(57)【要約】【課題】本発明の目的は、発光構造体からの発光を低損失で光ファイバーに結合可能な集光装置および単一光子発生装置を提供する。【解決手段】単一光子発生素子１１の照明光を兼ねる励起光を出射する励起用光源２０と、光ファイバーの入出力部２６から出射された励起光を単一光子発生素子１１に集光し、その反射光を光ファイバーに集光する集光光学系２７と、反射光強度を検出する光検出器２９と、励起光により単一光子発生素子１１で生成された単一光子を取り出すＷＤＭカプラー２４と、励起光の集光位置を走査する３軸ステージ４１と、３軸ステージ４１および光検出器２９等を制御する制御演算部４３等から構成される。さらに、反射光強度データおよび３軸ステージの位置情報に基づいて単一光子発生素子１１の形状情報を取得する形状情報取得手段、その形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段等を有する。【選択図】図２
2008091799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、
前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を発光構造体に集光し、前記励起光の発光構造体からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる発光構造体からの発光とを該入出力部に入射させる集光光学系と、
前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、
前記光ファイバーを伝搬する発光と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、
前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、
前記発光構造体に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、
前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、
前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える集光装置。
【請求項２】
前記励起光を照射中に反射光検出手段により反射光強度を検出し、反射光強度の減少量に応じて励起光の集光位置を最適化する集光位置ずれ補償手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
【請求項３】
前記集光位置ずれ補償手段は、集光位置最適化手段により最適化した際の初期反射光強度に対して該反射光強度の減衰量が所定の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段および集光位置最適化手段により、再度、集光位置を最適化することを特徴とする請求項２記載の集光装置。
【請求項４】
前記出力部に接続され、前記発光の発光強度を検出する発光検出手段と、
前記発光強度と励起光の集光位置との関係に基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の集光装置。
【請求項５】
単一光子発生素子と、
励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、
前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を単一光子発生素子に集光し、前記励起光の単一光子発生素子からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる単一光子発生素子からの単一光子とを該入出力部に入射させる集光光学系と、
前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、
前記光ファイバーを伝搬する単一光子と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、
前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、
前記単一光子発生素子に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、
前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、
前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える単一光子発生装置。
【請求項６】
前記励起光を照射中に反射光検出手段により反射光強度を検出し、反射光強度の減少量に応じて励起光の集光位置を最適化する集光位置ずれ補償手段をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の単一光子発生装置。
【請求項７】
前記集光位置ずれ補償手段は、集光位置最適化手段により最適化した際の初期反射光強度に対して該反射光強度の減衰量が所定の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段および集光位置最適化手段により、再度、集光位置を最適化することを特徴とする請求項６記載の単一光子発生装置。
【請求項８】
前記位置制御手段は３軸ステージを有し、
前記３軸ステージ上に集光光学系が配設されてなることを特徴とする請求項５〜７のうちいずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項９】
前記単一光子発生素子を収容するクライオスタットをさらに備え、
前記クライオスタット内に、導入された光ファイバーに接続された入出力部と集光光学系が配設されてなることを特徴とする請求項５〜８のうちいずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項１０】
前記単一光子発生素子は、量子ドット構造体を有し、
前記量子ドット構造体は、一つの半導体層の表面に、複数の互いに大きさの異なる量子ドットが設けられてなり、
１つのパルスの励起光により互いに波長の異なる複数の単一光子を同時に生成することを特徴とする請求項５〜９のうちいずれか一項記載の単一光子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小発光体に光ファイバーを介して励起光を照射して微小発光体からの発光を集光する集光装置および単一光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。暗号通信では、公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式が用いられている。
【０００３】
公開暗号鍵方式では、解読に膨大な時間を必要とするので解読が困難であるという計算量的側面によってのみ安全性を保証されており、その安全性は完全ではない。また、秘密暗号鍵方式では、秘密鍵自体をこれらの二者に配信する際に盗聴されるおそれがあり、その安全性は完全ではない。
【０００４】
こうした安全性の問題を解決する手段として、Ｂ８４型プロトコル（１９８４年にＣ．  Ｈ．  ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．  Ｂｒａｓｓａｒｄに提案された。）に代表される量子暗号通信では、無条件安全性を保証する鍵情報の担い手として単一の光子を用いる。単一光子を発生する素子の有力候補として期待されるのが、光パルス励起により光子を一つずつ発生可能な半導体量子ドットである。最近では、単一光子の生成効率を高めるため、微小共振器（例えば、非特許文献１参照。）や微小メサ構造体（例えば、非特許文献２参照。）等の微細構造内部に単一の量子ドットを配置する手法がよく用いられる。
【０００５】
量子暗号通信のスループットを高めるためには上記の生成効率のみならず、いかに長距離伝送用光ファイバーと単一光子の生成源である微細構造体とを低損失で結合させるかが重要である。
【０００６】
図１に示すように、従来、こうした微細構造体を光励起し、得られた発光を光ファイバー１１３に結合して集光するために顕微発光測定系１００が用いられてきた。顕微発光測定系１００では、単一光子を生成する微細構造体１０１を３次元移動ステージ１０２上の固定し、照明用光源１０３からの照明光がビームスプリッター１０４ａ，１０４ｂ等を介して微細構造体１０１に照射され、その微細構造体１０１をＣＣＤカメラ１０５およびモニター１０６により観察する（観察光学系）。一方、微細構造体１０１に単一光子を生成させるための励起光は励起用レーザ１０８により、観察光学系とは異なる光路１０９を通じ、誘電体ミラー１１０を経て対物レンズ１１１で微細構造体１０１上に照射される（励起用レーザ光学系）。励起光による微細構造体１０１からの発光は、集光レンズ１１２により光ファイバー１１３に入射され、検出器１１４に伝送される（光ファイバー集光光学系）。このような顕微発光測定系１００は、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバー集光光学系の各々について調整の自由度が高く、光学台上に手軽に構築できるため広く用いられてきた。
【特許文献１】特開２０００−２９２８２１号公報
【特許文献２】特開２００６−１８６０８４号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ｐｅｌｔｏｎ  ｅｔ  ａｌ．、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００２年、Ｖｏｌ．８９、ｐ．２３３６０２−１〜ｐ．２３３６０２−４
【非特許文献２】竹本ら、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００４年、Ｖｏｌ．４３、ｐ．Ｌ９９３〜ｐ．Ｌ９９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の方法は、微細構造体１０１と光ファイバー端１１３ａとの間の光路上に、励起光１０９を導入するための誘電体ミラー１１０や、観察光学系のビームスプリッター１０４ｂ等の光学素子が入るため、鏡筒長が長くなり微細構造体１０１と光ファイバー１１３との結合効率が落ち、微細構造体１０１から検出器１１４に到達するまでの損出が大きいという問題がある。
【０００８】
また、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバー集光光学系の各々の調整の自由度が高すぎるため、ＣＣＤカメラ１０５による観察中心と、光ファイバー１１３の中心軸とを精度良く一致させるのは容易ではなく、微細構造体１０１からの発光を光ファイバー１１３に集光するための高精度の位置決めが困難であるという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、発光構造体からの発光を低損失で光ファイバーに結合可能な集光装置を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は微細構造体である単一光子発生素子からの発光を低損失で光ファイバーに結合可能な単一光子発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を発光構造体に集光し、前記励起光の発光構造体からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる発光構造体からの発光とを該入出力部に入射させる集光光学系と、前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、前記光ファイバーを伝搬する発光と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、前記発光構造体に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える集光装置が提供される。
【００１２】
本発明によれば、集光装置は、励起光が照明光を兼ねているので、励起光の光路と照明光の光路とが共通化されるので、光ファイバーの入出力部と発光構造体との間に発光構造体に励起光を集光させる集光光学系のみを設ければよい。したがって、入出力部と単一光子発生素子との間の損失を最低限に抑制できる。さらに、形状情報取得手段と集光位置最適化手段とにより反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化するので、発光構造体を確実に発光させかつその発光を集光できる。
【００１３】
なお、本明細書および特許請求の範囲において、単一光子は、１つの光子しか含まない光のパルスを意味する。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、単一光子発生素子と、励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を単一光子発生素子に集光し、前記励起光の単一光子発生素子からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる単一光子発生素子からの単一光子とを該入出力部に入射させる集光光学系と、前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、前記光ファイバーを伝搬する単一光子と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、前記単一光子発生素子に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える単一光子発生装置が提供される。
【００１５】
本発明によれば、単一光子発生装置は、励起光の光路と照明光の光路とを共通化しているので、光ファイバーの入出力部と単一光子発生装置との間に集光光学系のみを設ければよい。したがって、入出力部と単一光子発生素子との間の損失を最低限に抑制できる。その結果、単一光子を効率的に出力できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発光構造体からの発光を低損失で光ファイバーに結合可能な集光装置、並びに単一光子発生素子からの発光を低損失で光ファイバーに結合可能な単一光子発生装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る集光装置の構成図である。
【００１９】
図２を参照するに、第１の実施の形態に係る集光装置１０は、単一光子発生素子１１に照射される照明光を兼ねる励起光を出射する励起用光源２０と、光ファイバー２１，２３，２５を伝搬し、入出力部２６から出射された励起光をコリメートして、単一光子発生素子１１に集光し、さらに単一光子発生素子１１からの反射光および生成された単一光子を再び入出力部２６に集光する集光光学系２７と、反射光の強度を検出する光検出器２９と、励起光により単一光子発生素子１１で生成され、集光光学系２７および光ファイバー２５を伝搬した単一光子を取り出すＷＤＭカプラー２４と、集光光学系２７に取り付けられ、励起光の集光位置を走査する３軸ステージ４１と、３軸ステージ４１を駆動制御するステージ制御部４２と、ステージ制御部４２および光検出器２９等を制御等する制御演算部４３等から構成される。単一光子発生素子１１は、単一光子発生源として量子ドット構造体５０を有する。さらに、集光装置１０は、反射光強度データおよび３軸ステージ４１の位置情報に基づいて単一光子発生素子１１の形状情報を取得する形状情報取得手段、およびその形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段等を有する。
【００２０】
この集光装置１０は、励起光と照明光を共通化することにより、単一光子発生素子１１の単一光子発生源である量子ドット構造体５０に容易に集光でき、かつ光ファイバー２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の光学部品数を低減でき、低損失な集光装置１０を実現する。以下、集光装置１０の各構成要素を説明する。
【００２１】
励起用光源２０は、レーザ光源であり、単一光子発生素子を励起させる波長のレーザ光（励起光）を射出可能であれば、その種類は特に限定されないが、例えば波長１．３μmのレーザダイオードが用いられる。また、励起光は、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状を観察・測定するための照明光としても用いられる。これにより、別途照明光用の光源や、光路、反射された照明光を取り出すためのカプラー等を設ける必要がなくなるため、光学的な損失を抑制できる。
【００２２】
光ファイバー２１，２３，２５，２８，３１は、シングルモードの光ファイバーが用いられる。
【００２３】
１ｘ２カプラー２２は、励起用光源２０に光ファイバーを介して接続されたForwardポートと、光検出器２９に光ファイバーを介して接続されたReturnポートと、ＷＤＭカプラーに光ファイバーを介して接続されたｃｏｍポートとを有している。１ｘ２カプラーはこれに限定されず、上記の機能を有するカプラーであれば特に限定されず、例えば２ｘ２カプラーあるいは光サーキュレータでもよい。
【００２４】
ＷＤＭ（波長分割多重）カプラー２４は、波長１．３μｍの励起光を集光光学系側に送出し、また、後ほど説明するように、励起光の反射光を１ｘ２カプラー側に分波するともに、単一光子発生素子により生成された例えば波長１．５５μｍの単一光子を分光器側に送出する。ＷＤＭカプラー２４の代わりにＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ）波長合分波器を用いてもよい。
【００２５】
集光光学系２７は、入出力部２６から空間に出射された励起光を平行光に変換するレンズ２７ａと、さらに平行光の励起光を単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光するレンズ２７ｂからなる。レンズ２７ａおよびレンズ２７ｂは、３軸ステージにより、それぞれ入出力部の端面および単一光子発生素子の発光部の表面に合焦するように位置決めされる。なお、集光光学系は上記機能を有するものであれば、単レンズあるいは３枚以上のレンズを用いてもよい。
【００２６】
単一光子発生素子１１は、励起光の照射によって励起光の波長と異なる波長の単一光子を発光する発光部を有すれば特に限定されないが、ここでは、量子ドット構造体５０を例に説明する。量子ドット構造体５０は公知の量子ドット構造体を用いることができるが、次にその一例を挙げて説明する。
【００２７】
図３は、量子ドット構造体の模式的斜視図、図４は、量子ドット構造体の要部断面図であり、図３に量子ドット構造体５０の頂上付近を拡大した断面図である。なお、図３に示したＸ軸およびＹ軸は量子ドット構造体の頂上面に平行な面内の互いに直行する２つの軸であり、Ｚ軸は頂上面に垂直な軸である。
【００２８】
図３及び図４を参照するに、量子ドット構造体５０は、円錐台形状のメサ構造を有する。頂上面は図４に示すＩｎＰキャップ層５６の表面に対応する。なお、量子ドット構造体５０は、円錐台形状よりも高さが低く頂上面の面積が広い台地状の形状を有してもよい。
【００２９】
量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットである。具体的には、量子ドット構造体５０は、ＩｎＰ基板５１上に形成されたＩｎＰバッファ層５２（例えば、厚さ２００ｎｍ）と、ＩｎＰバッファ層５２の表面に形成された複数のＩｎＡｓ量子ドット５３と、ＩｎＰバッファ層５２の表面とＩｎＡｓ量子ドット５３を覆う第１ＩｎＰダブルキャップ層５４（例えば厚さ２ｎｍ）、および第２ＩｎＰダブルキャップ層５５（例えば厚さ１８ｎｍ）と、その上に形成されたＩｎＰキャップ層５６（例えば、厚さ１００ｎｍ）からなる。
【００３０】
ＩｎＰバッファ層５２の表面には、複数の異なる底面直径および高さＨQDを有するＩｎＡｓ量子ドット５３が形成されている。ＩｎＡｓ量子ドット５３は、ＩｎＰキャップ層５６側、あるいはＩｎＰ基板５１側からの適当な励起光の照射により単一光子を発光する。この単一光子は全方位的に放出されるが、よく設計されたメサ構造を用いることで、励起光の入射側により多く進行させることが可能である。単一光子の波長は、ＩｎＡｓ量子ドット５３の底面直径および高さＨQDに応じて決定される。例えば、底面直径あるいは高さＨQDが大きいほど単一光子の波長は長くなる。ただし高さＨQDは、ＩｎＡｓの分子数に応じた離散的な値になるため、ＩｎＡｓ量子ドット５３から発光される単一光子の波長は非常に良く制御することができる。
【００３１】
本願発明者等の検討によれば、このような構造の量子ドット構造体５０のＩｎＡｓ量子ドット５３から、通信波長帯（波長１．３μｍ〜１．５５μｍ）において離散的でかつ波長幅の狭い輝線が得られることが知得されている（Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．４３  Ｎｏ．  ３Ａ，  （２００４）  ｐｐ．  Ｌ３４９−Ｌ３５１）。さらに、量子ドット構造体から上記の輝線の波長の単一光子が得られることが知得されている（Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．４３  Ｎｏ．  ７Ｂ，    （２００４）  ｐｐ．  Ｌ９９３−Ｌ９９５）。
【００３２】
量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ量子ドットがメサ構造のＩｎＰバッファ層５２上に１個以上配置されている。この量子ドット構造体５０の場合は、励起光の波長が７８０ｎｍのパルスレーザ光である。１パルスの励起光の照射で、波長１．３μｍ〜１．５５μｍにおいて離散的な波長の単一光子が得られる。
【００３３】
なお、かかる量子ドット構造体５０の形成方法等は特開２００６−２２９６０８号公報に記載された方法を用いることができる。また、量子ドット構造体５０の代わりに、公知の量子ドット構造体を用いてもよく、励起光波長が例えば１．３μｍで発光波長が１．５５μｍの量子ドット構造体を選択してもよい。励起光波長は、その光子エネルギーが発光波長の光子エネルギーよりも高く、かつ励起光の吸収が得られる波長であれば任意に選択可能である。
【００３４】
図２に戻り、単一光子発生素子１１は、クライオスタット１２内の冷却台１３上に載置される。冷却台１３は冷凍機１４から冷媒給排管１５を介して液体ヘリウムが供給され、単一光子発生素子１１が１０Ｋ程度の温度に冷却される。励起光は、クライオスタット１２に設けられた光学窓１６を介して、単一光子発生素子１１に集光される。なお、図示しない真空ポンプによりクライオスタット１２内は真空に保持される。なお、室温で発光可能な単一光子発生素子１１を用いた場合は、冷却台１３、冷媒給排管１５、および冷凍機１４は必須ではない。また冷却温度が１０Ｋの低温を必要としない場合、冷媒としては液体窒素なども利用可能である。
【００３５】
３軸ステージ４１は、それ自体の上に集光光学系２７が載置され、例えば集光光学系２７の光軸方向および光軸方向に直交する平面内２軸方向に動作可能である。３軸ステージ４１は、集光光学系２７の光軸方向に動作することで、単一光子発生素子１１の図３に示した量子ドット構造体５０の表面に合焦するように励起光を集光させる。また、光軸方向に直交する平面内の２軸方向（図３に示すＸ軸およびＹ軸方向）に動作することで、量子ドット構造体５０の表面を励起光により走査可能である。
【００３６】
光検出器２９は、単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する。光検出器は、光分光器でもよく、この場合は反射光の波長のスペクトルを検出する。
【００３７】
迷光除去フィルタ３２は、例えば、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタであり、不所望の波長の光を遮断して単一光子を通過させる。分光器３３は、単一光子発生素子１１から生成された単一光子の波長や数、発光のタイミング等を検出・測定する。なお、集光装置１０としては、分光器３４は必須ではなく、単一光子は、出力部３３から取り出される。
【００３８】
制御演算部４３は、例えばパーソナルコンピュータである。制御演算部４３は光検出器２９からの反射光の強度データ、ステージ制御部４２から３軸ステージの位置情報（例えば、基準位置からの３軸方向の動作距離等）、および分光器３４から単一光子の波長の発光強度が供給される。
【００３９】
また、制御演算部には入力部４４、メモリ４５、表示部等が接続されている。入力部は、例えばキーボードであり、制御演算部への命令や条件設定等の入力が行われる。
【００４０】
また、メモリは、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリや、ハードディスク装置、磁気テープ装置等の磁気記憶装置、光ディスク装置等から選択される。メモリには、制御演算部で実行されるプログラムや量子ドット構造体５０の表面形状情報のデータが記憶される。また、表示部は、例えばモニターであり、量子ドット構造体５０の反射光分布や、反射光の現時点での強度等が表示される。
【００４１】
また、制御演算部４３では、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の表面からの反射光の強度データおよび３軸ステージの位置情報に基づいて単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得する形状情報取得手段、形状情報取得部によって得られた形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段、および集光位置のドリフト補償手段がメモリ４５等に記憶されたプログラムが実行されることにより実現される。
【００４２】
形状情報取得手段は、ステージ制御部４２を介して３軸ステージ４１を制御して集光光学系２７の集光位置を図３に示した量子ドット構造体５０のＸＹ平面において走査し、光検出器２９によって反射光の強度あるいは反射光の波長のパワースペクトルを測定する（以下では、説明の便宜のため反射光強度を測定するとして説明する。）。これと共に、３軸ステージ４１あるいはステージ制御部４２から、集光位置の位置情報が得られる。集光位置の位置情報および位置情報に対応する反射光強度のデータ（以下、反射光分布と称する。）が得られ、メモリ４５に記憶される。
【００４３】
図５は、量子ドット構造体からの反射光強度分布を可視化した模式図である。図５のＸ軸およびＹ軸の座標は集光位置の位置情報の座標であり、図３のＸ軸およびＹ軸に対応している。また、図５のＸＹ平面に垂直な方向に反射光強度を示している。また、データ点は離散的に得られるが、図５ではデータ点間を模式的に補間して示している。
【００４４】
図５を図２および図３と共に参照するに、反射光強度分布５８は、量子ドット構造体５０の頂上面の中心において最も反射光強度が最大となり、量子ドット構造体５０の側面では頂上面から離れるほど反射光強度が小さくなる。反射光強度分布５８の形状は量子ドット構造体と類似した形状が得られる。
【００４５】
集光位置最適化手段は、形状情報取得手段で得られた量子ドット構造体５０の形状情報である反射光強度分布のデータから集光位置を最適化する。具体的には反射光度強度が最大点を集光位置とする。例えば５点の互いに異なるＹ軸上の座標点（Ｙ1〜Ｙ5）を通り、Ｘ軸に平行な直線（Ｌ1〜Ｌ5）上での反射光強度が最大になる点（Ｍ1〜Ｍ5）を求め、さらにＭ1〜Ｍ5のうち最大になる点（例えばM3）のＸ座標およびＹ座標を最適化された集光位置に決定する。さらに、集光位置最適化手段は、ステージ制御部４２を介して３軸ステージ４１により励起光の集光位置を、最適化された集光位置に設定する。これにより量子ドット構造体５０の中心に位置合わせできる。
【００４６】
このように、形状情報取得手段および集光位置最適化手段により最適化され集光位置が設定されるが、励起光を単一光子発生素子１１に照射し続けると冷却台１３の熱ドリフトにより集光位置がずれる場合がある。そのため、反射光量が減少し、さらに位置ずれすると単一光子の生成が停止してしまう。これを回避するために集光位置のドリフト補償手段を設けてもよい。集光位置のドリフト補償手段は、集光装置１０が動作中、すなわち、励起光が単一光子発生素子に照射されている間、反射光強度をモニターし、集光位置の最適化の際の反射光量を基準として反射光強度の減少量が所定の閾値よりも大きくなった場合に、集光位置の再最適化を行う。集光位置の再最適化は、反射光強度の減少量が所定の第１閾値を超えた場合は、３軸ステージ４１により集光位置をＸ軸方向およびＹ軸方向に微少量移動して反射光強度が増加する方向および移動量を取得し、それらに基づいて集光位置を再設定する。さらに反射光強度の減少量が第１閾値よりも大きい第２閾値を超えた場合は、上述した形状情報取得手段および集光位置最適化手段によりにより再度、集光位置を最適化する。
【００４７】
また、制御演算部４３では、分光器３４からの生成された単一光子の波長の発光強度（あるいはスペクトル）のデータおよび３軸ステージ４１の位置情報に基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段がメモリ４５等に記憶されたプログラムが実行されることにより実現される。このようにして得られた発光強度分布により、量子ドット構造体５０における量子ドットの配置の情報が得られる。
【００４８】
次に図２を参照しつつ集光装置１０の動作を説明する。
【００４９】
クライオスタット１２内の冷却台１３上に単一光子発生素子１１が固定され、クライオスタット１２内を排気して真空状態にし、さらに冷凍機１４からの液体ヘリウムにより単一光子発生素子を例えば１０Ｋに冷却する。
【００５０】
励起用光源２０により例えば波長１．３μｍのパルス状の励起光がシングルモードの光ファイバー２１に出射され、１ｘ２カプラー２２のForwardポート（不図示）からｃｏｍポート（不図示）を通過し、光ファイバー２３、および、ＷＤＭ（波長分割多重）カプラー２４を介して入出力部２６から空間へと出射される。
【００５１】
出射された励起光は集光光学系２７のレンズ２７ａにより平行光に変換され、さらにレンズ２７ｂにより光学窓１６を介して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光される。
【００５２】
量子ドット５０から反射された反射光（励起光と同じ波長となる。）は、励起光と逆向きに伝搬し、１ｘ２カプラー２２のｃｏｍポート（不図示）からReturnポート（不図示）を通り光ファイバー２８を介して光検出器２９に供給される。
【００５３】
制御演算部４３では、メモリ４５に記憶されているプログラムにより形状情報取得手段が実行され、３軸ステージ４１によって集光光学系２７により励起光の照射位置が図３のＸＹ平面内で走査され、その反射光の反射光強度データと３軸ステージからの集光位置情報とが関連づけされ、量子ドット構造体５０の形状情報としてメモリに記憶される。
【００５４】
さらに制御演算部４３では、メモリ４５に記憶されているプログラムにより集光位置最適化手段が実行され、メモリ４５に記憶された量子ドット構造体５０の形状情報、すなわち反射光強度分布に基づいて励起光の集光位置が最適化される。集光位置の最適化は、例えば図５において説明したようにして、反射光強度が最大となる集光位置が決定される。さらに３軸ステージにより最適化した集光位置が設定される。
【００５５】
これにより、単一光子発生素子１１からは励起光に応じて例えば波長１．５５μｍの単一光子が生成され、集光光学系２７を介して入出力部２６から光ファイバー２５に入射される。単一光子は、ＷＤＭカプラー２４により出力部３３側に分岐される。単一光子は光ファイバー３１を介して迷光除去フィルタ３２により、単一光子のみが取り出され出力部３３から分光器３４に入射される。
【００５６】
なお、単一光子が生成されている間に、制御演算部４３では、必要に応じて集光位置のドリフト補償手段が実行され、光検出器２９により反射光強度がモニターされ、反射光強度の減衰量が所定の第１閾値を超えた場合、３軸ステージ４１により励起光の集光位置をＸ軸方向およびＹ軸方向に微少量移動して反射光強度が増加する方向および移動量を取得し、それらに基づいて集光位置を再設定する。また、さらに、集光位置のドリフト補償手段は、反射光強度の減少量が第１閾値よりも大きい第２閾値を超えた場合は、集光位置最適化手段を実行させて再度、集光位置を最適化する。
【００５７】
また、制御演算部４３では、メモリ４５に記憶されているプログラムにより発光強度分布取得手段段が実行され、分光器３４からの生成された単一光子の波長の発光強度（あるいはスペクトル）のデータおよび３軸ステージ４１の位置情報に基づいて発光強度分布を取得する。
【００５８】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る集光装置１０は、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているので、光ファイバー２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間に集光光学系２７のみを設ければよい。したがって、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制できる。
【００５９】
また、集光装置１０は、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、その形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化して単一光子を生成・集光する。例えば、シングルモード光ファイバーのコア径１０μm、量子ドット構造体５０のサイズが数百ｎｍ〜１μmの場合、集光光学系２７の結像倍率を５倍とすれば、光ファイバー２５のコアの単一光子発生素子１１への投影サイズは２μmとなる。集光装置１０は、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているので、３軸ステージ４１の位置再現性の精度で集光位置が設定できる。３軸ステージ４１の位置再現性の精度は１０ｎｍ程度であるので、１μm以下の位置決め精度が可能である。その結果、集光装置１０は、単一光子を確実に生成かつ集光できる。
【００６０】
さらに、単一光子発生素子１１の反射光の強度を得ながら単一光子を集光可能なため、クライオスタット内の温度変化によって集光位置のドリフトが生じても、集光位置のドリフト補償手段により、ドリフト量を補償する３軸ステージ４１の位置制御を行うことで、単一光子の経時的な生成および集光安定性を向上できる。
【００６１】
図６は、第１の実施の形態に係る変形例の集光装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６２】
図６を参照するに、第１の実施の形態に係る変形例の集光装置６０は、３軸ステージ６１をクライオスタット１２内に設けて、単一光子発生素子１１を移動させて励起光の集光位置の制御を可能とした以外は、図２の集光装置１０と同様の構成を有する。
【００６３】
３軸ステージ６１は、クライオスタット１２内の冷却台１３上に固定され、これ自体の上には単一光子発生素子１１が固定されている。３軸ステージ６１は、図３に示すＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に移動可能であり、形状情報取得手段、集光位置最適化手段、集光位置のドリフト補償手段により図２の集光装置１０と同様に制御される。３軸ステージ６１は、１０Ｋのような極低温でも使用可能な、例えばピエゾアクチュエータが好適である。
【００６４】
集光装置６０は、単一光子発生素子１１が移動するので、集光光学系２７を移動する必要がない。そのため、レンズ２７ａの焦点面を入出力部２６の端面に位置合わせが容易になる。また、単一光子発生素子１１の方が集光光学系２７よりも軽量化可能であるので、３軸ステージ６１による駆動が図２の集光装置１０よりも容易になる。なお、集光装置６０は図２の集光装置１０と同様の効果を有する。
【００６５】
なお、単一光子発生素子１１を集光装置１０の集光対象としたが、励起光により発光する微細構造を有する発光構造体であれば、第１の実施の形態に係る集光装置および変形例の集光装置の発光構造体として使用可能である。例えば、マーカとして蛍光体を用いた細胞が挙げられる。但し、励起光の波長と発光の波長は分離可能な程度に異なることが必要である。この点は、次に説明する第２の実施の形態においても同様である。
【００６６】
また、上記の説明では図３に示すように量子ドットの凸部側から励起光を集光したが、凸部とは反対側の面から集光してもよい。この場合、図５に示した反射高強度分布はその上下が逆になる。そのため、集光位置最適化手段は、反射光強度が最小になる集光位置が最適化された集光位置とする。また、量子ドット構造体はメサ構造に限定されず、ピラー（柱状）構造でもよい。
【００６７】
また、図２および図６の集光装置１０，６０は単一光子発生装置としても使用可能である。単一光子発生装置は、図２および図６において分光器３４を除いた構成を有し、本発明の単一光子発生装置の実施の形態である。また、単一光子発生装置は、集光装置１０，６０と同様の効果を有する。すなわち、単一光子発生装置は、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制でき、また、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の形状情報を取得し、その形状情報に基づいて励起光の集光位置の最適化が可能であるので、単一光子を確実に生成できる。
【００６８】
さらに、単一光子発生装置は、単一光子発生素子１１の反射光の強度を得ながら単一光子を生成可能なため、クライオスタット１２内の温度変化によって励起光の集光位置のドリフトが生じても、ドリフト量を補償する３軸ステージ６１の位置制御を行うことで、単一光子の経時的な生成および集光安定性を向上できる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る集光装置は、単一光子発生素子と集光光学系をクライオスタット内に配設した例である。
【００７０】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る集光装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
図７を参照するに、第２の実施の形態に係る集光装置７０は、クライオスタット１２内の冷却台１３上に、単一光子発生素子１１および３軸ステージ６１が配設され、３軸ステージ６１上には集光光学系２７が配設されている。また、クライオスタット１２内に真空カップル７２を介して光ファイバー７１が導入されており、入出力部２６が集光光学系２７に近接して配設されている。３軸ステージ６１は、励起光の集光位置が図３に示すＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各方向に移動可能である。
【００７２】
集光装置７０は、第１の実施の形態と同様に、制御演算部４３でのプログラム（メモリ４５等に記憶されている。）の実行により実現される形状情報取得手段、集光位置最適化手段、集光位置のドリフト補償手段、および発光強度分布取得手段を有している。集光装置７０の動作は第１の実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００７３】
第２の実施の形態に係る集光装置７０は、集光光学系２７が単一光子発生素子１１に近接して配設され、さらに入出力部２６も集光光学系２７に近接して配設されているので、単一光子発生素子１１と入出力部２６を低損失で結合可能であり、単一光子のような微弱な発光の集光に好適である。さらに、これと同様の理由により集光装置７０は、図２の集光装置１０よりも単一光子発生素子１１と入出力部２６との結合を低損失化可能である。
【００７４】
また、従来の集光装置は励起光の照射により集光位置がずれるという問題があったが、集光位置７０はドリフト補償手段を有することで、集光位置を自動で最適な位置に再設定できるためクライオスタット１２内に集光光学系２７を配設しても、経時的な集光位置ずれによる単一光子の集光不能を回避できる。
【００７５】
図８は、第２の実施の形態に係る変形例の集光装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７６】
図８を参照するに、第２の実施の形態に係る変形例の集光装置８０は、３軸ステージ６１が単一光子発生素子１１を移動可能に配設されている以外は、図７の集光装置７０と同様の構成を有する。
【００７７】
３軸ステージ６１は、クライオスタット１２内の冷却台１３上に配設され、これ自体の上には単一光子発生素子１１が配設されている。３軸ステージ６１は、図３に示すＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各方向に移動可能であり、形状情報取得手段、集光位置最適化手段、集光位置のドリフト補償手段により図７の集光装置７０と同様に制御される。
【００７８】
第２の実施の形態に係る変形例の集光装置８０は、単一光子発生素子１１が集光光学系２７に対して移動するので、集光光学系２７自体を移動する必要がない。そのため、レンズ２７ａの焦点面の入出力部２６の端面への位置合わせが容易になる。また、単一光子発生素子１１の方が集光光学系２７よりも軽量化可能であるので、３軸ステージ６１の駆動が図２の集光装置１０よりも容易になる。なお、集光装置８０は図７の集光装置７０と同様の効果を有する。
【００７９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の単一光子発生装置は、第１の実施の形態に係る集光装置（単一光子発生装置）を応用したものである。
【００８０】
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８１】
図９を参照するに、単一光子発生装置９０は、互いに異なる波長を有する単一光子を生成する単一光子発生素子１１と、単一光子発生素子１１に照射される照明光を兼ねる励起光を出射する励起用光源２０と、光ファイバー２１，２３，２５を伝搬し、出射された励起光をコリメートして、単一光子発生素子１１に集光し、さらに単一光子発生素子１１からの反射光を再び光ファイバーに集光する集光光学系２７と、光ファイバーを伝搬した反射光の強度を検出する光検出器２９と、励起光により単一光子発生素子１１で生成され、集光光学系２７および光ファイバー２５を伝搬した単一光子を波長毎に取り出すＷＤＭカプラー９１と、所望の波長の単一光子のみを通過させるバンドパスフィルタ９２1〜９２nと、単一光子を位相変調器等に出力する出力部９３1〜９３nと、集光光学系２７に取り付けられ、励起光を走査する３軸ステージ４１と、３軸ステージ４１を駆動制御するステージ制御部４２と、ステージ制御部４２および光検出器２９等を制御等する制御演算部４３等から構成される。さらに、単一光子発生装置９０は、制御演算部４３でのプログラム（メモリ４５等に記憶されている。）の実行により実現される形状情報取得手段、集光位置最適化手段、集光位置のドリフト補償手段を有している。単一光子発生装置９０の構成要素は図２の集光装置１０と略同様であり、異なる構成要素のみを以下に説明する。
【００８２】
単一光子発生素子１１は、波長多重化された単一光子、すなわち、互いに異なる波長を有する単一光子を生成する。このような単一光子発生素子１１の一例としては、先の図３および図４に示した複数の異なる底面直径および高さＨQDを有するＩｎＡｓ量子ドット５３からなる量子ドット構造体５０を有するものである。単一光子発生素子１１は、一つのパルスの励起光の照射により互いに異なる波長を有する複数の単一光子を同時に生成する。
【００８３】
ＷＤＭカプラー９１は、波長多重化された単一光子を各々の波長λ1〜λnに分岐させ、出力部９３1〜９３n側に送信する。ＷＤＭカプラー９１の代わり、例えば、ＡＷＧ波長合分波器を用いることができる。
【００８４】
バンドパスフィルタ９２1〜９２nは、所望の波長に近接した波長を有する光子を遮断し、所望の波長の単一光子のみを通過させる。バンドパスフィルタ９２1〜９２nは、ＷＤＭカプラー９１で遮断しきれなかった不所望の波長の光子を遮断するものである。バンドパスフィルタ９２1〜９２nの透過波長幅は、例えば１ｎｍ程度に設定してもよい。バンドパスフィルタ９２1〜９２nは、例えば、誘電体多層膜フィルタや回折格子を用いることができる。
【００８５】
なお、バンドパスフィルタ９２1〜９２nはその透過波長および透過波長幅を調整可能なフィルタを用いてもよい。また、ＷＤＭカプラー９１により所望の波長以外の波長を有する光子が除去される場合はバンドパスフィルタ９２1〜９２nを設けなくともよい。
【００８６】
波長λ1〜λnを有する単一光子は、それぞれ波長毎に出力部９３1〜９３nから例えば位相変調器に送出される。
【００８７】
単一光子発生装置９０は、単一光子発生装置９０は、波長多重化された単一光子を生成可能な単一光子発生素子を用いることで、互いに異なる波長を有する複数の単一光子を同時に出力可能である。さらに、単一光子発生装置９０は、第１の実施の形態において説明したように図２の集光装置１０を単一光子発生装置として用いた場合と同様の効果を有する。その結果、確実かつ経時安定性良く互いに異なる波長を有する複数の単一光子を同時に出力できる。
【００８８】
なお、単一光子発生装置９０は、出力部の下流に図示されない位相変調器を設け、各々の単一光子の位相状態に秘密鍵情報の要素を付与して、秘密鍵配送システムの送信機としても使用できる。
【００８９】
また、単一光子発生装置９０の集光光学系および３軸ステージの構成は、図７〜図９の集光装置６０，７０，８０の構成に代えてもよい。
【００９０】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００９１】
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）
励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、
前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を発光構造体に集光し、前記励起光の発光構造体からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる発光構造体からの発光とを該入出力部に入射させる集光光学系と、
前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、
前記光ファイバーを伝搬する発光と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、
前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、
前記発光構造体に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、
前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、
前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える集光装置。
（付記２）
前記励起光を照射中に反射光検出手段により反射光強度を検出し、反射光強度の減少量に応じて励起光の集光位置を最適化する集光位置ずれ補償手段をさらに備えることを特徴とする付記１記載の集光装置。
（付記３）
前記集光位置ずれ補償手段は、集光位置最適化手段により最適化した際の初期反射光強度に対して該反射光強度の減衰量が所定の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段および集光位置最適化手段により、再度、集光位置を最適化することを特徴とする付記２記載の集光装置。
（付記４）
前記出力部に接続され、前記発光の発光強度を検出する発光検出手段と、
前記発光強度と励起光の集光位置との関係に基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段をさらに備えることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の集光装置。
（付記５）
前記発光構造体は励起光の出射側に対して凸形状のメサ構造あるいはピラー構造を有する単一光子発生素子であり、
前記集光位置最適化手段は、最適化された集光位置を反射光強度が最大となる集光位置に設定することを特徴とする付記１記載の集光装置。
（付記６）
前記発光構造体は励起光の出射側に対して凹形状のメサ構造あるいはピラー構造を有する単一光子発生素子であり、
前記集光位置最適化手段は、最適化された集光位置を反射光強度が最小となる集光位置に設定することを特徴とする付記１記載の集光装置。
（付記７）
前記位置制御手段は３軸ステージを有し、
前記３軸ステージ上に集光光学系が配設されてなることを特徴とする付記１記載の集光装置。
（付記８）
前記位置制御手段は３軸ステージを有し、
前記３軸ステージ上に発光構造体が配設されてなることを特徴とする付記１記載の集光装置。
（付記９）
単一光子発生素子と、
励起光を光ファイバーの一端に射出する励起光源と、
前記光ファイバーの他端に配設された入出力部により出射された前記励起光を単一光子発生素子に集光し、前記励起光の単一光子発生素子からの反射光と、前記励起光により生成された、励起光の波長と異なる単一光子発生素子からの単一光子とを該入出力部に入射させる集光光学系と、
前記反射光の強度を検出する反射光検出手段と、
前記光ファイバーを伝搬する単一光子と反射光とを、光の波長に基づいて分波して、該発光を出力部に取り出すと共に、励起光源側に反射光を伝搬させる第１の分波器と、
前記光ファイバーの第１の分波器よりも励起光源側に設けられ、前記励起光を第１の分派器に伝搬させると共に、前記反射光を反射光検出手段に伝搬させる第２の分波器と、
前記単一光子発生素子に照射する励起光の集光位置を制御する位置制御手段と、
前記励起光の集光位置を走査して、前記反射光の強度と励起光の集光位置との関係を取得する形状情報取得手段と、
前記反射光の強度と励起光の集光位置に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段と、を備える単一光子発生装置。
（付記１０）
前記励起光を照射中に反射光検出手段により反射光強度を検出し、反射光強度の減少量に応じて励起光の集光位置を最適化する集光位置ずれ補償手段をさらに備えることを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１１）
前記集光位置ずれ補償手段は、集光位置最適化手段により最適化した際の初期反射光強度に対して該反射光強度の減衰量が所定の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段および集光位置最適化手段により、再度、集光位置を最適化することを特徴とする付記１０記載の単一光子発生装置。
（付記１２）
前記単一光子発生素子は励起光の出射側に対して凸形状のメサ構造あるいはピラー構造を有する単一光子発生素子であり、
前記集光位置最適化手段は、最適化された集光位置を反射光強度が最大となる集光位置に設定することを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１３）
前記単一光子発生素子は励起光の出射側に対して凹形状のメサ構造あるいはピラー構造を有する単一光子発生素子であり、
前記集光位置最適化手段は、最適化された集光位置を反射光強度が最小となる集光位置に設定することを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１４）
前記位置制御手段は３軸ステージを有し、
前記３軸ステージ上に集光光学系が配設されてなることを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１５）
前記位置制御手段は３軸ステージを有し、
前記３軸ステージ上に単一光子発生素子が配設されてなることを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１６）
前記単一光子発生素子を収容するクライオスタットをさらに備え、
前記集光光学系は、クライオスタットの光学窓を介して励起光を単一光子発生素子に集光することを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１７）
前記単一光子発生素子を収容するクライオスタットをさらに備え、
前記クライオスタット内に、導入された光ファイバーに接続された入出力部と集光光学系が配設されてなることを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１８）
前記単一光子発生素子は、量子ドット構造体を有することを特徴とする付記９記載の単一光子発生装置。
（付記１９）
前記単一光子発生素子は、量子ドット構造体を有し、
前記量子ドット構造体は、一つの半導体層の表面に、複数の互いに大きさの異なる量子ドットが設けられてなり、
１つのパルスの励起光により互いに波長の異なる複数の単一光子を同時に生成することを特徴とする付記１８記載の単一光子発生装置。
（付記２０）
前記第１の分波器は、前記単一光子を波長毎に分岐させることを特徴とする付記１９記載の単一光子発生装置。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】従来の微細発光体の集光装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る集光装置の構成図である。
【図３】量子ドット構造体の模式的斜視図である。
【図４】量子ドット構造体の要部断面図である。
【図５】量子ドット構造体からの反射光強度分布を可視化した模式図である。
【図６】第１の実施の形態に係る変形例の集光装置の構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る集光装置の構成図である。
【図８】第２の実施の形態に係る変形例の集光装置の構成図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る単一光子発生装置の構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０，６０，７０，８０    集光装置
１１    単一光子発生素子
１２    クライオスタット
１３    冷却台
１４    冷凍機
１５    冷媒給排管
１６    光学窓
２０    励起用光源
２１，２３，２５，２８，３１，３１1〜３１n，７１    光ファイバー
２２    １ｘ２カプラー
２４，９１    ＷＤＭカプラー
２６    入出力部
２７    集光光学系
２７ａ，２７ｂ    レンズ
２９    光検出器
３２    迷光除去フィルタ
３３    出力部
３４    分光器
４１，６１    ３軸ステージ
４２    ステージ制御部
４３    制御演算部
４４    入力部
４５    メモリ
４６    表示部
５０    量子ドット構造体
５１    ＩｎＰ基板
５２    ＩｎＰバッファ層
５３    ＩｎＡｓ量子ドット
５３ａ  ＩｎＡｓ量子ドット前駆体
５４    第１ＩｎＰダブルキャップ層
５５    第２ＩｎＰダブルキャップ層
５６    ＩｎＰキャップ層
５８    反射光強度分布
７２    真空カップル
９０    単一光子発生装置
９２1〜９２n    バンドパスフィルタ
９３1〜９３n    出力部
【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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