(57)【要約】  量子鍵配送システムのための光受信機（１００）が、基板（１２２）内に搭載または形成され、かつ基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路（１０５、１２３）により光学的に結合される複数の光学構成要素（１０３、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）を含む。
2011511523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子鍵配送システムのための光受信機であって、基板内に搭載または形成され、基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路により光学的に結合された複数の光学構成要素を含む、光受信機。
【請求項２】
前記光学構成要素のうちの少なくとも１つが、アライメントスロット内に保持される搭載された構成要素であり、アライメントスロットが、基板内に形成され、前記中空コア導波路のうちの１つを横切り、アライメントスロット内に保持される光学構成要素のアライメントをその中空コア導波路に対して画定する、請求項１に記載の光受信機。
【請求項３】
第１の受信機チャネルと第２の受信機チャネルとを含み、各受信機チャネルが、個々の１対の直交偏光状態のうちの一方に偏光した光子を検出し、かつその光子の偏光状態を識別するように構成され、個々の対の偏光状態が相互に傾けられる、請求項１または２に記載の光受信機。
【請求項４】
入力光子を受信機チャネルのうちの一方にランダムに向けるための手段を含む、請求項３に記載の光受信機。
【請求項５】
前記手段が、基板に形成または搭載されたマルチモード干渉（ＭＭＩ）デバイスである、請求項４に記載の光受信機。
【請求項６】
前記手段が、ビームスプリッタと、入力光子を受信し、かつ入力光子をビームスプリッタに導くための入力導波路とを含み、ビームスプリッタの各出力が、個々の接続ガイドにより個々の受信機チャネルに光学的に結合され、入力導波路および接続導波路が、基板内に形成された中空コア導波路である、請求項４に記載の光受信機。
【請求項７】
ビームスプリッタが、基板内に形成されたアライメントスロット内に保持され、アライメントスロットが、その中に保持されたビームスプリッタのアライメントを入力導波路および接続導波路に対して画定する、請求項６に記載の光受信機。
【請求項８】
偏光変調器をさらに含み、偏光変調器が、入力導波路を横断するアライメントスロット内部に保持される、請求項６または７に記載の光受信機。
【請求項９】
入力導波路と一体化された偏光変調器をさらに含む、請求項６または７に記載の光受信機。
【請求項１０】
第１の受信機チャネルが、第１の偏光ビームスプリッタと、２つの単一光子検出器とを含み、偏光ビームスプリッタが、それぞれが基板内に形成された個々の中空コア導波路により個々の単一光子検出器に光学的に結合される２つの出力を有する、請求項３から９のいずれか一項に記載の光受信機。
【請求項１１】
第２の受信機チャネルが、第２の偏光ビームスプリッタと、２つの単一光子検出器とを含み、第２の偏光ビームスプリッタが、それぞれが基板内に形成された個々の中空コア導波路により個々の単一光子検出器に光学的に結合される２つの出力を有し、第２の受信機チャネルが、基板内に形成された中空コア導波路により第２の偏光ビームスプリッタの入力に光学的に結合される半波長板をさらに含み、第１の偏光ビームスプリッタおよび第２の偏光ビームスプリッタが、実質的に平行な光軸を有し、半波長板の光軸が、第２の偏光ビームスプリッタの光軸に対して実質的に２２．５°傾けられる、請求項１０に記載の光受信機。
【請求項１２】
基板内に形成された中空コア導波路のうちの少なくとも一方が、実質的に正方形の断面からなる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光受信機。
【請求項１３】
光ファイバを収容するように適合された入力を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光受信機。
【請求項１４】
量子鍵配送システムのための光送信機であって、基板内に搭載または形成され、かつ基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路により光学的に結合された複数の光学構成要素を含む、光送信機。
【請求項１５】
前記光学構成要素のうちの少なくとも１つが、アライメントスロット内に保持される搭載された構成要素であり、アライメントスロットが、基板内に形成され、前記中空コア導波路のうちの１つを横切り、アライメントスロット内に保持される光学構成要素のアライメントをその中空コア導波路に対して画定する、請求項１４に記載の光送信機。
【請求項１６】
光源と、偏光変調器とを含み、光源および偏光変調器が、基板内に搭載または形成され、基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路により光学的に結合される、請求項１４または１５に記載の光送信機。
【請求項１７】
基板内に形成され、偏光変調器の出力を光送信機の出力に光学的に結合するように構成される１つ以上の中空コア導波路をさらに含む、請求項１６に記載の光送信機。
【請求項１８】
動作中のときに、光送信機内部を伝播する光エネルギーの一部を取り出すための手段をさらに含む、請求項１７に記載の光送信機。
【請求項１９】
前記手段が、基板内に搭載または形成され、かつ基板内に形成された個々の中空コア導波路により、光源に光学的に結合された入力、および偏光変調器に光学的に結合された出力を有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）対称スプリッタまたはＭＭＩ非対称スプリッタを含む、請求項１８に記載の光送信機。
【請求項２０】
前記手段が、基板内に搭載または形成され、かつ基板内に形成された個々の中空コア導波路により、偏光変調器の出力に光学的に結合された入力、および光送信機の出力に光学的に結合された出力を有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）対称スプリッタまたはＭＭＩ非対称スプリッタを含む、請求項１８に記載の光送信機。
【請求項２１】
基板内に搭載または形成され、かつ光送信機の出力強度を制御するように構成される強度変調器をさらに含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の光送信機。
【請求項２２】
強度変調器が、ＭＭＩスプリッタおよびＭＭＩ再結合器を含むマッハツェンダ干渉計デバイスである、請求項２１に記載の光送信機。
【請求項２３】
中空コア導波路のうちの１つ以上が、実質的に正方形の断面からなる、請求項１４から２２のいずれか一項に記載の光送信機。
【請求項２４】
光ファイバを収容するように適合された出力を有する、請求項１４から２３のいずれか一項に記載の光送信機。
【請求項２５】
基板が半導体材料を含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の光受信機または光送信機。
【請求項２６】
基板がＳＯＩウェーハを含む、請求項２５に記載の光受信機または光送信機。
【請求項２７】
基板が、その中に形成された１つ以上の正方形断面チャネルを有する基底部を含み、蓋部分が、前記１つ以上の中空コア導波路を形成するために追加で提供される、請求項１から２６のいずれか一項に記載の光受信機または光送信機。
【請求項２８】
１つ以上の前記光学構成要素が、蓋部分に取り付けられる、請求項２７に記載の光受信機。
【請求項２９】
前記中空コア導波路のうちの少なくとも１つの内面が、反射被覆を有する、請求項１から２８のいずれか一項に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３０】
反射被覆が、光受信機の動作波長帯内で導波路コアの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する表面を提供する１つ以上の材料層を含む、請求項２９に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３１】
反射被覆が、金、銀、および銅のうちのいずれか１つからなる少なくとも１つの層を含む、請求項３０に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３２】
反射被覆が、誘電体材料からなる少なくとも１つの層を含む、請求項３０に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３３】
反射被覆が、炭化ケイ素からなる少なくとも１つの層を含む、請求項３２に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３４】
０．１μｍから２０μｍまでの波長範囲内の放射で動作するための、請求項１から３３のいずれか一項に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３５】
１．４μｍから１．６μｍまでの波長範囲内の放射で動作するための、請求項３４に記載の光受信機または光送信機。
【請求項３６】
請求項１から３５のいずれか一項に記載の光受信機または光送信機のための基底部であって、基板内に形成された複数のアライメントスロットと接続中空チャネルとを含み、各アライメントスロットが、光学構成要素をアライメントして収容するように適合される基底部。
【請求項３７】
実質的に上記で説明され、図１、図２、図３、および図４のうちのいずれか１つに図示される光受信機。
【請求項３８】
実質的に上記で説明され、図７、図８、および図９のうちのいずれか１つに図示される光送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に量子暗号（ＱＣ）の分野に関し、詳細には量子鍵配送（ＱＫＤ）のための光送信機および光受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばＢＢ８４プロトコル（「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ：ｐｕｂｌｉｃ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｉｎ  ｔｏｓｓｉｎｇ」、Ｃ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔおよびＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄ、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｂａｎｇａｌｏｒｅ、ｐｐ１７５−１７９、１９８４年を参照のこと）に基づく光ＱＣシステムでは、一般的光受信機は、それぞれが、１対の直交偏光状態のうちの一方に偏光した光子を検出し、かつ光子の偏光状態を識別することができる２つの受信機チャネルを組み込む。２対の偏光状態（各チャネルと関連づけられた偏光状態）は通常、相互に４５°傾けられている。鍵を画定する際、受信される光子を２つの受信機チャネルのうちの一方または他方にランダムに割り当てるための初期ステップがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許第０５６３０６５号明細書
【特許文献２】欧州特許第０５６３０６８号明細書
【特許文献３】欧州特許第０５６３０８４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種類の光受信機は、光学構成要素を手作業により自由空間内で非常に正確にアライメントさせることが必要であり、したがって、製造するのに時間がかかり、かつ費用がかかる。そのような受信機の構築には、必要なアライメント許容範囲を達成するために、一般に光学機械式マウントの使用を伴う、または光学構成要素を注意深く接着することを伴う。したがって、そのような受信機の製造は、現在１人につき１時間当たり数ユニットに制約され、受信機が機械的堅牢さを欠くために、受信機が実用に適さなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、一態様では、量子鍵配送システムのための光受信機を提供し、光受信機は、基板内に搭載または形成され、かつ基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路（ｈｏｌｌｏｗ  ｃｏｒｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）により光学的に結合された複数の光学構成要素を含む。
【０００６】
個々の光学構成要素が基板により支持されるので、本発明の受信機は物理的に強い。光学構成要素は、基板内に形成された中空コア導波路により一緒に光学的に結合される。さらに、基板を使用することにより、光学構成要素が、光学機械式マウントを使用してできるよりも、または光学構成要素が手動でアライメントされ、次に所定の位置に接着されるシステムよりも、はるかにコンパクトな構成で搭載されることができるようになる。これには、個々の光学構成要素に必要とされるアライメント許容範囲を低減するという重要な効果があり、その結果、製造許容範囲が低減されることがあり、生産性およびユニット費用をさらに改善することができるようになる。したがって、本発明は、大量生産の余地があり、機械的に強く、コンパクトで、比較的費用のかからない、量子鍵配送のための光受信機を提供できる。
【０００７】
光学構成要素は、アライメントスロット内に保持されることができ、アライメントスロットは、基板内に形成され、前記中空コア導波路のうちの１つを横切り、アライメントスロット内に保持される光学構成要素のアライメントをその中空コア導波路に対して画定する。これにより、たとえば機械加工といった同じ工程により形成される中空コア導波路およびアライメントスロットが提供される。受信機のすべての光学構成要素が、そのようなスロット内に保持されることができ、その結果、受信機の全体配置が、単一の機械工程により作成可能である。次に、受信機の光学構成要素は、手動、または自動化されたピックアンドプレース法により個々のスロットの中に挿入され、同時にアライメントされることができる。光学構成要素が基板内に配置された後に、光学構成要素をアライメントさせる追加のステップは必要ない。光学構成要素のすべてまたは一部が基板内に形成された（すなわち、基板と一体化された）場合、光学構成要素のアライメントが、基板の組立てと同時に達成される。
【０００８】
光受信機は、第１の受信機チャネルおよび第２の受信機チャネルを有することができ、各受信機チャネルは、個々の対の直交偏光状態のうちの一方に偏光した光子を検出し、かつその光子の偏光状態を識別するように構成され、偏光状態の個々の対は相互に傾けられている。これにより、たとえばＢＢ８４プロトコルに基づくＱＣおよびＱＫＤでの使用に適した光受信機が提供される。
【０００９】
光受信機は、入力光子を受信機チャネルのうちの一方にランダムに向ける手段を組み込むことが好ましい。前記手段は、たとえば、自由空間ビームスプリッタ、または光ファイバ３ｄＢ結合器を含むことができるが、前記手段が、光受信機の別の部分と一体化されることがより好ましい。たとえば、前記手段は、基板内に搭載された、または基板と一体化して形成された、適切に設計されたマルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタを含むことができる。マルチモード光導波路内の様々な横モードの分散、および様々な横モード間の干渉、ならびに低損失光スプリッタ、再結合器、ルータ、変調器などを提供するためにこれらの効果を利用することが、たとえば欧州特許第０５６３０６５号明細書、第０５６３０６８号明細書、および第０５６３０８４号明細書で説明されている。あるいは、前記手段は、ビームスプリッタと、入力光子を受信し、入力光子をビームスプリッタに導くための入力導波路とを含むことができ、ビームスプリッタの各出力は、個々の接続導波路により個々の受信機チャネルに光学的に結合され、入力導波路および接続導波路は、基板内に形成された中空コア導波路である。ビームスプリッタは、基板内に形成されたアライメントスロット内に保持されることができ、アライメントスロットは、その中に保持されるビームスプリッタのアライメントを入力導波路および接続導波路に対して画定する。
【００１０】
光受信機で受信された光子の偏光状態への外乱を補正するために、光受信機は、別個の構成要素デバイスである、またはその代わりに入力ガイドの一部を構成する、または入力ガイドと一体化された、偏光変調器を含むことができる。受信された光子は、たとえば１つ以上の光ファイバを介して受信された、乱された偏光状態を有することがあり得る。
【００１１】
第１の受信機チャネルは、第１の偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｓｉｎｇ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ）と、２つの単一光子検出器とを含むことができ、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）には、それぞれが、基板内に形成された個々の中空コア導波路により個々の単一光子検出器に光学的に結合される２つの出力がある。ＰＢＳの光軸のうちの一方に平行に偏光された光子が、対応する単一光子検出器に１００％の確率（吸収損失および散乱損失などを無視する）で渡される。軸に対し４５°に偏光した光子には、どちらか一方の単一光子検出器に渡される確率が５０％ある。
【００１２】
この場合、第２の受信機チャネルは、第２の偏光ビームスプリッタと、２つの単一光子検出器とを含むことができ、第２の偏光ビームスプリッタには、それぞれが、基板内に形成された個々の中空コア導波路により個々の単一光子検出器に光学的に結合される２つの出力があり、第２の受信機チャネルは、基板内に形成された中空コア導波路により第２の偏光ビームスプリッタの入力に光学的に結合された半波長板をさらに含み、第１の偏光ビームスプリッタおよび第２の偏光ビームスプリッタには、実質的に平行な光軸があり、半波長板の光軸は、第２の偏光ビームスプリッタの光軸に対して実質的に２２．５°傾けられている。受信機チャネルのこの構成では、２対の直交偏光状態は、相互に４５°傾けられている。
【００１３】
中空コア導波路は、それらの中に導かれた光子の偏光状態を保存するように構成されることが好ましい。これを達成する便利な方法が、実質的に正方形の断面を有する中空コア導波路を形成することである。
【００１４】
本発明の光受信機は、自由空間システムの一部として使用されることができる。あるいは、本発明の光受信機は、光子が、光ファイバ、または光ファイバネットワークを介して受信機に渡されるシステムで使用されることができ、この場合、光受信機には、光ファイバを収容するように適合された入力が提供されることが好ましい。
【００１５】
本発明は、第２の態様では、量子鍵配送のための光送信機を提供し、光送信機は、基板内に搭載または形成され、基板内に形成された１つ以上の中空コア導波路により光学的に結合される複数の光学構成要素を含む。本発明の光受信機と同様に、本発明の光送信機が、単一工程で組み立てられ、かつアライメントされることができ、したがって、費用効率の高い大量生産の余地がある。光学構成要素は、中空コア導波路によりリンクされるので、本発明の光送信機が、非常にコンパクトな形で実現されることができ、これにはまた、光学構成要素に求められるアライメント許容範囲を低減するという有利な点がある。前記光学構成要素のうちの少なくとも１つが、アライメントスロット内に保持される搭載された構成要素であり得、アライメントスロットは、基板内に形成され、前記中空コア導波路のうちの１つを横切り、アライメントスロット内に保持される光学構成要素のアライメントをその中空コア導波路に対して画定する。
【００１６】
光送信機は、送信される光子の偏光状態により符号化された量子鍵を送信する必要がある場合、光源（たとえば半導体レーザ）と、偏光変調器とを含み、光源、および偏光変調器は、基板内に搭載または形成され、１つ以上の中空コア導波路を介して一緒に光学的に結合される。光源、および／または偏光変調器は、基板内に形成されたアライメントスロット内に搭載された個別構成要素であってもよく、基板自体と一体化、すなわち、基板材料に形成されてもよい。
【００１７】
基板内に形成された中空コア導波路はまた、偏光変調器から送信機の出力までのガイド出力に存在し得る。
【００１８】
ＱＫＤは、単一光子の送信を伴うので、本発明の光送信機は、動作中のときに、光送信機の出力レベルがモニタされることができ、光源が適切に調整され得るように、光送信機内を伝播する光エネルギーの一部を取り出すための何らかの手段を含むことが好ましい。たとえばそのような手段が、中空コア導波路と共に形成されたＹ型結合器（Ｙ−ｃｏｕｐｌｅｒ）であり得る。好ましくはそのような手段は、基板内に形成または搭載され、かつ光源に光学的に結合された入力、および基板内に形成された個々の中空コア導波路により偏光変調器に結合された出力を有するマルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタ（対称または非対称）を含む。ＭＭＩスプリッタは、基板内部に一体化して形成され、中空コア入力、中空コア出力、およびマルチモード導波路を有することが好ましい。対称ＭＭＩスプリッタおよび非対称ＭＭＩスプリッタは、たとえば欧州特許第０５６３０６５号明細書、第０５６３０６８号明細書、および第０５６３０８４号明細書に詳細に説明されている。あるいは、ＭＭＩスプリッタ（または同等の装置）は、偏光変調器の出力に光学的に結合された入力、および基板内に形成された個々の中空コア導波路により光送信機の出力に結合された出力を有するように配置されることができる。
【００１９】
本発明の光送信機は、基板内に形成または搭載され、光送信機の出力強度を制御するように構成される強度変調器を含むことができる。これは、パルスモードで光送信機を動作させ、かつパルス当たりの光子の数を変化させることが望まれる場合に有用である。強度変調器は、ＭＭＩスプリッタおよびＭＭＩ再結合器と、干渉計の２つのアーム内の放射の相対位相を変調する手段とを含むマッハツェンダ干渉計デバイスでもよい。
【００２０】
中空コア導波路は、その内部に導かれる光子の偏光状態を保存するように構成されることが好ましい。これを達成する便利な方法は、実質的に正方形の断面を有する中空コア導波路を形成することである。
【００２１】
本発明の光送信機は、量子鍵が光ファイバ、または光ファイバネットワークを介して送信される場合に光ファイバを収容するように適合される出力を含むことができる。
【００２２】
本発明の光受信機または光送信機の基板は、シリコンなどの半導体材料を含むことができる。たとえば、基板は、ＳＯＩウェーハを含むことができる。好都合なことに、基板は、その中に形成された１つ以上のチャネルを有する基底部、および前記１つ以上の中空コア導波路を形成するように基底部に取り付けられる蓋部分を含む。
【００２３】
光受信機／光送信機が、搭載された光学構成要素を含む場合、これらの光学構成要素のうちの１つ以上が、蓋部分に取り付けられることができ、その結果、蓋部分および基底部が接合されたときに、これらの光学構成要素が、中空コア導波路の完成と共に、基底部内の対応するアライメントスロット内に配置される。
【００２４】
１つ以上の中空コア導波路の内面は、たとえば金、銀、または銅などの金属被覆といった反射被覆を有し得る。金の屈折率は、５００ｎｍから２．２μｍの範囲の波長で空気よりも小さく、この範囲は、電気通信範囲１．４μｍから１．６μｍを包含する。銅および銀は、それぞれ５６０ｎｍから２，２００ｎｍの範囲、および３２０ｎｍから２，４８０ｎｍの範囲にわたり１未満の屈折率を有する。
【００２５】
あるいは、反射被覆は、全誘電体または金属誘電体のスタックとすることができ、誘電体層の光学的厚さが、被覆の反射特性を決定する干渉効果を決定する。
【００２６】
ＱＫＤ、および一般にＱＣは、単一光子の生成および受信を伴う。中空コア導波路が（たとえば）基本モードだけをサポートする場合、導波路の中に発射された単一光子は、その導波路内の基本モードの古典的横強度分布に対応する、導波路を横断する様々な横位置に配置される確率を有し、本明細書での「導波路」という用語は、それ相当に解釈されるべきである。本発明の光受信機および光送信機の内部の中空コア導波路は、この種の導波路を提供する寸法に作られ得るが、実際に導波を提供するのではなく、単に光学構成要素間の光通信を提供するための中空チャネルの役割を果たすような寸法とし得ることに留意すべきである。次に、基板は、光学構成要素が導波路により光学的に結合される一体化されたデバイスではなく、自由空間光受信機／光送信機を形成する、光学構成要素のための単なる「光ブレッドボード」の役割を果たす。本明細書での「導波路」という用語は、これらの可能性の両方を含む包括的意味を付与されるべきである。
【００２７】
本発明の実施形態が、例示だけのために、また添付の図面を参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の光受信機の概略図である。
【図２】本発明の光受信機の概略図である。
【図３】本発明の光受信機の概略図である。
【図４】本発明の光受信機の概略図である。
【図５】基板内の中空コア導波路の形成、および光学構成要素との一体化を示す図である。
【図６】基板内の中空コア導波路の形成、および光学構成要素との一体化を示す図である。
【図７】本発明の光送信機の概略図である。
【図８】本発明の光送信機の概略図である。
【図９】本発明の第３の例示的光送信機を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１には、本発明の光受信機１００が、平面図で概略が示されている。受信機１００は、それぞれがシリコン基板１２２内に形成されたアライメントスロットの内部に保持される複数の光学構成要素および光学デバイスを含み、構成要素／デバイスは、同様にシリコン基板１２２内に形成された１０５、１２３などの中空コア導波路により光学的に結合される。各アライメントスロットは、自分が保持する光学構成要素のアライメントをアライメントスロットにより横断される中空コア導波路に対して画定する。
【００３０】
受信機１００には、入力光ファイバ９９を収容するように適合される入力１０２がある。ファイバ９９からの光を中空コア入力導波路１０５の中に効果的に結合するように、レンズ１０３が構成される。波長フィルタ１０４が、入力導波路１０５を横断し、かつフィルタ１０４のアライメントを導波路１０５に対して画定するアライメントスロット内に保持される。光受信機１００は、ビームスプリッタ１０６と、その光軸を基板の面に対して２２．５°傾けられた半波長板１２０と、それぞれが基板１２２の面に実質的に垂直な光軸を有する第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０８および第２の偏光ビームスプリッタ１１０と、たとえば単一光子アバランシュダイオード（ＳＰＡＤ）でも、量子ドット検出器でもよい４つの単一光子検出器（ＳＰＤ）１１２、１１４、１１６、１１８とをさらに含む。ＰＢＳ１０８、およびＳＰＤ１１２、１１４が、第１の受信機チャネルを構成する。半波長板１２０、ＰＢＳ１１０、ＳＰＤ１１６、１１８が、第２の受信機チャネルを構成する。
【００３１】
光受信機１２２の使用法については、光ファイバ９９から入力された単一入力光子が、レンズ１０３により入力ガイド１０５の中に結合される。光子が所望の波長であった場合、波長フィルタ１０４を通ってビームスプリッタ１０６に進み、光子が基板の面に対して平行または垂直に偏光していようと、基板の面に対して±４５°で偏光していようと、スプリッタ１０６は、第１の受信機チャネルおよび第２の受信機チャネルの一方に光子をランダムに導く。光子が第１の受信機チャネルに進み、基板１２２の面に対して平行または垂直に直線偏光している場合、その偏光に対応するＳＰＤに進む。すなわち、光子が基板１２２に対して垂直に偏光している場合、ＳＰＤ１１２に進み、基板１２２の面に平行に偏光している場合、ＳＰＤ１１４に進む。光子が、基板１２２の面に対して±４５°で偏光している場合、ＳＰＤ１１２またはＳＰＤ１１４のいずれか一方に到達する確率が５０％ある。
【００３２】
入力光子が、第２の受信機チャネルに導かれた場合、半波長板１２０を通過し、その後ＰＢＳ１１０に遭遇する。光子が、基板１２２の面に平行または垂直に直線偏光している場合、半波長板１２０を通過するとき、基板１２２の面に対して±４５°で直線偏光されるようになる。次に、ＰＢＳ１１０は、光子を５０％の確率でＳＰＤ１１６またはＳＰＤ１１８のいずれかに向ける。光子が、基板１２２の面に対して±４５°で直線偏光している場合、半波長板１２０を通過するとき、基板１２２の面に対して平行または垂直のいずれかに直線偏光されるようになり、その偏光状態に従ってＳＰＤ１１６、１１８のうちの一方に向けられる。光子が、基板１２２の面に垂直に偏光している場合、ＳＰＤ１１８に進み、基板１２２の面で偏光している場合、ＳＰＤ１１６に進む。したがって、光受信機１００は、ＢＢ８４プロトコルを実装する受信機の役割を果たすことができる。
【００３３】
図２は、全体を２００により示される、本発明の第２の例示的光受信機を示し、ここでは、ある種の光学構成要素および光学デバイスがシリコン基板２２２内に搭載される。図１の光受信機１００の構成要素およびデバイスと同等の構成要素およびデバイスが、図１の同等の部分にラベルを付ける参照符号と１００の値だけ異なる参照符号でラベルを付けられている。シリコン基板２２２は、第１の受信機チャネル内に含まれる構成要素２０３Ａ、２０４Ａ、２０８、２１２、２１４を搭載する。構成要素２０３Ｂ、２０４Ｂ、２２０、２１０、２１６、２１８が、第２の受信機チャネルに含まれる。２つの受信機チャネルの構成要素は、基板内に形成され、かつ実質的に正方形の断面からなる２２３などの中空コア導波路により光学的に結合される。光受信機２００では、入力ファイバ１９９からの入力光子を導くための手段２０７が、３ｄＢ結合器２０９を含む光ファイバデバイスである。
【００３４】
図２の光受信機２００の動作は、図１の光受信機１００の動作と事実上同じである。入力光ファイバ１９９（光受信機２００の入力２０２に取り付けられている）からの入力光子が、光ファイバ３ｄＢ結合器２０９により２つの受信機チャネルのうちの一方にランダムに向けられる。光子は、レンズ２０３Ａにより第１の受信機チャネルに結合されるか、レンズ２０３Ｂにより第２の受信機チャネルに結合されるかのいずれかである。２つの受信機チャネルにはそれぞれ、波長フィルタ２０４Ａ、２０４Ｂがある。第２の受信機チャネルには半波長板２２０がある。
【００３５】
本発明の第３の例示的光受信機が、図３で３００により示される。光受信機３００は、シリコン基板３２２内に形成されたアライメントスロット内に搭載され、かつ基板３２２内に形成され実質的に正方形の断面からなる３２３などの中空コア導波路により一緒に光学的に結合された複数の光学構成要素および光学デバイスを含む。図１の光受信機１００の構成要素およびデバイスと同等の構成要素およびデバイスが、図１の同等の部分にラベルを付ける参照符号と２００の値だけ異なる参照符号でラベルを付けられている。
【００３６】
光受信機３００の入力３０２に取り付けられた入力光ファイバ１９９からの入力光子が、レンズ３０３により中空コア導波路の中に結合される。入力光子が、適切な波長からなる場合、波長フィルタ３０４を通って、基板３２２内に形成されたアライメントスロット内に保持される偏光変調器３１１に進む。偏光変調器３１１を出るとき、光子は、図１の光受信機１００および図２の光受信機２００に関して上記で説明されたように操作され、検出される。偏光変調器により、受信された光子の偏光状態が、光ファイバ２９９を通過することにより引き起こされた外乱を補正されることが可能になる。したがって、光受信機３００は、光ファイバ、または光ファイバネットワークを通る光子の伝送により、光子の偏光状態の何らかの崩壊が引き起こされる場合に使用されることができる。光受信機１００、２００、３００はまた、単一光子が自由空間を通って受信される場合に使用されることができる。
【００３７】
図４には、本発明の第４の例示的光受信機が、全体を４００により示される。光受信機４００は、シリコン基板４２２内に形成された個々のアライメントスロット内に保持され、かつ基板４２２内に形成された実質的に正方形の断面からなる４２３などの中空コア導波路により光学的に結合される複数の光学デバイスおよび光学構成要素を含む。図１の光受信機１００の構成要素およびデバイスと同等の構成要素およびデバイスが、図１の同等の部分にラベルを付ける参照符号と３００の値だけ異なる参照符号でラベルを付けられている。光受信機４００の入力４０２に取り付けられた入力光ファイバ２９９からの入力光子が、レンズ４０３を介して中空コア導波路の中に結合される。入力光子が、適切な波長からなる場合、光子は、波長フィルタ４０４を通って、中空コアマルチモード導波路４０６に進む。マルチモード導波路４０６はまた、シリコン基板４２２内に形成された中空コア導波路であり、対称マルチモード干渉（ＭＭＩ）スプリッタまたは非対称ＭＭＩスプリッタとして動作するような長さ、幅、および高さの寸法を有する。ＭＭＩスプリッタは、たとえば欧州特許第０５６３０８４号明細書で説明されている。マルチモード導波路４０６に入力された単一光子は、中空コア導波路４１３Ａ、４１３Ｂのうちのいずれか一方に入力される確率が５０％ある。したがって、マルチモード導波路４０６の機能は、受信機２００の３ｄＢ結合器２０９の機能と同等であり、受信機１００、３００のビームスプリッタ１０６、３０６と同等である。中空コア導波路４１３Ａ、４１３Ｂは、それぞれ第１の受信機チャネルおよび第２の受信機チャネルのための入力導波路である。これらのチャネルに入射する光子は、受信機１００、２００、３００に関して上記で説明されたように操作され、検出される。
【００３８】
図５および図６は、光学構成要素（図示せず）をアライメントして収容するためのアライメントスロット５４により横断される中空コア導波路５３を形成するために、基板の基底部５０および蓋部分５５がどのようにして加工され結合され得るかを図示する。基底部５０は、チャネル５２とアライメントスロット５４の両方を形成するために、単一工程で加工されることができる。次に光学構成要素が、アライメントスロット５４の中に挿入され、蓋部分５５が、中空コア導波路５３を形成するために基底部５０に付けられることができる。チャネル５２に対する（アライメントスロット５４内に保持されるときには、結局は、中空コア導波路５３に対する）光学構成要素のアライメントは、スロット５４がチャネル５２を横断する角度により画定される。したがって、光学構成要素がアライメントスロット５４内に置かれた場合、チャネル５２に対して、また蓋部分５５が基底部５０に付けられたときには、中空コア導波路５３に対して、同時にアライメントされる。あるいは、光学構成要素は、蓋部分に取り付けられることができ、その結果、蓋部分５５を基底部５０に付けるステップはまた、光学構成要素をアライメントスロット５４内に挿入し、それをチャネル５２に対してアライメントする。
【００３９】
図７は、全体を５００により示される、本発明の光送信機を示す。光送信機５００は、光源５０２（たとえば半導体レーザ）と、結合レンズ５０３と、対称ＭＭＩスプリッタまたは非対称ＭＭＩスプリッタ５０４、および偏光変調器５０６を含む基板５２０とを含む。光ファイバネットワークを介してたとえば図１から図４の光受信機１００、２００、３００、４００のうちの１つといった光受信機に伝送するために、受信機５００からの出力が、レンズ５１６を介して光ファイバ５１８に結合されることができる。ＭＭＩスプリッタ５０４は、基板５２０内に形成された中空コアマルチモード導波路であり、同様に基板内に形成された中空コア入力導波路５０５、および中空コア出力導波路５０７、５０９を有する。偏光変調器５０６は、アライメントスロット内に配置された個別デバイスでもよく、基板５２０と一体化して形成されてもよい。
【００４０】
動作については、光源５０２からの光が、中空コア導波路５０５の中に結合され、ＭＭＩスプリッタ５０４に進む。光の一部が導波路５０７に進み、強度をモニタされることができる。光の残りが、導波路５０９を介して偏光変調器５０６に進む。導波路５０７内の放射の強度をモニタすることにより、光源５０２の出力は、単一光子を放射するように制御されることができる。偏光変調器は、送信機５００からの単一光子出力が、たとえばＢＢ８４プロトコルを使用するＱＫＤといったＱＫＤに必要な様々な偏光状態を有するように動作されることができる。あるいは、光源は、基板内に配置され、基板５２０内に形成された中空コア導波路によりＭＭＩスプリッタ５０４の入力に結合されることができる。したがって、光源、ＭＭＩスプリッタ、および偏光変調器は、単一の完全に一体化された光送信機内に含まれ得る。偏光変調器５０６は、個々の光子が、光ファイバ、または光ファイバネットワークを通って受信機に進んだ後に、所望の直線偏光状態を有するような程度の軸比を有する偏光状態を付与されるように動作されることができる。別の実施形態では、偏光変調器は、ＭＭＩスプリッタの前でなく、それの次に来ることができる。
【００４１】
図８は、全体を６００により示される、本発明の第２の例示的光送信機を示す。送信機は、パルス光源６０２と、結合レンズ６０３と、シリコン基板６２０とを含み、シリコン基板内には、中空コアＭＭＩスプリッタ６０４、６０８、ＭＭＩ再結合器６１２、および移相デバイス６１０が形成される。基板６２０内に形成または搭載された構成要素／デバイスは、基板６２０内に形成された中空コア導波路により光学的に結合される。動作については、パルス光源６０２からの放射が、ＭＭＩスプリッタ６０４の入力導波路の中に結合され、そこで、一部が強度モニタのために取り出される。残りは、ＭＭＩスプリッタ６０８に進み、移相要素６１０およびＭＭＩ再結合器６１２と一緒に、マッハツェンダ干渉計の形式の強度変調器を形成する。ＭＭＩスプリッタ６０４により取り出された放射の強度レベルが観測されることができ、光源６０２が単一光子を供給するように調整される。強度変調器は、デコイ（ｄｅｃｏｙ）パルスを伴うＱＫＤを行うある種のモードに必要とされるように、送信機６００により出力されるパルス当たりの光子の数を調整するように動作されることができる。あるいは、光源は、完全に一体化された光送信機を提供するために、基板内に搭載または形成されることができる。
【００４２】
図９は、本発明の第３の例示的光送信機７００を示し、送信機７００は、シリコン基板７２０内に形成または搭載され、基板７２０内に形成された７０５、７０７などの中空コア導波路により光学的に結合される様々な光学デバイス／光学構成要素を含む。光送信機７００は、基板７２０の面に対して垂直に偏光した単一光子を生成する光源７０２、７１０と、基板内の面で偏光した単一光子を生成する光源７０４、７０８とを含む。偏光ビームスプリッタ７０６、７１２は、これらの光子をビームスプリッタ７１６に結合する。光源７０８、７１０から出力された光子は、ビームスプリッタ７１４に到達する前に±４５°で直線偏光するように半波長板７１４を通過する。ビームスプリッタ７１６に到達するどの光子も、出力導波路７０７に進む確率が５０％ある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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