成分から成る相関光子対成分を第3のポート63-3に出力する。偏光ビームスプリッタ64は、第1のポート64-1、第2のポート64-2、及び第3のポート64-3を備え、第1のポート64-1から入力された光を第2、第3のポート(64-2、46-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力し、それら偏光分離された偏光成分と同じ偏光方向の光が各々第2、第3のポート(64-2、46-3)へと入力されると第1のポート64-1へと偏光合成して出力する。
【０２１９】
そして、偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2と第3のポート64-3を結ぶサニャックループ経路に2次非線形光学デバイス51、及び90度偏光回転器65が配置され、WDMフィルタ63の第1のポート63-1とインコヒーレント光源52の間に光バンドパスフィルタ53、偏光子61、偏光回転器62が接続されている。偏光回転器62からの光出力は、WDMフィルタ63に入力される。WDMフィルタ63の動作は先に述べた透過光および反射光をともに出力できる光バンドパスフィルタを利用した光リジェクションフィルタ55と同様な動作を行う。すなわち、光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分は第1のポート63-1から入力され第2のポート63-2から出力され(透過)、一方、SPDC相関光子対に相当する光周波数f0/2近傍の成分は、第2のポート63-2から入力され第3のポート63-3から出力される（反射）。このようなWDMフィルタ63は市販の光バンドフィルタの技術を利用して実現できる。またWDMフィルタ63は、サニャックループ干渉計から出力される入力インコヒーレント光成分を除去する役割も果たすため、先の説明での光リジェクションフィルタ55の役割も併せ持つ。
【０２２０】
また、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1が接続され、WDMフィルタ63の第3のポート63-3に光ローパスフィルタ54が接続されている。WDMフィルタ63の第2のポート63-2から出力されるインコヒーレント光は、次に偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1に入力される。偏光ビームスプリッタ64において、第1のポート64-1から入力された光周波数f0/2近傍のインコヒーレント光成分のうち、例えばp偏光成分は第2のポート64-2に出力され、それと偏光直交するs偏光成分は第3のポート64-3に出力される。ここでは、p偏光成分は2次非線形光学デバイス51において最も強くSFG及びSPDCを生じさせる励起光偏光方向とする。
【０２２１】
同様に偏光ビームスプリッタ64において、第2のポート64-2から入力された光周波数f0/2近傍のSPDC相関光子対成分のうち、p偏光成分は第1のポート64-1に出力される。またそれと偏光直交するs偏光成分は第3のポート64-3に入力されると第1のポート64-1に出力される。このような偏光ビームスプリッタ64は誘電体多層膜フィルタ等の技術を利用して実現可能である。
【０２２２】
また90度偏光回転器65においては、光周波数f0/2近傍の入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対の偏光を90度回転する。このような90度偏光回転器65として、本発明の実施例と同様に偏光面保持ファイバの光学軸を90回転して融着接合したものを利用できる。さらにまたこの場合、入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対は同じ波長領域にあるため、1/2波長版を利用することもできる。
【０２２３】
インコヒーレント光源52からの出力光は、光バンドパスフィルタ53、偏光子61、偏光回転器62を経過後、WDMフィルタ63の第1のポート63-1、第2のポート63-2を経過し45度偏光として偏光ビームスプリッタ64の第1のポート64-1に入力される。すなわち、インコヒーレント光源52からの出力光は光バンドパスフィルタ53で帯域制限されたのち、偏光子61で直線偏光に変換され、偏光回転器62で斜め45度直線偏光に変換される。
【０２２４】
偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2から出力されたp偏光の入力インコヒーレント光は、2次非線形光学デバイス51においてSFGを発生し、それに伴いSPDCによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は90度偏光回転器65を経過してs偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ64の第3のポート64-3に入力され、第1のポート64-1に出力される。そして、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に入力され、結果、第3のポート63-3から出力される。
【０２２５】
一方、偏光ビームスプリッタ64の第3のポート64-3から出力されたs偏光の入力インコヒーレント光は、90度偏光回転器65を経過してp偏光に変換され2次非線形光学デバイス51において同じくSFGを発生し、それに伴いSPDCによるp偏光の相関光子対を発生する。この相関光子対は偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2に入力され、第1のポート64-1に出力される。そして、WDMフィルタ63の第2のポート63-2に入力され、結果、第3のポート63-3から出力される。
【０２２６】
偏光子61は、例えば偏光無依存EDFAのような不定偏光のインコヒーレント光源を利用した場合に、一定の直線偏光成分のみを利用するために挿入されている。これは、直交偏光間には可干渉性を持たないためで、このような操作は、発生させる量子もつれ光子対のコヒーレンスを良化するために必要である。一方、インコヒーレント光源52からの出力光がLED光源のように直線偏光に近い場合には、偏光子61はなくてもよい。
【０２２７】
偏光ビームスプリッタ64の第2のポート64-2、第3のポート64-3から出力されたループ経路を右回りおよび左回りに伝搬するインコヒーレント光成分が、2次非線形光学デバイス51に双方向に入力され、2次非線形光学デバイス51において光バンドパスフィルタ53を通過するインコヒーレント光成分に対するSFG光が発生するとともに、このSFG光に対するパラメトリック下方変換によりシグナル光とアイドラー光とからなる相関光子対を双方向に発生する。双方向に発生した相関光子対が偏光ビームスプリッタ64において偏光合成され第1のポート64-1に出力され、偏光合成された相関光子対がWDMフィルタ63の第2のポート63-2、第3のポート63-3、光ローパスフィルタ54、光リジェクションフィルタ55、光分離回路56を経過して量子もつれ光子対として発生する。
【０２２８】
結果として、WDMフィルタ63の第3のポート63-3からは、光周波数f0/2近傍のs偏光の相関光子対とp偏光の相関光子対が出力される。入力インコヒーレント光源の強度を適度に調整すれば、これらの重ね合わせ状態、すなわち偏光量子もつれ状態を実現できる。その後、光ローパスフィルタ54でSFG光成分を除去し、またWDMフィルタ63での入力インコヒーレント光の除去が不十分である場合には適宜追加の光リジェクションフィルタ55を通過し、その後AWGフィルタなどの光分離回路56を用いてシグナル光成分、アイドラー光成分を空間分離出力して実用に供することができる。
【０２２９】
図17を参照して説明した偏光量子もつれ光子対発生装置は、上述したように、非線形光学デバイスは一つの2次非線形光学デバイスを備えるだけで済む。そのため、装置を低コスト化・小型化できる。また、短波長のSFG光成分は2次非線形光学デバイス51自身で発生するため、それ以外の光学経路で短波長光を伝搬させたり光結合させたりする必要がない。そのため、例えばWDMフィルタ63や偏光ビームスプリッタ64、90度偏光回転器65は、光周波数f0/2近傍の入力インコヒーレント光およびSPDC相関光子対の波長領域でだけ動作するものでよく、波長変換光波長での動作は必要としない。そのため、より低コストでかつ、挿入損失が小さい高性能な装置構成が可能となる。
【０２３０】
＜時間位置量子もつれ光子対発生装置＞
図12、図13、図14、図17、及び図18を参照して、上述の第1あるいは第2の相関光子対発生装置(偏光量子もつれ光子対発生装置)に、モード変換器70を更に備えることによって構成される相関光子対発生装置(時間位置量子もつれ光子対発生装置)について説明する。
【０２３１】
モード変換器70は、光子対に対して複数存在するそれぞれの光子の時間スロットへの分配の仕方が重ね合わさった状態にあり、光子対間の時間位置に相関がある相関光子対を形成するため、偏光面が互いに直交する2光子間の光路間で相対的な遅延時間差を発生させる。この相対的な遅延時間差を発生させる機構として、例えば、光子を偏光面が互いに直交する関係に分離する偏光ビームスプリッタと、偏光面が互いに直交する関係にある光子を合わせるハーフミラーとの間に2光路を併設し、この2光路で生じる光時間遅延が異なるように設定されている。
【０２３２】
モード変換器70は、図12〜図14に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合は、光リジェクションフィルタ33(図14では第1の光リジェクションフィルタ33-1又は第2の光リジェクションフィルタ33-2)の前段もしくは後段に挿入する。あるいはまた、モード変換器70は図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合は、光ローパスフィルタ54の前段もしくは後段に挿入する。
【０２３３】
図18を参照してモード変換器70の構成及びその動作について説明する。なお、図18に示すモード変換器70は、図12に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合を想定して、モード変換器70をダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3と光リジェクションフィルタ33の間に配置した場合を図示している。図13、図14及び図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に追加する場合も、モード変換器70の構成は同様である。
【０２３４】
モード変換器70は、光子を偏光面が互いに直交する関係に分離する第2の偏光ビームスプリッタ71と、相対的な遅延時間差を発生させる第2の90度偏光回転器72と、偏光面が互いに直交する関係にある光子を合わせるハーフミラー73とを備えている。ハーフミラー73は、少なくとも3つの入出力ポート73-1〜73-3を有するハーフミラーである。ここで第4のポートに相当するポート73-4は実用に供しないが、図18は説明の便宜上図示してある。
【０２３５】
第2の偏光ビームスプリッタ71は、第1のポート71-1から入力された相関光子対を第2、第3のポート(71-2、71-3)へと互いに偏光直交する偏光成分へと分離出力する。第2の90度偏光回転器72は、相関光子対の偏光を90度回転する。ハーフミラー73は、第1のポート73-1から入力された相関光子対を第2、第4のポート(73-2、73-4)へ等分岐し、第3のポート73-3から入力された相関光子対を第2、第4のポート(73-2、73-4)へ等分岐する。
【０２３６】
第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1とが接続され、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2と第2の90度偏光回転器72とハーフミラー73の第3のポート73-3とがこの順番に接続されている。第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1との間の光路で生じる光遅延時間と、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2とハーフミラー73の第3のポート73-3との間の光路で生じる光遅延時間差が異なるように設定されている。
【０２３７】
すなわち、第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1を結ぶ光路と、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2と第2の90度偏光回転器72を経由してハーフミラー73の第3のポート73-3を結ぶ光路との間には、相対的な遅延時間差τがつけられている。
【０２３８】
ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3から出力される偏光量子もつれ光子対は、第2の偏光ビームスプリッタ71の第1のポート71-１に入力され、偏光分離されて第2のポート71-2、第3のポート71-3へ出力される。第3のポート71-3からの出力光は、そのままハーフミラー73の第1のポート73-1に入力され、第2のポート73-2および第4のポート73-4に分岐出力される。一方、第2のポート71-2からの出力光は、第2の90度偏光回転器72において偏光が90度回転されたのち、ハーフミラー73の第3のポート73-3に入力され、第2のポート73-2および第4のポート73-4に分岐出力される。
【０２３９】
ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3は、図13に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に対しては偏光ビームスプリッタ41の第4のポート41-4の出力端に相当し、図17に示す偏光量子もつれ光子対発生装置に対してはWDMフィルタ63の第3のポート63-3の出力端に相当する。
【０２４０】
ダイクロイックフィルタ40の第3のポート40-3から出力される偏光量子もつれ光子対は、第2の偏光ビームスプリッタ71の第1のポート71-１に入力され、偏光分離される。結果、p偏光の相関光子対は第3のポート71-3へと出力され、一方、s偏光の相関光子対は第2のポート71-2へ出力される。第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3から出力される相関光子対は、ハーフミラー73の第1のポート73-1に入力され、第2のポート73-2及び第4のポート73-4にp偏光のまま分岐出力される。一方、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2から出力されるs偏光の相関光子対は、第2の90度偏光回転器72において偏光がp偏光へと変換されたのち、ハーフミラー73の第3のポート73-3に入力され、第2のポート73-2及び第4のポート73-4にp偏光のまま分岐出力される。
【０２４１】
ここで、ハーフミラー73の第2のポート73-2からの出力に着目する。ハーフミラー73の第2のポート73-2は光リジェクションフィルタ33と光分離回路34に結合される。ここで、光分離回路34の2つの出力ポートから光子が同時に出力されたとした場合、それは、以下に示す（１）又は（２）のいずれかとなる。すなわち、
（１）p偏光の相関光子対が、第2の偏光ビームスプリッタ71の第3のポート71-3とハーフミラー73の第1のポート73-1を経過したのち、ハーフミラー73の第2のポート73-2へp偏光としてと出力されたか、
（２）s偏光の相関光子対が、第2の偏光ビームスプリッタ71の第2のポート71-2、第2の90度偏光回転器72、ハーフミラー73の第3のポート73-3を経過したのち、ハーフミラー73の第3のポート73-2へp偏光として出力されたか
のいずれかとなる。
【０２４２】
このような、シグナル光、アイドラー光が光分離回路34の2つの出力ポートから同時に出力されるという条件のもとで、（１）の場合と（２）の場合で発生するシグナル光とアイドラー光の相関光子対の間には、τの遅延時間が与えられている。
【０２４３】
インコヒーレント光源が光パルス化されており、そのパルス幅よりも遅延時間τが十分大きいならば、光分離回路34の2つの出力ポートから出力される相関光子対は、相対遅延時間ゼロの相関光子対と、相対遅延時間τの相関光子対の重ね合わせ状態となり、すなわち、条件付きの時間位置量子もつれ光子対を発生できることになる。
【０２４４】
図12、図13、図14、図17を参照して説明した相関光子対発生装置と、図10、15を参照して説明した第1及び第2の相関光子対発生装置との違いは以下のように生じる。
【０２４５】
すなわち、時間位置量子もつれにおける可干渉性は、SPDCないしはSFWMを生じる励起光源のコヒーレンス時間で決まる。図10、15で図示した第1及び第2の相関光子対発生装置から出力される時間位置量子もつれ光子対の場合、コヒーレンス時間は数十ps（SHGバンド幅の逆数）であり、すなわち、これより短い遅延時間τの遅延干渉計を利用して、例えば量子鍵配送などを行わなければならない。
【０２４６】
一方、図12、図13、図14、図17を参照して説明した相関光子対発生装置から出力される時間位置量子もつれ光子対では、もとになる偏光量子もつれで発生させたp偏光の相関光子対とs偏光の相関光子対は高い可干渉性を有している。それゆえに、それを利用して発生させた時間位置量子もつれ光子対も高い可干渉性を有している。すなわち、励起光源のコヒーレンス時間にかかわらず、システム構成要件等に応じて自由に遅延時間τの設計ができる。そのため、第1及び第2の相関光子対発生装置の効果に加えて以下の効果が期待できる。すなわち、遅延時間τの設計の自由度が高く、かつ、高い可干渉性を有する時間位置量子もつれ光子対を発生できる。
【０２４７】
また時間位置量子もつれ光子対発生装置において、インコヒーレント光源はインコヒーレント光源を構成するいずれか適当な箇所に光変調器を挿入する、またはインコヒーレント光源を励起する電流や光源をパルス化するなどの手段を講ずることによって、光パルス状のインコヒーレント光を発生するインコヒーレント光源であるものとする。
【０２４８】
＜相関光子対発生装置の変形例＞
上述した第1及び第2の相関光子対発生装置における光バンドパスフィルタや光ローパスフィルタ等の接続順は、本発明の実施形態の構成図の順に限定されない。例えば図12〜図14において、光ハイパスフィルタ32と偏光回転器39の配置を互いに入れ替えてもよい。また図17における光バンドパスフィルタ53はインコヒーレント光源52とWDMフィルタ63の第1のポート63-1を結ぶ光路のいずれの場所に挿入されてもよい。また図15、図17における光ローパスフィルタ54と光リジェクションフィルタ55の配置を入れ代えてもよい。また図11及び図16における第1の光ハイパスフィルタ35、57及び第2の光ハイパスフィルタ36、58の順番を入れ替えてもよい。また光ハイパスフィルタの代わりに光ローパスフィルタを利用してもよい。
【０２４９】
また、図12〜図14、図17に示すサニャックループ干渉計を利用した偏光量子もつれ光子対発生装置において、偏光回転器39、62後の光の偏光状態を45度偏光として説明したが、これは左右円偏光であっても構わない。また、その後のダイクロイックフィルタや偏光ビームスプリッタの挿入損失に偏光依存性がある場合、また非線形光学デバイスへ励起光を双方向入力する際の光結合効率が非対称性である場合などにおいて、これらを補償するために、偏光回転器39、62後の光の偏光状態を45度偏光から少しはずれた状態とすることが好ましい場合もある。この場合でも本発明の効果を得ることができる。またこのような場合に対処するためには、偏光回転器39、62として、光学軸方向が可回転な1/2波長板を利用するのが最も望ましい。
【０２５０】
また非線形光学デバイスとしては、必要とする波長変換光波長や量子もつれ光子対波長などに応じて、適宜最適なものを選べばよく、それらの具体なデバイスの種類や波長等は本発明の効果を限定するものではない。すなわち、導波路型デバイスであってもよいしバルク結晶でもよい。また紫外光を扱ってもよいし赤外光を扱ってもよい。
【０２５１】
また本発明では周期的分極反転構造を有する疑似位相整合2次非線形光学デバイスの場合においてその動作検証実験を行ったが、本発明の効果は、例えば分極反転周期を光の伝搬方向に沿って変化させた、いわゆるチャープグレーティング構造を施した疑似位相整合2次非線形光学デバイスの場合においても、本発明の動作原理を考えれば得ることができる。
【０２５２】
また、時間位置量子もつれ光子対発生装置のように、また第1及び第2の相関光子対発生装置においても、インコヒーレント光源を構成するいずれか適当な箇所に光変調器を挿入する、またはインコヒーレント光源を励起する電流や光源をパルス化するなどの手法によって、パルス状のインコヒーレント光源を用意して、結果、パルス状の波長変換光、あるいは相関光子対、あるいは量子もつれ光子対を発生させることも、本発明の実施形態に含まれる。
【符号の説明】
【０２５３】
1：第1の非線形光学デバイス
2、22、52：インコヒーレント光源
3、4、7、23、24：光学結合系
5：光増幅器
6、37、38、53、59、60：光バンドパスフィルタ
8：自由空間光取得装置
21：n次非線形光学デバイス
30：光源装置
31：第2の非線形光学デバイス
32：光ハイパスフィルタ
33、55：光リジェクションフィルタ
33-1：第1の光リジェクションフィルタ
33-2：第2の光リジェクションフィルタ
34、56：光分離回路
35、57：第1の光ハイパスフィルタ
36、58：第2の光ハイパスフィルタ
39、62：偏光回転器
40：ダイクロイックフィルタ
41、64、71：偏光ビームスプリッタ
42、65、72：90度偏光回転器
51：2次非線形光学デバイス
54：光ローパスフィルタ
61：偏光子
63：WDMフィルタ
70：モード変換器
73：ハーフミラー
【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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【図１４】
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【図１５】
2015114539.tif 000038
【図１６】
2015114539.tif 000039
【図１７】
2015114539.tif 000040
【図１８】
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