(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源と、前記レーザー光源からの１つの光子を同じ波長の２つの光子に変換する導波路型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ3と、２つの光子を分離するビームスプリッターと、平均５個程度の光子が入射するゲート幅であって受動クエンチング効果により単一の光子のみを毎回必ず検出するのに最適なゲート幅で開くように制御されて分離された一方の光子を検出する波長１５５０ｎｍ用の単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される５ＧＨｚ程度で変調可能なＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターとを用いた偏光スイッチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
レーザー光源と、前記レーザー光源からの１つの光子を異なる波長の２つの光子に変換する非縮退導波路型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ3と、異なる波長の２つの光子を分離するダイクロイックミラーと、平均５個程度の光子が入射するゲート幅であって受動クエンチング効果により単一の光子のみを毎回必ず検出するのに最適なゲート幅で開くように制御されて分離された一方の光子を検出する波長１５５０ｎｍ用の単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される５ＧＨｚ程度で変調可能なＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターとを用いた偏光スイッチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項３】
レーザー光源と、前記レーザー光源からの１つの光子を２つの光子に変換して異なる方向に出力するバルク型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ3と、平均５個程度の光子が入射するゲート幅であって受動クエンチング効果により単一の光子のみを毎回必ず検出するのに最適なゲート幅で開くように制御されて一方の光子を検出する波長１５５０ｎｍ用の単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して前記単一光子検出器の検出信号で制御される５ＧＨｚ程度で変調可能なＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターとを用いた偏光スイッチとを具備することを特徴とする単一光子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、単一光子発生装置に関し、特に、レーザー光を非線形光学結晶に当てて自発パラメトリック下方変換によって生成した２つの光子から単一光子を分離する単一光子発生装置に関する。
【背景技術】  現在、暗号鍵の配布には公開鍵暗号が広く使用されている。将来的には、原理的に盗聴・解読が不可能な暗号技術が必要となる。量子暗号は、原理的に盗聴・解読が不可能な暗号技術であり、この暗号鍵配布の問題を完全に解決することができる。また、「無相互作用測定」を利用すれば、「光を当てずに物を見る」ことが可能である。この無相互作用測定を並行的に行い、光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」が実現できる。量子暗号や無相互作用測定では、光子の量子力学的な性質を用いるために、単―光子発生技術が必要となる。
従来、光子源として、単一光子レベルまで減衰された光パルスが用いられてきた。この光源では、光子統計がポアッソン分布に従うため、同一パルス中に２個以上の光子が含まれる確率が存在する。量子暗号通信は、光子１個を伝送することで安全性を確保するため、ビームスプリッターアタック等の盗聴の可能性がある。量子暗号における単一光子発生は、レーザーからの光パルスを平均光子数が０．１個になるまで減衰することにより行なわれてきた。この方法では、単一光子は全パルスの１０％にしか存在しないため、鍵配布率は低い。これを改善するためには平均光子数を上げればよいが、１パルスに含まれる光子数がポアソン分布に従うため、同じパルス内に２個以上の光子が存在する確率が増加してしまう。そのため量子暗号の安全性が破綻してしまう。
従来の他の単一光子源の例として、量子ドットによるものがある。これは、極低温下での動作や、１５５０ｎｍ帯の光子発生が困難であることから、量子暗号通信への応用は難しい。そのため、単一光子の発生には、非線形光学過程である自発パラメトリック下方変換（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｄｏｗｎ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：ＳＰＤＣ）が広く使用されている。このＳＰＤＣでは、エネルギーの高い光子を、エネルギーの低い２つの光子に変換する。以下、パラメトリック下方変換により発生する光子対を用いる単一光子源について説明する。
自発パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）とは、非線形光学結晶の２次の非線形性を利用して、波長変換を行うものである。波長λ０の光子は、エネルギー保存則と運動量保存則（位相整合条件）
ｈｃ／λ０＝ｈｃ／λ１＋ｈｃ／λ２
ｋｐ＝ｋｓ＋ｋｌ
を満たしながら、波長λ１の光子と波長λ２の光子へ変換される。ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは光速である。λ１＝λ２＝２λ０の場合は、縮退パラメトリック下方変換と呼ばれる。λ１≠λ２≠２λ０の場合は非縮退パラメトリック下方変換と呼ばれる。
位相整合方法には２種類ある。１つは、ベータバリウムボレート（Ｂｅｔａ  Ｂａｒｉｕｍ  Ｂｏｒａｔｅ：ＢＢＯ）、ニオブ酸リチウム（Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ：ＬＮ）バルク結晶の角度位相整合である。これは結晶の光軸に対するポンプ光の入射方向を調節することにより、位相整合条件を満たす。光子対を構成する光子は、アイドラー光子とシグナル光子と呼ばれる。シグナル光子とアイドラー光子が同一偏光を持ち、また、これらがポンプ光の偏光と直交する形をとるものをタイプＩ位相整合と呼ぶ。一方、シグナル光子とアイドラー光子の持つ偏光が直交するものをタイプＩＩ位相整合と呼ぶ。もう一つの位相整合方法は、擬似位相整合（Ｑｕａｓｉ  Ｐｈａｓｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ：ＱＰＭ）である。これは、結晶に周期的な分極反転構造を設けることにより、擬似位相整合を達成する。そして、ポンプ光と同じ偏光を持ったシグナル光子とアイドラー光子が発生する。これは、タイプ０位相整合と呼ばれる。波長１５５０ｎｍが出力可能なものとして、ＬＮに分極反転構造を設けたＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ）がある。
自発パラメトリック下方変換により発生する光子対、つまりシグナル光子とアイドラー光子は、完全な時間相関を持つ。第１４図に示すように、光子検出器Ｄ１によりアイドラー光子が検出されたとすると、この検出信号は、シグナル光子が存在するタイミングの情報を持つ。よって、光子検出器Ｄ１で光子が検出された時のみ光スイッチを開くことで、正確に相関のある光子が出力できる。この方法をポストセレクションと呼ぶ。
以下、従来の単一光子発生技術の例をいくつかあげる。特許文献１に開示された「単一光子発生装置」は、パルス内にただ１つの光子を発生させるものである。第１５図（ａ）に示すように、発生時刻に相関をもつ、シグナル光子とアイドラー光子からなる光子対を、光子対源で発生する。光子対源では、擬似位相整合型非線型光学媒質をレーザー光でポンプして、縦横の偏光をもつ蛍光対を発生する。光子検出器で、アイドラー光子の入射を検出する。クロック発生器のクロックによって規定される一定時間内に、特定の回数を下回る回数のみ、ゲート装置を開閉するための信号を、ゲート装置制御部で生成する。ゲート装置制御部からの信号に応じて、ゲート装置を開閉する。
特許文献２に開示された「量子暗号を使用したキー分配用システム」は、単一光子を用いてキー配布を行う量子暗号システムであり、単一光子を発生するために、第１５図（ｂ）に示すような単一光子発生装置を使用する。レーザーは、ＫＤＰ等の非線型結晶をポンプする。結晶によるパラメトリック下方向変換で、２つの光子ビームを発生する。１つのビームの光子は、光検出器により検出され、単一の光子が通過するように、シャッターを開くゲートをトリガする。非特許文献１に開示された「光子対を用いる量子鍵配布システム」では、第１５図（ｃ）に示すような単一光子発生装置を使用する。この相関光子源（ＣＰＳ）は、自発パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ）を利用して相関光子対を発生する。光子対のうちのアイドラー光子が検出器に到達したときにのみ、検出器でゲートをトリガして、シグナル光子を送出する。
非特許文献２に開示された「単一光子発生装置」は、第１６図（ａ）に示すように、非線形結晶を用いた下方変換器を配列する。各下方変換器は光子対を生成することができる。各下方変換器には、光子検出器が設けられている。光子検出器で光子を検出すると、光スイッチをトリガして、光子を出力する。非特許文献３に開示された「蓄積型単一光子発生装置」は、第１６図（ｂ）に示すように、蓄積型の下方変換器を用いて、単一光子を擬似的にオンデマンドで発生できる光子源である。光子対がパラメトリック下方変換器から発生する。光子検出器からの検出信号により光スイッチを制御して、光子を蓄積ループに蓄える。必要なときに光スイッチを開いて、光子を取り出すことができる。
【特許文献１】：特開２０００−２９２８２１号公報
【特許文献２】：特表平８−５０５０１９号公報
【非特許文献１】：Ｚ．Ｗａｌｔｏｎ，Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ，Ｍ．Ａｔａｔｕｒｅ，Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，ａｎｄ  Ｍ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ１，”Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｎ−Ｐａｉｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｋｅｙ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”，Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．１４，ｐｐ．２０５５−２０６３，（Ａｐｒ．２２，２００１）．
【非特許文献２】：Ａ．Ｌ．Ｍｉｇｄａｌｌ，Ｄ．Ｂｒａｎｎｉｎｇ，Ｓ．Ｃａｓｔｅｌｌｅｔｔｏ  ａｎｄ  Ｍ．Ｗａｒｅ，”Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｚｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．４８２１，ｐｐ．４５５−４６５，（２００２）．
【非特許文献３】：Ｔ．Ｂ．Ｐｉｔｔｍａｎ，Ｂ．Ｃ．Ｊａｃｏｂｓ，ａｎｄ  Ｊ．Ｄ．Ｆｒａｎｓｏｎ，”Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｓｅｕｄｏ−Ｄｅｍａｎｄ  ｆｒｏｍ  Ｓｔｏｒｅｄ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｄｏｗｎ−Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６６，０４２３０３（２００２）．
【発明の開示】
しかし、従来の単一光子発生装置では、一定の周期で効率よく単一光子を発生させることができないという問題があった。本発明は、一定の周期で効率よく単一光子を発生させることを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明では、単一光子発生装置を、ＣＷレーザー光源と、レーザー光源からの１つの光子を同じ波長の２つの光子に変換する導波路型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ３と、２つの光子を分離するビームスプリッターと、分離された一方の光子を検出するゲート動作の単一光子検出器と、分離された他方の光子を入力して単一光子検出器の検出信号で制御される光スイッチとを具備する構成とした。
このように構成したことにより、自発パラメトリック下方変換（レーザー光と結晶との非線形光学過程）で生成した２つの光子を、光スイッチにより、一定の偏光方向を持つ光子１個を高い確率で、効率よく分離して、単一光子を発生させることができる。量子暗号に利用すれば、高いビットレートで、しかも長距離にわたる鍵配布を実現できる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の実施例における単一光子発生装置の概念図である。
第２図は、Ｐ（ｎ’）のＴｓ／Ｔｄに対する依存性を示す図である。
第３図は、Ｔｓ／Ｔｄ＝０．２のときの光子数分布を示す図である。
第４図は、光子対発生装置の概念図である。
第５図は、パワーメーターにより測定した出力パワーとポンプ波長の関係を示す図である。
第６図は、ＲＴｄ＝１．４４の時の実験結果を示す図である。
第７図は、実験値と計算値との比較を示す表である。
第８図は、ポストセレクションする方の光子検出器のゲート時間を長く取る方法を示す図である。
第９図は、アバランシェ信号を検出して制御信号を生成する回路の図である。
第１０図は、制御信号の波形を示す図である。
第１１図は、導波路型ＰＰＬＮを用いた単一光子発生装置の概念図である。
第１２図は、１ｎｓの制御信号を入力した場合と５ｎｓの制御信号を入力した場合の比較を示す図である。
第１３図は、制御信号発生率が６，３０，３７，４１ｋＨｚであるときの光子検出器Ｄ２の検出確率を示す図である。
第１４図は、従来の自発パラメトリック下方変換による単一光子発生装置の概念図である。
第１５図は、従来の単一光子発生装置の概念図である。
第１６図は、従来の他の単一光子発生装置の概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明を実施するための最良の形態について、第１図〜第１３図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施例は、自発パラメトリック下方変換によって２つの光子を発生し、ＬＮ偏波変調器を用いる光スイッチで単一光子を選択的に通過させる単一光子発生装置である。
第１図は、本発明の実施例における単一光子発生装置の概念図である。第１図において、レーザー１は、波長７７５ｎｍのＣＷ半導体レーザーである。ＰＰＬＮ２は、波長７７５ｎｍの光子を波長１５５０ｎｍの２つの光子に変換する導波路型ＰＰＬＮ（バルク型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ３）である。ビームスプリッター３は、２つの光子を分離する手段である。ゲート動作の単一光子検出器４は、ある時間間隔だけ光子１つを検出できるセンサーである。光スイッチ５は、ＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターにより構成される光スイッチである。これ以外の構成の光スイッチを用いることもできる。ダイクロイックミラー６は、波長の異なる光子を分離するミラーである。ＡＰＤは、アバランシェフォトダイオードである。Ｄ１，Ｄ２は、光子検出器である。ＤＭ１，ＤＭ２は、ダイクロイックミラーである。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、レンズである。ＳＭＦは、シングルモードファイバーである。
上記のように構成された本発明の実施例における単一光子発生装置の動作を説明する。単一光子発生装置は、第１図（ａ）に示すように、波長７７５ｎｍのＣＷ半導体レーザー１と、ＰＰＬＮ２と、光スイッチ５により構成されている。ここで、光スイッチ５は、ＬＮ偏波変調器と偏光ビームスプリッターにより構成されている。導波路型擬似位相整合ＬｉＮｂＯ３（非線形結晶）を、波長７７５ｎｍのＣＷ半導体レーザー１でポンプし、自発パラメトリック下方変換と呼ばれる非線形光学過程により、波長１５５０ｎｍの相関光子対を連続的に発生させる。
導波路型ＰＰＬＮによる光子対発生を説明する。自発パラメトリック下方変換による光子対を用いた単一光子の発生率を上げるためには、光子対の発生率（Ｒ）を上げることが重要となる。そこで、下方変換素子として導波路型ＰＰＬＮ（以下ＰＰＬＮ−ＷＧ）を用いる。ＰＰＬＮ−ＷＧは、バルク結晶に比べて光子対の発生率が高い。この理由として以下の２つが挙げられる。１つは、導波路構造を持つことから高いポンプパワー密度を保ったまま相互作用長を長く取ることが可能な点である。もう一つは、擬似位相整合を利用していることから、無機材料の中で最も大きい非線形光学定数ｄ３３を利用できる点である。また、ＰＰＬＮ−ＷＧは波長７７５ｎｍのポンプにより１５５０ｎｍの光子対を発生することが可能である。
導波路型ＰＰＬＮ２（波長７７５ｎｍの光子を波長１５５０ｎｍの２つの光子に変換するもの）では、高い変換効率を得るために、数ｍＷ程度の出力を有する、波長７７５ｎｍのＣＷ半導体レーザー１で、導波路型ＰＰＬＮ２をポンプする。このとき、フォトリフラクティブ効果による変換効率の低下を防ぐために、導波路型ＰＰＬＮ２の温度はオーブンにより１２５＝〜１５０＝に保つ。発生した波長１５５０ｎｍの光子対の一方は、ゲート幅２０ｎｓ程度（単一光子検出器のデッドタイム）で動作させた単一光子検出器４で検出する。この検出信号により、ＬＮ偏波変調器を動作させる。もう一方の光子の偏光を９０度回転させることにより、光子１個だけを数百ｋＨｚの周期で進行方向に取り出す。このとき、ＬＮ偏波変調器は、光子検出信号のジッター時間（２００ｐｓ）程度だけ動作させるため、５ＧＨｚ程度で変調可能なものを使用する。
このようにして、パラメトリック下方変換により発生させた光子対の片方を検出（ポストセレクト）したときのみ、もう一方の光子を通過させる光スイッチ５を用いて、単一光子源を実現する。ポストセレクト用の光子検出器４（波長１５５０ｎｍ用）の時間分解能は１００ｐｓ程度であることから、光スイッチ５の限界は約２ＧＨｚである。この下で最適な光子対の発生率は２．５×１０８個／ｓである。これ以上発生率を上げても、２個以上の光子を同時にスイッチしてしまう確率が高くなるだけである。この発生率を実現するために、下方変換素子として導波路型ＰＰＬＮ２を用い、波長７７５ｎｍのＣＷレーザーでポンプすることにより、波長１５５０ｎｍの光子対を発生させる。ポンプ光の出力が１ｍＷ程度のとき、先の光子対発生率が確保できる。
ＰＰＬＮ２により発生した光子対は、同じ方向に発生しているため、ビームスプリッター３により強制的に分離する。波長１５５０ｎｍ用の光子検出器４は、ゲート動作させるが、このゲート幅は通常、暗計数抑圧のため１ｎｓと狭い。しかし、ポストセレクトできる確率をあげるために、２０ｎｓに広げる。この間に平均５個の光子が入射する。ゲート開始から初めての検出信号が出力されると、検出器４は、検出回路の受動クエンチング効果により、この後に入射する光子が検出されることはない。この検出信号を、光スイッチ５の制御信号として用いる。光スイッチ５には、ＰＰＬＮ２により出力される光子対が一定の偏光方向を持つことから、偏光ビームスプリッターを用いた偏光スイッチを採用する。偏光は、帯域１０ＧＨｚの偏光コントローラーにより制御される。量子効率が約２５％で、２０ｎｓあたりの暗計数率が約６×１０−４の単一光子検出器４を用いた場合、４０％の確率で、ゲート時間内に光子を１つだけ入れることができる。光子が２個以上入る確率は、１％に抑えられる。これは、平均光子数０．１まで減衰された光パルスと同等レベルである。
第１図（ｂ）に示す単一光子発生装置では、ＰＰＬＮ２として、波長７７５ｎｍの光子を波長１５３０ｎｍと１５７０ｎｍの２つの光子に変換できる非縮退導波路型ＰＰＬＮを用いる。ゲート光子検出を、異なる波長で行うことができ、光子の利用効率を高めることができる。これにより、縮退導波路型ＰＰＬＮよりもさらに高い単一光子発生率を実現することができる。５０／５０ビームスプリッター３の代わりに、ダイクロイックミラー６を用いる。
第１図（ｃ）に示す単一光子発生装置では、波長７７５ｎｍの光子を、２つの光子に変換する。それらを、ポンプ光を含む平面上の異なる方向に発生できるバルク型ＰＰＬＮを用いる。これにより、光子対を空間的に分離することができ、光子の利用効率を高めることができる。５０／５０ビームスプリッターは必要なくなる。
従来のように単に減衰させた光パルスの光子統計は、ポアソン分布に従う。しかし、この実施例の場合では、光子対の片方をポストセレクトしたときのみ、もう片方の光子を切り出すため、光子数ゆらぎを、ポアソン分布よりも抑圧することができる。また、光スイッチは、偏光状態を利用するものであるため、高い確率で光子１個を分離できる。そして、放出される光子は、一定の偏光方向を持つため、非常に扱いやすい光源である。光スイッチによる単一光子源では、２個以上の光子が同時に放出される確率を抑え、かつ高い確率で単一光子を放出することが可能となる。
以下、本発明の単一光子発生装置の動作実験の結果を説明する。まず、光子対の生成について説明する。光子検出器Ｄ１の測定時間Ｔｄの間に存在するアイドラー光子の数がｎ個である確率は、
Ｐ（ｎ）＝｛ｅｘｐ（−ＲＴｄ）｝（ＲＴｄ）ｎ／（ｎ！）
となる。ここで、Ｒは光子対の発生率である。光スイッチは、アイドラー光子が検出された時のみ開ける。よって、光スイッチを開けた時、シグナル光子は必ず出力される。光スイッチを開く時間をＴｓとすると、この時間にシグナル光子の数がｎ’である確率は、
Ｐ（０）＝０
Ｐ（ｎ’）＝Ｆ（ｎ’）／｛Σ＝ｍ−１∞Ｆ（ｍ）｝
Ｆ（ｍ）＝｛ｅｘｐ（−ＲＴｓ）｝（ＲＴｓ）ｍ／（ｍ！）
となる。ここで、ＲＴｄ＝１となるようにすると（つまり、時間Ｔｄに平均で１対の光子対が発生する）、ＲＴｓ＝Ｔｓ／Ｔｄとなる。
第２図に、Ｐ（ｎ’）のＴｓ／Ｔｄに対する依存性を示す。また、第３図に、Ｔｓ／Ｔｄ＝０．２のときの光子数分布を示す。第２図から明らかなように、Ｔｓ／Ｔｄを小さくすれば、多数個のシグナル光子を出力する確率を抑圧することが可能となる。この多光子抑圧方法では、光子対が連続的に発生しているため、この光源から出力される光子を制御、検出する際には、ポストセレクションの際の光子検出信号が必ず必要となる。また実際には、系による光損失や光子検出器の暗計数により、Ｐ（０）が存在する（Ｐ（０）≠０）。
第４図は、光子対発生装置の概念図である。第４図に示すように、波長が７７７ｎｍで、平均パワーが５ｍＷで、線幅が３０ｋＨｚのＣＷレーザー（ＮＥＷ  ＦＯＣＵＳ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ）から出力されたポンプ光は、レンズＬ１により、結晶長３０ｍｍのＰＰＬＮ−ＷＧへ導入される。光損傷を防ぐために、ＰＰＬＮ−ＷＧの温度は７０℃と、高く設定されている。縮退パラメトリック下方変換により、波長１５５４ｎｍの光子対（シグナル光子とアイドラー光子）が連続的に発生する。この出力は、レンズＬ２によりコリメートされ、ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２により、ポンプ光は遮断される。実験（１）では、ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２を透過した出力光子を、パワーメーターへと導く。実験（２）では、出力光子対を、レンズＬ３により、シングルモードファイバー（ＳＭＦ）へ導く。その後、シグナル光子とアイドラー光子は、５０／５０シングルモードカップラーにより分離され、光子検出器Ｄ１，Ｄ２により検出される。光子検出器には、ペルチェ素子により−４８℃まで冷却されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ−ＡＰＤ（ＥＰＩＴＡＸＸ  ＥＰＭ２３９−ＢＡ）をゲート動作させるものを用いる。光子検出器Ｄ１，Ｄ２からの検出信号は、カウンター（ＳＴＡＮＦＯＲＤ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＳＹＳＴＥＭ  ＳＳＲ４００）によって、同時計数される。このとき、光子検出器Ｄ１，Ｄ２へのゲート電圧（パルス幅は約１ｎｓ）は、遅延発生器（ＳＴＡＮＦＯＲＤ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＳＹＳＴＥＭ  ＳＤＧ５３５）によって遅延される。
実験（１）では、ポンプ光の波長を変化させた時の、１５５０ｎｍ帯の出力パワーを測定した。このとき、導波路に結合されるポンプパワーは１．５ｍＷである。第５図に、パワーメーターにより測定した出力パワーと、ポンプ波長の関係を示す。波長７７７．２ｎｍにおいてピークが見て取れる。これは、用いたＰＰＬＮ−ＷＧ（７０℃）の位相整合波長が７７７．２ｎｍであることを意味する。オフセットの成分は、実験系のバックグラウンドと、パワーメーターのドリフト電流によるものである。ピークの高さからわかるように、およそ５００ｐＷの波長１５５４ｎｍの光出力が得られている。実験（２）では、ポンプ光の波長を７７７．２ｎｍに固定し、ＰＰＬＮ−ＷＧから発生した波長１５５４ｎｍの光子対を、単一光子検出器を用いて測定した。光子検出器Ｄ１，Ｄ２のゲートを２００ｋＨｚで動作させた時の計数率は、１．６×１０４（シングル計数）である。
ここで、パワーメーターから見積もった光子対の平均発生率と、単一光子検出器の計数について説明する。波長１５５４ｎｍの光子１個が持つエネルギーは、
0004625907.tif 000002
となる。ここで、光子対の発生率をＲとし、ゲート幅をＴｄとすると、ゲート時間内に入射する光子のパワーＷｇは、
0004625907.tif 000003
と表せる。実験（１）の結果より、Ｗｇ＝５×１０１９［Ｗ／ｎｓ］であるから、１ｎｓのゲート時間に含まれる平均の光子対の数ＲＴｄは、およそ２である。
一方、入射する平均の光子対の数がＲＴｄの時の、光子検出器が検出信号を出力する確率は、
0004625907.tif 000004
と表せる。ここで、Ｔは系の損失であり、η１，２は、光子検出器Ｄ１，Ｄ２それぞれの量子効率である。この計算式に、ＲＴｄ＝２を代入すると、ゲート１つあたりに検出信号を出力する確率は０．０７６となり、ゲートの繰り返し周波数２００ｋＨｚを考慮すると、計数率の計算値は１．５×１０４となる。ここで、η１，２＝０．２、Ｔ＝０．２とした。計算値と実験値は良く一致している。
次に、同時計数率について説明する。１つのゲートあたりの同時計数確率を表す計算式は、
0004625907.tif 000005
とかける。この式には、相関のない光子どうしの同時計数も含まれてしまっている。そこで、相関のない光子による同時計数確率を求める。これは、２つの独立事象が同時に起こる確率であるから、光子検出器Ｄ１，Ｄ２のシングル計数の積で書ける。よって、相関のない光子による同時計数は、
0004625907.tif 000006
と表せる。よって、相関のある光子どうしによる同時計数確率は、Ｐｃｃ−Ｐｃｐとなる。
第６図に、ＲＴｄ＝１．４４の時の実験結果を示す。遅延時間が４ｎｓのとき、同時計数率が増加している。これは、相関を持つ光子どうしの同時計数が現れたからである。逆に、それ以外の遅延時間においては、ある一定の同時計数が残っている。これは、相関のない光子どうしによる同時計数である。Ｐｃｃの式は遅延時間４ｎｓの同時計数確率を示し、Ｐｃｐの式はその他の遅延時間における同時計数確率を示す。これらの式により求めた計算値との比較を、第７図の表にあわせて示す。ここで、η１，２＝０．２、Ｒ＝１．４４、Ｔｄ＝１ｎｓ、Ｔ＝０．１５とした。この表から、計算値と実験値の良い一致を見ることができる。しかし、光子検出器に印加するゲートが１ｎｓと短いため、同時計数確率が非常に小さい。
ＰＰＬＮ−ＷＧから発生する光子対を用いて１５５０ｎｍ帯の単一光子源を実現するためには、１５５０ｎｍ帯単一光子検出器が必要となる。この検出器は通常、ゲート動作されるが、このゲート幅は１ｎｓと非常に短い。そのため、ポストセレクトする確率が小さい。この結果、単一光子発生率が低くなってしまう。これを改善するためには、ポストセレクションする確率を大きくする方法が必要となる。そこで、ポストセレクションする方の光子検出器のゲート時間を長く取る。第８図に示すように、光子検出器Ｄ１のゲート時間を長く取ることにより、ゲート中に入射する平均光子数が増加する。これにより、光スイッチを開くトリガ信号を出力する確率を大きくすることが可能となる。そして、ゲートが入力されてから初めてトリガ信号を出力したときのみ、光スイッチを開ける（短い時間のみ）。
１５５０ｎｍ帯単一光子検出器に使用している検出回路は、受動クエンチング機能（時定数をゲート時間以上にする必要がある）があるため、１度検出信号を出力すると、同じゲート内で再び検出信号を出力することはない。この方法では、光子検出器Ｄ１における１ゲートあたりの検出確率が１となると、光子検出器Ｄ１のゲートの周期に準じて、パルス的に光子を切り出すことが可能となる。しかし、光子が切り出されるタイミングは、厳密には、光子検出器Ｄ１に採用するゲート時間だけの不確定さを持つこととなる。
光子対の片方を検出した際、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）から出力される検出信号、つまりアバランシェ信号の立ち上がりは、光子対のもう片方の光子の存在するタイミングの情報を持つ。よって、アバランシェ信号の立ち上がり時間を正確に読み取り、これをもとに、正確な時間に光スイッチを開く制御信号を出力する制御回路が重要となる。ＡＰＤは、光子吸収してからアバランシェを起こすまでの応答時間に、１００〜２００ｐｓ（ＡＰＤに印加する電圧による）のジッターを持つ。よって、この分解能を減少させることなく制御信号を作成できるとすると、１ＧＨｚを超える光スイッチを実現することができる。
立ち上がり時間が５００ｐｓ以下で、ジッターが１００ｐｓ以下の超高速コンパレーター（Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ；ＭＡＸＩＭ  ＭＡＸ９６９１）を用いて、第９図に示すアバランシェ信号の検出系を作成した。また、このコンパレーターからの出力がＥＣＬレベル（Ｌ−ｌｅｖｅｌ＝−１．７Ｖ，Ｈ−ｌｅｖｅｌ＝−０．７Ｖ）であるため、出力レベルを、光スイッチの制御信号や光子検出器のゲートとして使用できるレベルへ変換、整形を行う回路（ｐｕｌｓｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を作成した。波長１５５０ｎｍ、パルス幅５０ｐｓのパルスレーザーを用いて、この回路の試験を行った。単一光子検出器のゲート幅は２０ｎｓとし、ゲート開始から１０ｎｓ後に光パルスを入射した。このときの制御回路からの出力を、１ＧＨｚ帯域のオシロスコープ（ＬｅＣｒｏｙ  ＬＣ５７４ＡＬ）を用いて測定した。第１０図に示すように、出力信号は、立ち上がり、立下りともに６００ｐｓ程度であり、ジッターは２００ｐｓ程度である。オシロスコープの帯域を考慮すると、立ち上がりは、さらに鋭い可能性もある。また、Ｈ−レベルの継続時間は５００ｐｓであるから、実際のパルス幅は、およそ１．５ｎｓとなる。また、出力電圧は最大で１０Ｖ（５０Ωの終端抵抗が駆動可能）の出力が可能である。実際に制御信号として用いる時には、高周波用プログラマブル減衰器を用いて電圧値を調節する。
第１１図に、単一光子発生装置の概念図を示す。ＰＰＬＮ−ＷＧを、波長７７７．２ｎｍのＣＷレーザーでポンプすることにより発生した１５５４ｎｍの光子対は、単一モードファイバー（ＳＭＦ）へと導かれる。５０／５０ファイバーカップラーにより、検出モード（ｄ−ｍｏｄｅ）と出力モード（ｏ−ｍｏｄｅ）の２つに分けられる。検出モードの光子は、光子検出器Ｄ１で検出される。光子検出器Ｄ１は、５０ｎｓと長いゲートにより駆動される（ｌｏｎｇ−ｇａｔｅ  ｍｏｄｅ）。長いゲートを採用していることから、アフターパルスの発生率が高いため、ゲートの繰り返し周波数は５０ｋＨｚとした。光子検出器Ｄ１からの検出信号は、超高速コンパレーターにより閾値検出され、これからの出力は遅延がかけられた後に、パルス整形回路により、パルス幅が約１ｎｓで、電圧が４．５Ｖの制御信号へと変換される。
一方、出力モードの光子は、制御信号をゲートとした光子検出器Ｄ２により検出される。光子検出器Ｄ２の光子検出結果は、制御信号の時間幅のみを見たものとなるので、光スイッチと制御信号を用いて出力される光子を検出するのと等価となる。光子検出器Ｄ１，Ｄ２は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ−ＡＰＤ（ＥＰＩＴＡＸＸ  ＥＰＭ２３９ＢＡ）を、ペルチェ素子により−４８℃まで冷却したものを用いる。光子検出器Ｄ１の量子効率η１は２０％であり、暗計数確率は２×１０−３／５０ｎｓである。また、光子検出器Ｄ２の量子効率η２は２０％であり、暗計数確率は２×１０−４／１ｎｓである。
この実験系において重要な点は、光子対の片方が光子検出器へ入射したタイミングに、正確に制御回路からの制御信号がＤ２に印加されるか否かである。制御信号を遅延させたときの光子検出器Ｄ２の計数率を測定した。第１２図に、光子検出器Ｄ２へ１ｎｓの制御信号を入力した場合と、５ｎｓの制御信号を入力した場合の比較を示す。遅延時間６ｎｓにおいて、ピークを見ることができる。これは、相関を持つ光子が光子検出器Ｄ２へ入射する正確な時間に、制御信号が印加されていることを示す。１ｎｓに対して５ｎｓの時の方が全体的な計数率が大きい。これは、５ｎｓのほうが入射する平均光子数が多いため、相関がない光子に対する計数が増加したためである。相関のある光子による計数率の増加量は、１ｎｓの場合、５ｎｓの場合共に同じである。これは、１ｎｓと短い制御信号においても、相関のある光子の存存する時間を正確に押えることが可能であることを示す。
光子検出器Ｄ１において、全てのゲートで検出信号を出力することができれば、５０ｎｓのジッターはあるものの、ゲートの繰り返し周波数分の制御信号を取り出すことができる。これは、パルス的な光源が可能となることを示唆する。これを実現するためには、光子検出器Ｄ１の計数率が飽和するぐらい、光子対の発生率を上げればよい。ポンプ光強度を上げることにより光子対の発生率を増加させ、光子検出器Ｄ２への制御信号発生率（光子検出器Ｄ１の検出信号発生率）に対する光子検出器Ｄ２の計数率を測定した。
第１３図に、制御信号発生率が６，３０，３７，４１ｋＨｚであるときの光子検出器Ｄ２の検出確率を示す。ここで、光子検出器Ｄ１のゲートの繰り返し周波数は５０ｋＨｚであるので、制御信号発生率４１ｋＨｚの場合は、光子検出器Ｄ１の計数率は８０％以上である。制御信号の発生率が増加するにつれて、光子検出器Ｄ２での計数確率は増加する。しかし、相関のない光子による計数確率のみが増加し、相関をもつ光子による計数確率に増加はない。これは、相関を持つ光子による計数確率は制御信号の発生率には依存せず、系の光損失のみで決定される。よって、光子対の発生率を増加させると、制御信号幅（光子検出器Ｄ２のゲート幅）へ相関のない光子が入射する確率のみが増加したからである。
第１３図より、相関のある光子による計数確率は、平均１．３％となっている。光子検出器Ｄ２の量子効率を考慮すると、制御信号が出力された時、およそ７％の確率で相関のある光子を出力できている。制御信号の発生率が６ｋＨｚであるときは、相関のない光子による計数が、ほぼ無視できるレベルまで抑圧できているのに対して、相関のある光子は正確に出力可能となっている。つまり、光子１個を正確に７％の確率で出力できることになる。一方で、制御信号の発生率が３０ｋＨｚ以上となると、相関のない光子による出力確率が無視できない。しかしながら、多光子出力確率を固定したまま、平均光子数を増加させることが可能となる（つまり、光子１個の出力確率のみが増加する）。
制御信号発生率が３７ｋＨｚである時を例に挙げる。光子検出器Ｄ２の量子効率（２０％）を補正すると、相関のある光子の影響により、全体の出力平均光子数は０．１６である。一方、相関のない光子によるものは０．１である。光子数分布は、パラメトリック下方変換の時にポアッソン分布以上に広がってしまうが、ここでは損失が多いために、ポアッソン分布で近似する。その仮定では、多光子が出力される確率は、平均光子数０．１のポアッソン分布程度となる。この結果は、多光子出力確率が、およそ４ｄＢ改善されたことに対応する。
この例では、シグナル光子とアイドラー光子の波長が同じである縮退自発パラメトリック下方変換を用いているために、シグナル光子とアイドラー光子の分岐を、ファイバーカップラーを用いて行っている。よって、１／２の確率でシグナル光子とアイドラー光子の両方が、同じポートへ導かれてしまう。その結果、この事象に関しては、正確に相関する光子を出力することはできない。そこで、非縮退のパラメトリック下方変換（例えば１５５０ｎｍと１５６０ｎｍ）を用いれば、シグナル光子とアイドラー光子を高効率に分けることができ、相関する光子の出力確率が２倍となる。また、ファイバーへの結合部分では７ｄＢ程度の大きな損失がある。そのため、損失の最適化を行えば、相関光子の出力確率はさらに増加する。以上が改善されれば、低い光子対発生率において光子検出器Ｄ１の計数率の飽和が容易となり、パルス的に光子を発生することが可能である。
上記のように、本発明の実施例では、単一光子発生装置を、自発パラメトリック下方変換によって２つの光子を発生し、ＬＮ偏波変調器を用いる光スイッチで単一光子を選択的に通過させる構成としたので、効率よく単一光子を発生できる。
【産業上の利用可能性】  本発明の単一光子発生装置は、量子暗号用の光通信装置として最適である。また、無相互作用測定のための単一光子発生装置としても好適である。
【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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【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】
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【図１６】
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