(57)【要約】  本発明は光学的パラメトリック オシレータ（ＯＰＯ）の分野、特にポンプ波動からポンプ波長へのパラメトリック変換のための垂直モノリシックシステム（S）に関する。前記システムは少なくとも２つの共鳴キャビティ（６，７）を持つ。前記キャビティは少なくとも１つの結合ミラー（３）により結合し、少なくともキャビティの内の１つは活性非線形メディアを含み、少なくとも１つの結合ミラーはポンプ波長に関連するパラメトリック周波数は前記システムの軸に基づいて前記ポンプ波動の注入方向について前記少なくとも１のミラーの禁止帯に位置するように構成されている。【選択図】図２
2008546029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ波動からポンプ周波数へのパラメトリック変換のための、少なくとも２の共鳴キャビティ（６，７）を有するモノリシックシステムであって、
前記複数キャビティは少なくとも１の結合ミラー（３）を介して強結合して、前記ポンプ周波数に関連するパラメトリック周波数を生成するように構成されており、少なくとも前記キャビティの内の１のキャビティは活性化した非線形メディアを含み、前記少なくとも１の結合ミラーは、前記パラメトリック周波数が前記システムの表面を介して前記ポンプ波動の注入方向について前記少なくとも１のミラーのストップバンドに位置するように構成されているモノリシックシステム。
【請求項２】
３の共鳴キャビティを含み、前記複数キャビティは２の結合ミラーを介して強結合して、前記ポンプ周波数に関連する３のパラメトリック周波数を生成するように構成されており、前記システムは前記システムを閉じる２のミラーを含み、前記２の結合ミラーと共に前記複数キャビティを形成することを特徴とする請求項１に記載のパラメトリック変換システム（S）。
【請求項３】
２の共鳴キャビティを含み、前記複数キャビティは１の結合ミラーを介して強結合して、前記ポンプ周波数に関連する３のパラメトリック周波数を生成するように構成されており、前記システムは前記システムを閉じる２のミラーを含み、前記結合ミラーと共に前記複数キャビティを形成することを特徴とする請求項１に記載のパラメトリック変換システム（S）。
【請求項４】
前記活性化非線形メディアがχ（３）タイプのサスセプティビティを持つことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項５】
前記活性化非線形メディアがχ（２）タイプのサスセプティビティを持つことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項６】
前記活性化材料が量子井戸、量子箱システム、又はポリマーである請求項１乃至５の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項７】
前記少なくとも１の結合ミラーがBraggミラーであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項８】
前記少なくとも１の結合ミラーが前記パラメトリック変換に適合する反射率パラメータを持つ誘電体又は金属レイヤを含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項９】
前記キャビティの各々が変換を望むポンプ波動の半波長の小整数倍に実質的に等しい厚みを持つことを特徴とするポンプ波動からパラメトリック変換するための請求項１乃至８の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項１０】
少なくとも１のキャビティの厚みはラテラルグラジェント（lateral gradient）を持つことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項１１】
垂直タイプであって、第１キャビティの厚みが第１の方向においてラテラルグラジェントを持ち、第２キャビティの厚みが前記第１の方向とは異なる第２の方向においてラテラルグラジェントを持つことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項１２】
前記キャビティのコアがエピタクシーであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項１３】
少なくとも１の結合ミラーがエピタクシーであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項記載のパラメトリック変換システム。
【請求項１４】
更にポンプ波動を注入するための手段を有する請求項１乃至１３の何れか一項に基づくシステムを有するパラメトリック変換を行うための光学装置であって、ポンプ波長にポンプ波動を注入する手段を含み、前記注入手段は実質的に前記システムの軸に沿って実質的に前記ポンプ波動を注入するのに適合している光学装置。
【請求項１５】
前記注入手段は、前記システムに堅く接続し、前記ポンプ波長のための弱結合ミラーを介して前記システムに弱く結合しているキャビティにより形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１６】
パラメトリック変換を行うための請求項１４又は１５の何れか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学的パラメトリック変換システム、光学的パラメトリック オシレータ（ＯＰＯ）、光学的パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）並びに２対のフォトン生成についての技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学媒体において得られた光学的パラメトリック変換システムは、例えば、周波数ωｐで該システムに注入された「ポンプフォトン」を、異なる周波数ωｓとωｉの２対の「信号」フォトンと「アイドラ(idler)」フォトンとに変換することを可能にする。２対のフォトンが生成され、新たな周波数の生成（ＯＰＯに関して）、又は小信号の増幅（ＯＰＡに関して）を可能にする。オシレータを構成するために、非線形媒体が共鳴キャビティ内におかれるときに、前記効果は増幅される。キャビティが「信号」と「アイドラ」に対する共鳴に（二重共鳴ＯＰＯ，即ちＤＲＯＰＯ）又は、三波長に対する共鳴（三重共鳴ＯＰＯ，即ちＴＲＯＰＯ）に近接しているときに、パラメトリック生成に対する閾値はかなり低減される可能性があり、これはメカニズムの効率をかなり向上させることが知られている。このシステムがインパルス励起の下で動作することに留意すべきである。ＯＰＯはコーヒーレント光源で、新規な周波数が「ポンプ」の電力閾値以上で自発的に生成される。ＯＰＡ(生成は自発的ではない)は、弱い強度の、周波数ωｓ、ωiの光束を増幅するためにそのキャパシティで使用される。非線形媒体の特性及び、キャビティの設計により周波数ωｓ、ωiが決められる。χ（２）タイプ非線形サスセプティビリティを呈する活性化媒体に対し、エネルギー保存は２ωｐ＝ωｓ＋ωiの関係を導く。χ（３）タイプの媒体に対し、２ωｐ＝ωｓ＋ωiの関係を導く。２つの場合において、効率のよいパラメトリック変換は次式で示される位相一致条件の最適化が必要となる。
Δｋ＝Ｋp−Ｋi−Ｋｓ＝０  （χ（２）タイプシステムに対し）、又は
Δｋ＝２Ｋp−Ｋi−Ｋｓ＝０  （χ（３）タイプシステムに対し）。
【０００３】
マルチレゾナンスを取得するためにキャビティの助けを借りてパラメトリック変換するモノリシック又は非モノリシックのシステムが従来から知られていた。従来の非モノリシックＯＰＯについての問題点はその規模が大きく、複雑であることである。その理由はポンプレーザ、非線形クリスタルとキャビティ用外部ミラーを必要としたからである。効率的なパラメトリック変換を得るための課題は当業者により位相一致条件として知られている条件を満足する必要性に関係しており、他の１つはパラメトリック周波数を持つ共鳴キャビティモードを得る必要性に関係している。モノリシックシステムに関しては、非線形性がχ（２）、χ（３）であるかによって、２つの状況が異なるとして区別される。
【０００４】
Savvidis,Maumberg,Stevenson,Skolnick,Whittaker,Roberts によるPhysical Review Letters,Vol 84, Page 1547, 2000年２月刊行“Angle-Resonant Stimulated Polariton Amplifier”には、単一プレーナマイクロキャビティ手段を介するパラメトリック増幅のシステムが記載されている。電磁場は、成長方向においてキャビティにより全体的に閉じ込められており、そのコアに配置されている量子井戸を持つエキシトンーフォトン強結合構造におかれている。前記システムにおいて、χ（３）サスセプティビリティは極めて高く、効率的なパラメトリック変換を可能にし、ωｐ、ωｓ及びωｉに近い周波数を得ることができる。これらは全て、Braggミラーのストップバンド(stop band)に含まれている。単一キャビティは、エキシトン−フォトン強結合構造において、三重共鳴（triple resonance）を可能にし、三周波数を得ることができる。しかしながら、位相一致条件に適合することは、高い値（通常１６°）でポンプフォトンの注入が必要であり、特定角度を決定する困難であり、実際の利用を困難にする。なお、アイドラ フォトンがより大きい角度で放出される。その角度は、キャビティ外部とフォトンとの結合が特に低く、フォトン対の生成を困難にする。最後に、エキシトンーフォトン強結合構造は位相一致を得るために不可欠であり、前記システムは、製造するのに利用可能な材料（GaAsのような）を使って、低温度でしか動作しない。
【０００５】
他方、χ（２）の非線形性を利用するシステムについて、Haidar,Forget and Rosencher によるIEEE Journal of Quantum Electronics,Vol 30,No.4,April 2003 に公開された“Optical Parametric Oscillation in Microcavities Based on Isotropic Semiconductorrs: a Theroritical Study”には、パラメトリック振動のシステムが明らかにされている。その中で、ミラーの反射率ダイアグラムが図１のようなものとして記載されている。該刊行物には、ｃｏｐ、ｗｓ、ｗｉ周波数がかなり異なるもので、単一Braggミラーのストップバンドに含まれなくてもよいことが記載されている。従って、信号とアイドラに対し、共鳴条件が２つのキャビティ（規定された方向に相互に強結合していない）の助けを借りて求められる。
【０００６】
フランス特許ＦＲ2 751 796（ＣＥＡの名で）が公知である。この公報には２つの結合レーザが記載されている。第１レーザは第２レーザをポンプしている。しかし、前記公報のレーザキャビティはパラメトリック周波数を生成するように構成されていない。実際、Ｄ１に記載されたシステムはパラメトリック・オシレータではなく、単純なレーザである。特に、前記公報には、複数レーザキャビティ間のカップリングの特性について記載されていない。パラメトリック周波数を制御できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の１つの目的は、パラメトリック変換を容易に行うために、既存のパラメトリック変換システムの代替案を提供することである。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、規定された方向で、ポンプと、信号及びアイドラとの間の近い周波数に対し、又は、少なくとも３つのパラメトリック周波数の内の２つの周波数の間の近い周波数に対し、パラメトリック変換を可能にすることである。
【０００９】
本発明の他の目的は、システムの軸に従ってポンプの注入角度に対し垂直なパラメトリック変換システムを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記問題点の少なくとも１つの問題点を解決するためのものであって、本発明はポンプ波からポンプ周波数へのパラメトリック変換のための、モノリシックシステムに関係する。該システムは、少なくとも２つの共鳴キャビティを有している。前記キャビティは少なくとも１つのカップリングミラーを介して強結合しており、前記キャビティは前記ポンプ周波数に関係するパラメトリック周波数を生成するように構成されている。前記キャビティの内少なくとも１つは活性化している（active）非線形媒体を有している。又、前記少なくとも１つのカップリングミラーは、前記システムの表面を介して前記ポンプ波動の注入方向に向けて前記パラメトリック周波数が前記少なくとも１つのミラーのストップバンドに位置するように構成されている。
【００１１】
本出願の目的で、当業者が理解するように、用語「相互に強結合しているキャビティ」は共鳴キャビティモードの縮退リフト（degenerate lift）に対応する。
【００１２】
ポンプ波動の注入方向はシステムの「表面を介して」生成される。実際、本発明によるシステムは、実質的に並列の面に従う複数レイヤを含み、モノリシックシステムを構成している。公知のにおいては前記レイヤのウェーハを介さずに、前記面に従って注入が行われる。本発明によるシステムは、従って、ウェーハを介しての注入に対し、当業者により垂直注入として知られているものである。同様に、本発明によるシステムは表面放出システムである。
【００１３】
このように、前記結合システムの特定モードは、パラメトリック周波数に対して、マルチレゾナント光学モードのアセンブリを実現する。
【００１４】
第１実施例によると、非線形材料は、信号とアイドラのフォトンをポンプ周波数に近い周波数で生成できるχ（３）タイプのサスセプティビリティを有する。
【００１５】
第２実施例によると、材料は、３つのパラメトリック周波数の内の２つの周波数が相互に近いような変換を可能にするχ（２）タイプのサスセプティビリティを有する。
【００１６】
本応用の目的で、用語「近い周波数」はBraggミラーのストップバンドに含まれる周波数に対応する。
【００１７】
実施例の第１の形態によると、３重共鳴装置を実現するために、上記システムは３つの共鳴キャビティを有してもよい。前記キャビティは２つのカップリングミラーを介して強結合しており、前記キャビティは前記ポンプ周波数に関係する３つのパラメトリック周波数を生成するように構成されている。前記システムは、システムを閉じて(close)、前記２つのカップリングミラーと共に前記キャビティを形成する２つのミラーを有している。
【００１８】
実施例の第２の形態によると、２重共鳴装置を実現するために、上記システムは２つの共鳴キャビティを有してもよい。前記キャビティは１つのカップリングミラーを介して強結合しており、前記キャビティは前記ポンプ周波数に関係する３つのパラメトリック周波数を生成するように構成されている。前記システムは、システムを閉じて、前記カップリングミラーと共に前記キャビティを形成する２つのミラーを有している。
【００１９】
活性化した(active)非線形媒体は量子井戸又は量子箱システム、或いは固体材料であってよい。例えば、半導体又はポリマ、或いは他の固体活性化媒体。
【００２０】
カップリングミラーはBraggミラーであることが好ましい、或いは本発明に適合した反射率のパラメータを持つ誘電体レイヤ又は金属レイヤであることが好ましい。
【００２１】
１つの可能な実施例によると、前記少なくとも１つのキャビティは実質的に変換したいポンプ波動の半波長の小整数倍に等しい厚みを持つ。従って、場はキャビティにおいて十分に強い。
【００２２】
本発明によるパラメトリック変換システムは、光弱結合構造の場合に対し、又、光強結合構造（フォトンーエキシトン）の場合に対し、位相一致条件を有利に得るようにすることができる。
【００２３】
もし成長方法が公称厚みを対象にするのに十分正確でないならば、キャビティモードとパラメトリック周波数との間の共鳴条件を精度よく合わせるためには、オプションとして、少なくとも１つのキャビティの厚みは、垂直システムに対する成長軸方向の法平面にラテラル グラジェント(lateral gradient)を示す。
【００２４】
成長方法が公称厚みを対象とするのに十分正確ではないならば、キャビティモードとパラメトリック周波数との間の共鳴条件を精度よく合わせるためには、１つのキャビティの厚みは、垂直システムに対する成長軸方向の法平面において第１の方向のラテラルグラジェントをもち、第２キャビティは第１の方向とは異なる第２方向（例えば、成長軸方向に対する法平面において垂直）のラテラル グラジェントをもつことが好ましい。
【００２５】
又、よりアイソトロピックな光モードを得るために、構成のウェーハを介してエミッションを出す装置に対して、本発明によるシステムは表面エミッションシステムである。後者は、切断の前に部品をテストし、場合によっては同一特性の大量の部品の生産と使用ができるという利点を有している。前記タイプの形（geometry）は光ファイバとの簡易なカップリングを可能にする。
【００２６】
マイクロストラクチャの分野において成長する技術により、キャビティのコア及び/又はBraggミラーは、エピタキシーされる(epitaxied)。
【００２７】
本発明は上記したシステムを有するパラメトリック変換を行う光学装置に関する。又、この装置はポンプ波長にポンプ波動を注入するための注入手段を有している。この注入手段は実質的に前記システムの複数軸に従って前記ポンプ波動を注入するのに適している。
【００２８】
１つの実施例に従ってコンパクトな装置を得るために、上記注入手段は、注入として知られているキャビティにより形成されており、前記システムと堅く結合しており、前記ポンプ波長に対し弱結合カップリングミラーを介して前記システムに弱く結合している。
【００２９】
注入として知られているキャビティは上記したようにシステムの外側にあってよい。又、システムの拡大の後“wafer bonding”と呼ばれる技術を介して有利に取り付けてもよい。
【００３０】
注入として知られているキャビティは電気的注入を許容するように、ＶＣＳＥＬ製造のための従来技術により有利に製造される。
【００３１】
コンパクトなシステムの他の実施例に従って、注入キャビティはパラメトリック変換システムを生産するために使われる複数キャビティの１つであってもよい。
【００３２】
本発明は、図面を参照しながら、説明の目的で記載された以下の記載、本発明の１つの実施例の助けを借りてより良く理解される。
【００３３】
図１は従来技術に基づくパラメトリック変換システムの概略図と従来技術によるパラメトリック周波数のダイアグラムを表わす。
図２は本発明によるパラメトリック変換システムの実施例を表わす。
図３Ａは本発明による図２で示される実施例の誘電体構成を表わす。
図３Ｂは図３Ａの誘電体構成の反射率の図を表わす。
【００３４】
図４は標準伝達(transfer)マトリックス法により算出された反射率の図を表わす。但し、位相一致が、３つの最低エネルギー状態の間において、０度で、本発明によるシステムにより得られる。
図５は、non-zeroエミッション角度に対し、本発明によるシステムにより得られる位相一致を表わす。これにより量子錯綜（quantum entanglement）を実現することが可能になる。
図６は、図２の実施例による、非共鳴励起の下でのエミッションの測定（左側のグラフ）並びにポンプモードの共鳴励起の下で測定したエミッション（右側のグラフ）を表わす。信号/アイドラ対がハイライトされている。
【００３５】
図７は、図２で示された発明よるシステムを使って得られたパラメトリック変換結果を表わす。左側のグラフは非共鳴励起及び共鳴励起の下での測定されたスペクトラム（ゼロ角度）を表わす。右側の２つのグラフは、“ｘ”相一致パラメータに従って（線形構造で取得される）信号又はアイドラにより放出される輝度を表わす。
図８は本発明によるパラメトリック変換システムの第２の実施例を表わす。
図９は、電気的に接続された注入手段が変換システムに組み込まれているパラメトリック変換装置を表わす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図２に示す１実施例によると、本発明はポンプ周波数を信号周波数とアイドラ周波数に変換するためのパラトリック変換システム２０に関する。前記システムは、例えば、GaAsの三つのFabry−Perot共鳴キャビティ５，６，７で構成される。又、サブストレート11を含む。例えば、活性化材料が配置される（マイクロキャビティ）場の波腹において電場の大きい振幅を得るために複数の半波長の薄いキャビティを使うと有利である。
【００３７】
前記実施例によると、各キャビティは波長に等しい厚みを持っている。キャビティ５は２つのBragg反射ミラー１，２により閉じ込められている。又、キャビティ６はBragg反射ミラー２，３により、キャビティ７はBragg反射ミラー３，４により閉じ込められている。複数ミラーは２つの透明レイヤ（異なるインデックスと、所望の反射率で装置を動作させるようにした厚みを持つ）の繰返しスタックで構成されている。従って、前記厚みは、例えば各レイヤのポンプ波長の１/４に等しい。更に具体的に言えば、図２又は図３Ａの実施例において、各BraggミラーはGaAsレイヤと交互に置かれ１３対のAlASレイヤを有している。図３BのBraggミラー１，２，３の反射率は１より僅かに小さく、キャビティは相互に結合している。
【００３８】
更に、キャビティ５，６はBraggミラー２を介して強結合している。又、キャビティ６，７はBraggミラー３を介して強結合している。デュアルーキャビティシステムについて当業者が理解するように、カップリングミラーの反射率が４Ｒ/(１+Ｒ)２より小さい時には強結合が得られる。但しＲは２つのキャビティの組を挟むミラーの反射率である。一般的なケースでは、反射率、従って、強結合ミラーを得るために必要なレイヤの数を、標準伝達マトリックス法により反射率(reflectivity)の計算により決めることは容易である。
【００３９】
図３Ｂは図２によるミラーの反射率のグラフである。χ（３）における材料に対しパラメトリック周波数を持つ三つの強結合した共鳴モードが複数Braggミラーのストップバンドの中央に（７meVの間隔で）出現している。
【００４０】
ここではアセンブリはBraggミラー１，４を介して外側に接続している。
【００４１】
個別に、各前記キャビティは公知の構成であり、垂直−キャビティ半導体レーザを製造するために、その製造は当業者により管理されている。例えばJ.L.Jewll,J.P.Harbison,A.Shere,Y.H.Lee,L.T.Florezにより公表された、IEEE Journal of Quantum Electron,QE-27,p1332(1991) “Vertical-cavity surface-emitting lasers - design, growth,fabrication,characterization”、及びM.Shimada,T.Asaka,Y.Yamasaki,H.Iwano,M.Ogura,S.MUkai により公表された、Appl.Phys.Ltt.57,p1289 (1990) “Low-threshold surface-emitting lasers-diodes with distributed Bragg reflectors and current blocking laysers”。
又は、デュアルーキャビティ結合システムについては、de P. Michler, M. Hilpert, G. Reiner, "Dynamics of dual-wavelength emission from a coupled semiconductor microcavity laser", Appl. Phys. Lett. 70, p 2073 (1997), 及び P. Pellandini, R.P. Stanley, R. Houdre, U. Oesterle, M. Ilegems, C. Weisbuch, "Dual-wavelength emission from a coupled semiconductor microcavity", Appl. Phys. Lett. 71, p864 (1997)に記載されている。
【００４２】
インターキャビティ カップリングは別にして、各キャビティは、w(k)と呼ばれる特定のFabry-Perotモードを有している。これは複数レイヤｋの面における波動ベクトルに応じて又は入射角に応じて急激に大きくなる。それぞれは単純な三角法的関係により結合されている。
【００４３】
複数キャビティが同一の厚みを持つときには、複数キャビティ間の結合が複数モードのスペクトル幅より大きい範囲で、インターキャビティ カップリングは３モード間の縮退を解く(lift)。
【００４４】
その結果、全体構成において非局在化(delocalized)され、もはや各キャビティに局在化されていないフォトニックモードに対応する三つの新規の特定のモードが出現する。
【００４５】
本発明の前記実施例において、例えば複数量子井戸８、９、１０の組により形成される活性化した非線形媒体はキャビティ内で、電場の最大値付近に位置している。
【００４６】
ここで、基本的エキシトン遷移(transition)はマイクロキャビティを持つ共鳴に近いエネルギーを持っている。１つの単純な変形例において、InGaAsの単一量子井戸（Inが６％で）が３つのキャビティの各々の中心に配置される。量子井戸の数を増加させることは非線形性を増加できると理解されている。
【００４７】
従って、システムの各特定モード毎に非線形性から大きな寄与が得られる。動作が非線形媒体の透明領域において実行される時に、非共鳴非線形性（non-resonant non-linearity）で区別してパラメトリック・オシレーションの低励起パワー閾値の存在に注意しなければならない。
【００４８】
従って、システム２０は６つの結合オシレータ（３つのフォトニックモード及び３つのエキシトン）の組を構成する。結合力が損失より大きい時には、温度条件と励起電力条件に基づいて、マターラディエーション カップリング(matter-radiation coupling)はエキシトン−フォトン弱結合構造、又はエキシトン−フォトン強結合構造に対応する。
【００４９】
弱結合構造の場合には、システムは３つの共鳴スペクトルの存在により特徴付けられている（エキシトン吸収により拡張された３つのフォトニックモード）。従って、「ポンプ」状態における注入及び、「信号」と「アイドラ」状態によるエミッションに対し前記３つの共鳴が選択される。
【００５０】
強結合の場合、フォトンとエキシトンとの間の縮退は除去され、従って、スペクトルは６つの新規な特定モードを持つ。混合されたエキシトン−フォトン状態はマイクロキャビティ ポラリトン（polariton）として知られている。この場合、パラメトリック オシレーションのためのゲインに関して最も有利な構成に従って、「ポンプ」、「信号」及び「アイドラ」状態が６つの特定モードの内の３モードの間で選択される。
【００５１】
単一キャビティに対し得られたパラメトリック・オシレーションとは反対に、動作原理はもはやマターラディエーションの結合特性（弱又は強）により制限されることはない。又、マターラディエーションカップリングの型に拘らずパラメトリック・オシレーションが達成されてもよい。
【００５２】
既に知られている原則に従って、エネルギーの保存、及び、「ポンプ」状態に注入される複数フォトン及び、「信号」状態と「アイドラ」状態で放射される複数フォトンの間のインパルス（波動ベクトルの）の保存を満たす条件でパラメトリック・オシレーション構成を得てもよい。これは位相一致条件を形成する。
【００５３】
エネルギー保存は、２ωｐ＝ωｓ+ωｃ（第３次(order)非線形プロセスに対する）条件を尊重するような、３つの等距離エネルギー状態を選択する条件で満足される。但し、ωｐはポンプのエネルギーであり、ωｓは信号のエネルギーであり、ωｃはアイドラのエネルギである（ωｓ＜ωｐ＜ωｃ）。
【００５４】
同様に、インパルスの保存は２ｋｐ＝ｋｓ+ｋｃ関係を尊重する条件で満足される。但し、ｋｐはポンプの波動ベクトルであり、ｋｓは信号の波動ベクトルであり、ｋｃはアイドラの波動ベクトルである。
【００５５】
本発明の有利な変形によると、「ポンプ」、「信号」及び「アイドラ」状態に対する角度０の位相一致を得ることができるように、厚さグラジェントが１つ又は複数のキャビティに導入される。グラジェントの導入はウェーハの成長の間にウェーハの回転を選択的に中断することより行われる。これは、単一プレーナーキャビティについて知られているものと類似の原理による。例えば、C. Weisbuch, M. Nishioka, A. Ishikawa, and Y. Arakawaにより刊行された, "Observation of the coupled exciton-photon mode splitting in a semiconductor quantum microcavity" , Phys. Rev. Lett. 69, p3314 (1992)に説明されている。
【００５６】
特に、３つのキャビティの内の２つのキャビティに対する垂直方向におけるグラジェント（約 １meV/mm）を導入することが可能である。これにより３つのキャビティのエネルギーを別々に調整することができる。そのためには、このために、ウェーハの回転が第１キャビティの成長の間に中断され（第１厚みグラジェント）、次に第２キャビティに対して、第１キャビティのために選択された方向に対し垂直な方向で（第１に垂直な第２厚みグラジェント）中断される。回転は第３キャビティに対しても、第１と同一の方向で中断される。このようにして、資料表面に移動することにより、「ポンプ」、「信号」及び「アイドラ」状態の間の相対的不一致が調整され、エンルギーの保存状態を調整してもよい。
【００５７】
インパルスの保存は入射角０度の励起に対し、当然に得ることができる。つまり、エネルギーが２ωｐ（ｋｐ=０）＝ωｓ（ｋｓ＝０）+ωｃ（ｋｃ＝０）条件を尊重するときの試料表面に対する垂直な注入である。
【００５８】
この構成に対する反射率ダイアグラムが図４に示されている。この中で、分散(dispersion)が標準伝達マトリックス法（standard transfer matrices method）を使って計算されており、励起が第２モード（２つのフォトンが注入され、１つのフォトンは「信号」によるエミッションが行われ、１つのフォトンは「アイドラ」によりエミッションが行われる。）上でシンボル化されている。
【００５９】
試料上を移動することにより、非ゼロ角度で位相一致を得ることが可能である。この構成に対する反射率ダイアグラムが図５に図式的に示されている。
【００６０】
前記最後の構成は単一「信号」と「アイドラ」モードを生成せず、パラメトリック オシレーションを得るのに有利ではない。しかし、パラメトリック蛍光タイプのエミッションにおけるフォトニック ワイア(photonic wires)に対する予測と類似のメカニズムに基づいて、複雑なモードにおけるエミッションを成長軸に対する垂直面における環（ring）上で観察することができる。
【００６１】
上記の効果は半導体ナノ構造のエミッションの分野で公知のアセンブリにより明らかにされる。装置は励起用レーザ源を含んでいる。例えば、周波数を調整できるチタンーサファイアタイプである。励起は、直径約２０マイクロメータのスポットにフォーカシングした後で、公知の方法で試料表面で、連続に行われる。
【００６２】
前記装置のチェックのために、試料はヘリウム クライオスタット(冷凍機)の中に置かれる。出願人は、図２に示される６Kと９０Kの間の温度領域で前記装置を使ってポジティブな結果を得た。
【００６３】
勿論、本発明を同原理に基づいて周辺温度に拡大利用することを考えることができる。
【００６４】
動作モードにおいて、例えば伝送と反射の光学的測定を実行して、基板の厚さは標準電力サンディング法（standard sanding method）で薄くされ、伝送と反射における光学測定が実施されてきた。エミッションは、ゴニオメータに設けられた光ファイバを使って伝送して収集され、エミッションの角度分析が実行される。放射は100μeVの分解能(resolution)を持つスペクトロメータの出力に設けられたフォトダイオードマルチチャネルアナライザで検出される。
【００６５】
図６の非共鳴励起（左側部分）は、検出角に応じて測定されたエミッション（フォトリュミネセンス）を示す。エミッション図は、レイヤ面（又は、角度に基づく等価な方法で）における波動ベクトルに応じた分散を反映している。５モードまでが前記図から読取れる。実験結果の詳細分析により６モードの存在が明らかにされる。非共鳴励起の場合、システムはエキシトンとフォトンの間の強結合構成にある。図６の右側部分は、位相一致が３つの角度０の間で得られた試料上の位置に対し、６モードの内の１つの連続共鳴励起の下の、入射角０度（「ポンプ」状態）の下での測定を示している。200mＷの励起電力の閾値を超えると、低エネルギー状態（信号）のエミッションと高エネルギー状態の（アイドラ）のエミッションが指数関数的に増大する。
【００６６】
留意すべき点は、出願人が、「信号」と「アイドラ」の偏波（polarization）はパラメトリックメカニズムによる選択規則を尊重していることを実験的に証明できた点である（右側又は左側の共円状励起（co-circular excitation）に対する右側又は左側の共円状エミッション）。
【００６７】
留意すべき点は、出願人が、本発明による装置は証明すべき信号の周波数でシステムに注入された低強度の第２連続レーザビームのパラメトリック増幅を可能にしたことを実験的に証明することができた点である。
【００６８】
図７（左側のグラフ）はパラメトリック オシレーションについての、閾値（明確な黒い線）より低く、閾値（灰色の線）より高いエミッションのスペクトラムを示している。閾値を超える「信号」と「アイドラ」に関するエミッションの大幅な増加と、遷移の尖鋭化が明らかに観察される（「信号」は0.7meＶから少なくとも0.23mVへ、「アイドラ」は1.5meVから0.2meVへ、先端が尖鋭化される。これは測定の解像度の限界に近い）。同様に、閾値を超える場合、パラメトリック オシレーション構成に特徴的な高エネルギーに対する少しのズレが観察される。
【００６９】
留意すべきは、図５に示す分散メカニズム（これにより第２ブランチに注入された２つのフォトンが低エネルギーの第１ブランチ及び、低エネルギーの第３ブランチ上のフォトンに変換できる）は別として、常に別のパラメトリック分散メカニズム（図示しない）が存在する点である。この別のメカニズムは第２ブランチ上への注入されたフォトンが一定エネルギーで第１ブランチ上に（前記２つのフォトンに対する低エネルギーの同一ブランチ）分散される可能性に対応している。よって、前記２フォトンはそれぞれーｋと+ｋで分散される。図５に示される状況に関連して、前記メカニズムを、分散された全フォトンが初期エネルギーを保存するという限界的例としてもよい。もし位相一致によって、従って試料上の位置によって図４に示されるパラメトリック分散又は図５に示されるパラメトリック分散を得ることができないとしても、前記メカニズムだけは可能である。更に、前記メカニズムだけが本質的に２つのブランチを必要とし、デュアル キャビティ システムにおいてのみ得られ得る。このメカニズムは新規周波数の生成にとって重要でないとしても、双子のフォトンの生成のために量子光学及び暗号システムの源(source)を実現するために重要である点に留意すべきである。実際、この場合、２つの放出されたフォトンは同一の仕方で外部で本質的に（intrinsically）結合し、同一の放出強度を提供する。他方、放出が高い角度で実行される場合、双子フォトンを分離することは容易である。
【００７０】
次に、技術上の選択について述べた。その技術によれば、成長時間を低減させ、可能性のある非均一性(例えば、量子井戸の幅について、及び、相互の井戸のエネルギーについて)を最小化するために、Braggミラーにおけるレイヤの数（１３対）と量子井戸の数（キャビティ当たり１井戸）は最小化されていた。
【００７１】
Braggミラーにおけるレイヤ対の数は本発明における２つのパラメータに影響を与える：即ち、フォトニックモードの精緻性（finess）とキャビティ間の結合の重要性である。単一プレーナキャビティ（the single planar cavities）についての最先端技術によると、パラメトリック オシレーションの閾値は前記精緻性が大きくなると、より低くなることが知られている。逆に、中間的ミラー２と３に対するレイヤの数を低減するために、３つのキャビティ間の良好な結合を得ることがここでは重要である。
【００７２】
結合ミラー２と３における対の数を最小化しながら全般的な精緻性を増加させるため、外部ミラー１と４に対する大きい数の対を持つ構成を発展させることにより構成を最適化することができる。
【００７３】
第２実施例によると、図８に示されるようにシステム２０ａは２つの結合キャビティを含む。それは２つの結合キャビティ６ａ、５ａ、結合ミラー２ａ及び２つのミラー３ａと１ａを含む。これらはシステムを閉じており(close)、結合ミラー２ａを持つキャビティ６ａ、５ａを形成している。例えば、各キャビティは前記したように、In0.06Ga0.94As 8a et 9aタイプの量子井戸を有している。基板には符号１１ａが付けられている。前記実施例は、χ（２）のメディアと同様にχ（３）のメディアを使用するように適合されており、信号とアイドラの共鳴を得るように２つのキャビティが使われている。後者の場合、結合キャビティのエネルギーがキャビティを形成する材料（例えばＧａＡｓ）の透明領域レイヤにあるように前記レイヤの厚みが選ばれる。χ（２）の非線形性に対し、信号より、又アイドラより大きいエネルギーでポンピングが実行される。
【００７４】
本発明は前記実施例で説明したシステム及び、ポンプ周波数のポンプに対する注入手段を含むパラメトリック変換装置に関する。
【００７５】
第１の変形例は、注入手段が例えば、レーザタイプであり、本発明によるシステムにおいて注入角度が実質的に０度になるように構成されている。本発明に基づいて、パラメトリック変換と、信号・アイドラフォトン生成が実施される。
【００７６】
第２の変形例では本発明に従って注入手段がシステムに組み込まれ、例えば大きな反射率を持つ弱結合ミラーを介して、ポンプ波長に対し弱結合した追加的キャビティの形状で提供される。
【００７７】
電気的注入手段20ｃを有する装置の１実施例を図９に示す。キャビティ６ｃ、７ｃは結合ミラー３ｃを介して強結合している。結合ミラーはこの例では、１３対のＡｌＡｓ/ＧａＡｓレイヤを有している。前記２つの強結合キャビティは信号とアイドラに対し共鳴を提供する。いわゆる注入キャビティである第３のキャビティ５ｃはミラー２ｃを介して他の２つのキャビティと弱結合している。ミラー２ｃはこの例では２３対のレイヤを含んでいる。前記構成に対応する算出された反射率スペクトラムが図９の右側部分に示されている。低エネルギーモードは信号モードで、高エネルギーモードはアイドラモードで、中間モードは注入キャビティ５ｃに対応するモードである。注入キャビティは、当業者に知られた手段により電気的に接続している。このために、ミラー２ｃ、１ｃがドープされ、電気的に接続している（１３ｃ）。２つのパラメトリック周波数を集めるために、装置は光ファイバ１２ｃに結合してもよい。基板の符号は１１ｃである。
【００７８】
装置は様々に使用できる。装置はパラメトリック増幅構成で動作することができるし、弱信号の再生のために通信分野に使用することができる。
【００７９】
χ（２）における非線形性に関連する実施例について、従来のレーザダイオードによってアクセスすることが困難なスペクトル領域において、パラメトリック生成はポンプ周波数に対し約２倍弱い周波数を得ることができる。
【００８０】
双子フォトンのパラメトリック生成は暗号化法の基礎であり、単一フォトン源の使用の代用として役にたつ。このフレームワークにおいて、アイドラにより放出されたフォトンは信号フォトンの検出をトリガーするのに役立つ。第３者によるフォトンの傍受（interceptionはシステム的に検出される。又、パラメトリック生成は単一フォトン源について更なる利点を提供する。即ち、図５に示すような複雑な状態を生成する可能性がある。種々のモードの量子暗号化について、N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel et H. Zbindenの "Quantum cryptographie", Rev. Mod. Phys., p 145 (2002)、に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来技術に基づくパラメトリック変換システムの概略図と従来技術によるパラメトリック周波数のダイアグラムである。
【図２】本発明によるパラメトリック変換システムの実施例を示す図である。
【図３Ａ】本発明による図２で示される実施例の誘電体構成をグラフである。
【図３Ｂ】図３Ａの誘電体構成の反射率のグラフである。
【図４】標準伝達(transfer)マトリックス法により算出された反射率のグラフである。但し、位相一致は、３つの最低エネルギー状態の間において、０度で、本発明によるシステムにより得られる。
【図５】non-zeroエミッション角度に対し、本発明によるシステムにより得られる位相一致を示すグラフである。これにより量子錯綜（quantum entanglement）を実現することが可能になる。
【図６】図２の実施例による、非共鳴励起の下でのエミッションの測定（左側のグラフ）並びに本歩モードの共鳴励起の下で測定したエミッション（右側のグラフ）を表わすグラフである。信号/アイドラ対がハイライトされている。
【図７】図２で示された発明によるシステムを使って得られたパラメトリック変換を表わすグラフである。左側のグラフは非共鳴励起及び共鳴励起の下での測定されたスペクトラム（ゼロ角度）を表わす。右側の２つのグラフは、“ｘ”相一致パラメータにより（線形構造で取得される）信号又はアイドラにより放出される輝度を表わす。
【図８】本発明によるパラメトリック変換システムの第２の実施例である。
【図９】電気的に接触された注入手段が変換システムに組み込まれているパラメトリック変換装置である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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