(57)【要約】【課題】光のπ位相シフトに必要な光強度が小く、極めて微弱な光強度、すなわち、単一光子の位相をπシフトできる光位相スイッチを提供する。【解決手段】２準位系として近似可能な光応答物質５と、光応答物質５を包含した、反射率の異なる２枚のミラー３，４からな片側キャビティと、片側キャビティに入力する入力光１とを有し、入力光１の強度を制御して、片側キャビティの出力光２の位相シフトを制御する。片側キャビティを使用して入力光１及び放射光を同一の横モードに閉じ込めるので、入射光１と２準位原子の共鳴に伴う光の散逸が抑制され、出力光２の位相が入力光１に対してπシフトする。２準位原子の縦緩和時間Γから定まる入力光強度のしきい値が存在し、しきい値以下であれば、出力光２の位相がπシフトし、しきい値以上であれば、出力光２の位相が変化しない。【選択図】　　　　図１
2004020970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２準位系として近似可能な光応答物質と、この光応答物質を包含した片側キャビティと、この片側キャビティに入力する入力光とを有し、
この入力光の強度を制御して、上記片側キャビティの出力光の位相シフトを制御することを特徴とする、位相シフト光スイッチ。
【請求項２】
前記入力光の中心波長は、前記光応答物質の共鳴周波数と一致していることを特徴とする、請求項１に記載の位相シフト光スイッチ。
【請求項３】
前記片側キャビティは、反射率の異なる２枚のミラーからなり、一方のミラーの反射率は低く、他方のミラーの反射率は１であることを特徴とする、請求項１に記載の位相シフト光スイッチ。
【請求項４】
前記光応答物質は、単一の原子からなることを特徴とする、請求項１に記載の位相シフト光スイッチ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の位相シフト光スイッチを、マイケルソン干渉計、または、マッハツェンダー干渉計のミラーの１つとして用いることを特徴とする、ルーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光子が数個レベルの微弱な光入力に対しても、その光強度に応じて位相をシフトまたは反転することができる光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報通信需要の増大に伴い、光通信技術の高度化要求は止まるところを知らない。一本の光ファイバでより多くの情報を伝送するために、光波長多重通信技術、光周波数チャープ通信技術、あるいは、光位相通信技術等が検討されている。
光位相通信技術は、光パルスを構成する光子の位相を任意に制御することにより、１個の光パルスで複数の異なった情報を表現できるので、情報通信速度を飛躍的に高めると言われている。
従来、光パルスの位相を制御する装置、すなわち、光位相スイッチには、光強度に応じて光の位相をシフトするスイッチがあり、例えば、光ファイバの自己位相変調効果を利用するものがある。しかしながら、この装置は、検知可能な位相シフトを引き起こすのに必要な光強度が、最低でも光子数で１０９　個程度と極めて大きい光強度を必要とし、また、数キロメートルの長さに及ぶ光ファイバを必要とするため、光通信に実用化できる装置ではない。
【０００３】
ところで、光位相スイッチは、光通信技術のみでなく、光子を情報媒体とした、光量子コンピュータ、光量子暗号通信等の光量子情報通信処理技術においても必要不可欠なスイッチである（文献：Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．Ａ５７，３０８４（１９９８）参照）。これらの技術においては、光子間の量子状態をたがいに「もつれ合わせ」る必要があるが、そのためには、極めて微弱な光、すなわち、単一の光子の位相をπシフトできるスイッチが必要不可欠である。
【０００４】
近年、単一の光子の位相をシフトする方法として、単一原子とバッドキャビティ（ｂａｄ−ｃａｖｉｔｙ）からなる一次元原子（１−Ｄ・ａｔｏｍ）システムが提案されている（文献：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ６０，Ｓ１−Ｓ１０（１９９５）、及び、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ７５，Ｎｏ．２５，（１９９５）ｐｐ４７１０−４７１３参照）。バッドキャビティとは、原子のダイポールのキャビティ・モードへの結合係数をｇ、キャビティ内の電場がミラーを通じて外部モードに放出されるレート（キャビティ場ダンピングレートと言う）をκ、キャビティ場以外への原子の自然放出レートをγ、とした場合、κ＞ｇ２　／κ＞γが成り立つキャビティのことである。このバッドキャビティ条件においては、レートγでのインコヒーレントな放出（自然放出）に比べて、ミラーを通じた外部へのコヒーレントな結合（ｇ２　／κ）のほうが大きく、単一の原子（あるいは等価なシステム）はキャビティモードへと強く結合する。その結果、入力した光子の位相がシフトして出力される。
【０００５】
上記文献のシステムは、図５に示すように、ミラーＭｉ、Ｍｏからなるバッドキャビティ中にＣｓ（セシウム）原子を供給し、ミラーＭｉから光子を入射し、ミラーＭｏから光子を出力する。この出力された光子は、入射光子に対して位相がシフトする。このシステムは、セシウム原子の（６Ｓ１／２　，Ｆ＝４，ｍ＝４）状態から（６Ｐ１／２　，Ｆ＝４，ｍ＝４）状態への遷移を用いている。また、キャビティ長５６μｍ、ガウシャンビーム・ウェスト３５μｍ、透過率がそれぞれ、１．１×１０−６、３．５×１０−４のフィネス１８００程度の２枚の微小凹面鏡を用いて、（κ，ｇ２　／κ，γ）／２πが（７５ＭＨｚ，５．３ＭＨｚ，２．５ＭＨｚ）のバッドキャビティ条件を実現している。
【０００６】
しかしながら、これらのシステムによって得られる出力光子の位相シフト量は１５°程度と低いため、光量子コンピュータ、光量子暗号通信等の光量子情報通信処理技術において必要な、光子数によらずに光子の位相をπシフトできるスイッチとしては利用できない。また、これらのシステムの特性は、入射光子の周波数が、単一原子の共鳴周波数から外れた領域で得られる特性であり、入射光子の周波数が、単一原子の共鳴周波数に一致した場合の特性は知られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、入射光のπ位相シフトに必要な光強度が小く、特に、極めて微弱な光強度、すなわち、単一光子の位相をπシフトでき、かつ、小型の光位相スイッチを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み、本発明の位相シフト光スイッチは、２準位系として近似可能な光応答物質と、光応答物質を包含した片側キャビティと、片側キャビティに入力する入力光とを有し、入力光の強度を制御して、片側キャビティの出力光の位相シフトを制御することを特徴とする。
上記構成において、入力光の中心波長は光応答物質の共鳴周波数と一致している。
上記構成において、片側キャビティは反射率の異なる２枚のミラーからなり、一方のミラーの反射率は低く、他方のミラーの反射率は１である。また、光応答物質は単一の原子からなる。
【０００９】
この構成によれば、入力光が、片側キャビティの反射率の低いミラーから片側キャビティ中に進入し、片側キャビティ中の２準位系原子と共鳴する。共鳴によって２準位系原子が放射光を発生する。片側キャビティの反射率１のミラーによって反射された入力光と共鳴によって発生した放射光は、同一の横波モード（ＴＥＭモード：Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｉｃモード）に閉じ込められて、反射率の低いミラーから出力する。
片側キャビティの構成によって、バッドキャビティ条件が満たされ、かつ、入力光と放射光が同一の横波モードに閉じ込められるために、入射光と２準位原子の共鳴に伴う光の散逸が抑制され、出力した放射光の位相は、入力光の位相に対してπシフトする。
また、２準位原子の縦緩和時間に基づく入力光強度のしきい値が存在し、しきい値以下で位相がπシフトし、しきい値以上で位相が変化しないので、入力光強度を制御して、位相シフトのスイッチングができる。
また、極めて微弱な光強度、すなわち、単一の光子の位相をシフトすることができる。
【００１０】
また、本発明のルーティング装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の位相シフト光スイッチを、マイケルソン干渉計、または、マッハツェンダー干渉計のミラーの１つに用いることを特徴とする。
この構成によれば、位相シフト光スイッチからの反射光と、干渉計の他のミラーからの反射光との位相差が、光強度によって異なるから、位相差に応じて、異なった個所から出力光を取り出すことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図面において、実質的に同一又は均等の要素には、同一の符号を付して説明する。
図１は、本発明の位相シフト光スイッチの構成を示す図である。図において、１は入力光、２は出力光、３は反射率の低いミラー、４は反射率が１のミラーであり、５は２準位系単一原子からなる光応答物質である。なお、ミラー３とミラー４で構成される共振器を片側キャビティと呼ぶ。
入力光１は、２準位系単一原子５の遷移周波数、すなわち、共鳴周波数を中心周波数に持つ光である。
本装置の動作は次のようなものである。
入力光１の強度が下記に説明する特定のしきい値より大きいか小さいかによって、入力光１と出力光２の位相差が変化する。この動作について、以下により詳細に述べる。
【００１２】
図２は本発明の位相シフト光スイッチの動作を説明するための模式図である。図において、ｂｉｎは入力光１の振幅を、ｂｏｕｔ　は出力光２のうちコヒーレントな成分の振幅を表す。Ｐｎｏｉｓｅ　は出力光２のうちランダムな位相を持ってしまったノイズ光成分を示している。ＴＦ　は、ミラー３の透過率、ＴＢ　は、ミラー４の透過率を表す。｜Ｅ＞、｜Ｇ＞は、それぞれ原子５の放射準位と基底準位を表している。｜Ｅ＞、｜Ｇ＞としては、例えば、セシウム原子などのアルカリ原子の微細構造準位である。
片側キャビティ３，４は十分に２準位原子５を覆い尽くすように構成する。このようにすると、｜Ｅ＞から｜Ｇ＞への遷移に対応した自然放出光は、キャビティの横波モードへと選択的に放出されるようになる。また、この遷移の際の、２準位原子５の縦緩和時間をΓとする。
【００１３】
本発明は、本発明者らにより、単一原子とバッドキャビティからなるシステムにおいて、バッドキャビティを片側キャビティで構成することにより、入射光子の周波数が単一原子の共鳴周波数に一致する領域において、単一光子レベルに到る入力微弱光が、散逸に伴う損失やインコヒーレントな成分への変換が抑制されて、π位相シフトしてコヒーレントに出力されることの発見に基づいて成されたものである。以下に、その原理を説明する。
【００１４】
駆動場と２準位原子との相互作用を表すブロッホ方程式（Ｂｌｏｃｈ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）は、例えば、Ｄ．Ｆ．Ｗａｌｌｓ　ａｎｄ　Ｇ．Ｊ．Ｍｉｌｂｕｒｎ，Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　１９９５（ｓｅｃｏｎｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ），ｐ．２１４，式（１１．５）、（１１．６）、及び、ｐ２０２の式（１０．３０）に示されている。
本発明の構成においては、入力光１の中心周波数を２準位系単一原子５の共鳴周波数に一致させるので、これらの式において、駆動場と２準位原子の共鳴周波数の差Δωを零とおくことができ、また、Ｒａｂｉ周波数Ωに時間依存性を持たせ、かつ、複素数に拡張することができる。従って、
複素ダイポール演算子を、
【数１】
2004020970.tif 000003
で表し、その逆演算子を、
【数２】
2004020970.tif 000004
で表すと、ブロッホ方程式は、
【数３】
2004020970.tif 000005
となる。片側キャビティ構成とした場合には、ｔを時間として、ｂｏｕｔ　（ｔ）は、入・出力理論（文献：Ｑｕｏｎｔｕｍ　Ｏｐｔｉｃｓ（ＳｐｒｉｎｇｅｒーＶｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９９５），ｐ．１２１参照）により、
【数４】
2004020970.tif 000006
で表される。全出力光強度Ｐｏｕｔ　は、エネルギー保存則から、
【数５】
2004020970.tif 000007
で表される。なお、Ｐｅｍｉｔは２準位原子５が励起準位｜Ｅ＞から基底準位｜Ｇ＞に遷移する際の放射光強度である。Ｐｅｍｉｔは２準位原子５のエネルギー損失に等しいので、ブロッホ方程式（３）における逆演算子（２）の変化率のマイナスに等しく、
【数６】
2004020970.tif 000008
で表される。
また、放射光強度Ｐｅｍｉｔのうちのコヒーレント光強度Ｐｃｏｈ　は、
【数７】
2004020970.tif 000009
で表される。非コヒーレント成分Ｐｎｏｉｓｅ　は、上記（５）、（６）および（７）式から、
【数８】
2004020970.tif 000010
で表される。従って、片側キャビティ構成の場合のｂｏｕｔ　とｂｉｎの関係は、上記（３）式及び（４）式から、
【数９】
2004020970.tif 000011
で表される。また、ｂｏｕｔ　とｂｉｎの比は、
【数１０】
2004020970.tif 000012
で表される。ただし、ｂｉｎ（ｔ）＝ｂｉｎ、すなわち、入力光１が一定強度の場合を示している。
【００１５】
図３は、（１０）式を用いて計算した出力信号を示す図である。
横軸は入力信号１の入力振幅ｂｉｎを表し、縦軸は入力振幅ｂｉｎとそれに対するコヒーレントな出力信号２の出力振幅ｂｏｕｔ　の比である。
図からわかるように、ｂｉｎの２乗の４倍がΓに等しいとき（このときのｂｉｎの大きさをｂｉｎ０　とする）、コヒーレントな出力振幅ｂｏｕｔ　が０になる。入力振幅ｂｉｎが２桁小さい場合（このときのｂｉｎの大きさをｂｉｎＬ　とする）には、ｌｏｇ１０［４｜ｂｉｎＬ　｜２　／Γ］は−４となり、コヒーレントな出力振幅ｂｏｕｔ　は入力振幅ｂｉｎのそれとほぼ等しく、かつ位相がπシフトする。入力振幅ｂｉｎがｂｉｎ０　より小さく、かつ、ｂｉｎＬ　より大きい場合には、出力信号２は入力信号１に対して振幅が小さくなり、かつ、位相がπシフトする。
従って、ｂｉｎ０　よりも小さな入力振幅の入力光を入力することによって、入力光に対して位相がπシフトした出力光を得ることができる。また、ｂｉｎを極めて小さく、すなわち、単一の光子を入力することによって、単一光子の位相をπずらすことができる。
一方、入力振幅ｂｉｎがｂｉｎ０　より２桁大きい場合（この場合のｂｉｎをｂｉｎＨ　とする）には、ｌｏｇ１０［４｜ｂｉｎＨ　｜２　／Γ］は４となり、コヒーレントな出力振幅ｂｏｕｔ　は入力振幅ｂｉｎのそれとほぼ等しく、かつ位相が変化しない。入力振幅ｂｉｎがｂｉｎ０　より大きくｂｉｎＨ　より小さい場合には、出力信号は入力信号に対して振幅が小さくなり、かつ、位相は変化しない。
このように、本発明の位相シフト光スイッチによれば、入力光強度によって、出力光の位相変化を制御できる。また、単一の光子の位相制御もできる。
【００１６】
さらに、入力振幅がｂｉｎ０　近傍にある場合には、入力振幅がｂｉｎ０　を中心として、ほんの僅か変化するだけで、位相がπシフトするので、超高感度なスイッチング素子として利用できる。ただし、この場合にはコヒーレントな出力振幅ｂｏｕｔ　が入力振幅ｂｉｎより小さく、その減少分はＰｎｏｉｓｅ　として出力されるので、出力側において、特定の位相成分の信号のみを抽出するロックインフィルタリング等を併用する。
【００１７】
次に、本発明の位相シフト光スイッチの使用例を説明する。
図４は、本発明の位相シフト光スイッチを使用したルーティング装置を説明する図である。図において、ルーティング装置１０は、本発明の位相シフト光スイッチ１１と、ハーフミラー１２、及びミラー１３をマイケルソン干渉型に構成している。
入力光１４の強度に応じて、位相シフト光スイッチ１１から反射される光の位相がπ異なるため、ハーフミラー１２から出力光１５となって取り出される場合と、例えば光ファイバで構成した方向性結合器１６から出力光１７となって取り出される場合とに分離され、ルーティング装置として機能する。
例えば、ハーフミラー１２上で、位相シフト光スイッチ１１からの反射光とミラー１３からの反射光の位相差がπの奇数倍であれば出力光は１５となり、位相差がπの偶数倍であれば出力光１７となる。
また、出力光１５，または、出力光１７のどちらか一方に着目すれば、光強度変調器として動作する。
【００１８】
なお、上記説明では、反射率が低いミラーと反射率が１のミラーとの組み合わせからなる片側キャビティを例にとって説明したが、勿論、光応答物質を包含することができ、入力光と光応答物質の放射光とを同一の光路で出力できる構成のキャビティであれば何でも良く、例えば、微小球共振器に単一モードファイバを接触させる等の技術でカップリングさせたキャビティ、導波路のブラッグリフレクター等で構成したキャビティ、あるいは、光結晶（フォトニッククリスタル）で構成したキャビティでも良いことは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、片側キャビティを使用して、入力光及び放射光を同一の横波モードに閉じ込めるので、入射光と２準位原子の共鳴に伴う光の散逸が抑制され、その結果、出力光の位相が入力光に対してπシフトする。
また、使用する２準位原子の縦緩和時間Γから定まる入力光強度のしきい値が存在し、しきい値以下であれば、出力光の位相が入力光に対してπシフトし、しきい値以上であれば、出力光の位相が変化しないので、光強度によって光位相をスイッチングでき、光位相通信等の位相スイッチとして利用できる。
また、光強度が極めて微弱でも、すなわち、単一光子でも動作するので、光量子コンピュータ、光量子暗号通信等の光量子情報通信処理等において、光子間の量子状態をたがいに「もつれ合わせ」る場合のπ位相シフトスイッチとして使用できる。
また、本発明の装置は、２枚のミラーからなる片側キャビティを用いるだけなので、極めて小型である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位相シフト光スイッチの構成を示す図である。
【図２】本発明の位相シフト光スイッチの動作を説明する模式図である。
【図３】（１０）式を用いて計算した出力信号を示す図である。
【図４】本発明の位相シフト光スイッチを使用したルーティング装置を説明する図である。
【図５】従来の一次元原子システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１　　　入力光
２　　　出力光
３　　　低反射率ミラー
４　　　反射率１のミラー
５　　　２準位系単一原子からなる光応答物質
１０　　ルーティング装置
１１　　位相光スイッチ
１２　　ハーフミラー
１３　　ミラー
１４　　入力光
１５　　出力光
１６　　方向性結合器
１７　　出力光
【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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