(57)【要約】【課題】  通信波長帯の偏波エンタングル光子対を出力すること。【解決手段】  偏波ビームスプリッタ３２の入力部は、第１の端子３２ａに光周波数ｆｐのポンプ光を入力する。光ファイバ３３は、偏波ビームスプリッタ３２に入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される偏波ビームスプリッタ３２の第２の端子３２ｂと、ポンプ光の縦偏波成分が出力される第３の端子３２ｃとを接続する。出力部は、光ファイバ３３内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、第４の端子３２ｄへ出力する。位相補償回路３４は、第４の端子３２ｄから出力される光の直交する２偏波間の位相差を調節する。波長フィルタ３５は、第４の端子３２ｄから出力されるシグナル光子とアンドラー光子を取り出す。【選択図】  図３
2005257941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、
該偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力手段と、
前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第２の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第３の端子とを接続する光ファイバと、
該光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第４の端子へ出力する出力手段と、
該出力手段による前記第４の端子からの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償手段と、
該位相補償手段から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生装置。
【請求項２】
前記取得手段が、波長フィルタであることを特徴とする請求項１に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項３】
少なくとも３つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、
該偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力手段と、
前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第２の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第３の端子とを接続する光ファイバと、
該光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記第１の端子へ出力する出力手段と、
該出力手段による前記第１の端子から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と、
該取得手段により取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償手段と
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生装置。
【請求項４】
前記取得手段が、光サーキュレータであることを特徴とする請求項３に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項５】
４つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力ステップと、
該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に出力するとともに、該第２の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第３の端子に出力する第１の出力ステップと、
前記光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第４の端子へ出力する第２の出力ステップと、
該第２の出力ステップによる前記第４の端子からの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと、
該位相補償ステップから出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生方法。
【請求項６】
少なくとも３つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力ステップと、
該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に出力するとともに、該第２の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第３の端子に出力する第１の出力ステップと、
該光ファイバ内で発生し、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記第１の端子へ出力する第２の出力ステップと、
該第２の出力ステップによる前記第１の端子から出力された前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと、
該取得ステップにより取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンタングル光子対発生装置及びその方法に関し、より詳細には、量子暗号通信における量子暗号鍵伝送技術に係るもので、量子相関を有する光子対を発生するエンタングル光子対発生装置及びその方法に関し、特に、偏波状態の相関を有するエンタングル光子対を発生するエンタングル光子対発生装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子力学的相関を有する光子対を利用する新しいタイプの情報通信システムが提案されている。より具体的には、量子相関を利用した量子暗号鍵配送や量子テレポーテーションなどが挙げられる。量子暗号鍵配送とは、離れた地点にいる２者に暗号通信を行うための暗号鍵を供給する暗号通信システムで、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。
【０００３】
量子暗号鍵配送にも各種方式があるが、量子相関を利用するものが最も長距離伝送に適している。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムで、量子コンピューターなどの量子情報処理装置間の信号転送に利用される。これら量子情報通信システムにおいて用いられる量子相関のある光子対は、量子エンタングル光子対または単にエンタングル光子対と呼ばれている。量子相関といっても様々な物理量についての相関が考えられ、それに応じて様々な種類のエンタングル光子対が存在する。以下、本発明に即して、偏波状態についてのエンタングル光子対について説明する。  
一般に、単一の光子の偏光状態は、横直線偏光状態と縦直線偏光状態の重ね合わせとして｜Ψ＞＝α｜Ｈ＞＋β｜Ｖ＞と表わされる。ここで、｜Ｈ＞は、光子が横直線偏波である状態、｜Ｖ＞は、光子が縦直線偏波である状態をそれぞれ表わしている。α、βは、各状態の重み付け係数で、｜α｜２、｜β｜２はそれぞれ、光子横偏波か縦偏波かを判定する系で測定した時に、結果が横または縦となる確率を表わしている。具体的には、古典的な光電場を横直線振動成分と縦直線振動成分に分解して表示したときの係数をそのまま用いる。例えば、右回り円偏波光子は
【０００４】
【数１】
2005257941.tif 000003
【０００５】
また、左回り円偏波光子は
【０００６】
【数２】
2005257941.tif 000004
【０００７】
と表わされる。
【０００８】
以上は、１光子についての説明であるが、これを２光子状態に拡張すると、量子エンタングル光子対について説明することができる。いま、２つの光子を同時に発生する光源があったとする。この２光子をまとめて１つの量子状態とみなし、この光源からは、
【０００９】
【数３】
2005257941.tif 000005
【００１０】
と表わされる状態が出力されるものとする。ここで、２つの光子を識別するために、添え字ａ、ｂを用いた。式（２）は、この２光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うと、５０％の確率で｜Ｈ＞ａ｜Ｈ＞ｂまたは｜Ｖ＞ａ｜Ｖ＞ｂという状態が観測されることを意味している。ここで、｜Ｈ＞ａ｜Ｈ＞ｂは、光子ａが横偏波かつ光子ｂが横偏波という状態を表わし、｜Ｖ＞ａ｜Ｖ＞ｂは、光子ａが縦偏波かつ光子ｂが縦偏波という状態をそれぞれ表わしている。
【００１１】
このことは、例えば、発生した２光子を離れた２者（アリスとボブという）にそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して測定を行ったとする。アリスが横偏光｜Ｈ＞という測定結果を得れば、それと対になる光子についてボブが得る測定結果は、必ず横偏光｜Ｈ＞となり、また、アリスが縦偏光｜Ｖ＞という測定結果を得ると、対になる光子についてボブが得る測定結果は必ず縦偏光｜Ｖ＞となることを意味している。このような相関を有する２つの光子を量子エンタングル光子対という。上述した例の場合は、偏波状態についての相関なので、特に偏波エンタングル光子対ともいう。
【００１２】
量子エンタングルの特徴は、測定系を変えても相関関係が成り立っているところにある。上述した説明では、２光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うものとしたが、右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行っても同様の相関が得られる。その事情をみるために、上述した式（１ａ），（１ｂ）を使って式（２）を書き直すと、
【００１３】
【数４】
2005257941.tif 000006
【００１４】
となる。この式（３）は、２光子に対して右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行うと、一方が右回りであれば他方は左回り、一方が左回りであれば他方は右回りすることを意味しており、相関関係が円偏波測定においても成り立っていることを表わしている。ここでは詳しく述べないが、このような性質を巧みに利用すると、究極的に安全な量子暗号システムや量子テレポーテーションを実施することができる。
【００１５】
上述した偏波エンタングル光子対を発生する手段としては、２次の光非線形効果を利用する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。２次の非線形光学結晶には、波長λｐのポンプ光が入力されると、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係を満たす波長λｓのシグナル光子と波長λｉのアンドラー光子を同時に発生する性質がある。この現象はパラメトリック・ダウン・コンバージョンとして知られている。
【００１６】
さらにこの時、ある種の結晶においては、結晶軸の向きを適当に設定すると、直線偏波のポンプ光入力に対して、シグナル光子、アイドラー光子ともに同じ直線偏波として発生させることができる。シグナル光子とアイドラー光子は、必ず対で発生するので、この発生状態は、｜φ＞＝｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞ｉ（または｜Ｖ＞ｓ｜Ｖ＞ｉ）と記述される。ここで、添え字ｓ、ｉはそれぞれシグナル光子、アイドラー光子を表わしている。
【００１７】
パラメトリック・ダウン・コンバージョン現象により偏波エンタングル光子対を得るためには、ある特定の軸方向の直線偏波ポンプ光入力に対しては、ポンプ光と同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては、何も発生しないような非線形結晶を２つ用意する。
【００１８】
図１は、従来のエンタングル光子対発生方法を説明するための図で、２つの非線形結晶１ａ，１ｂを、結晶軸を互いに９０°傾けて直列に配置する。第１の非線形結晶１ａは、０°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては何も発生しないように配置されているものとする。すると、第２の非線形結晶１ｂにおいては、その結晶軸が第１の非線形結晶１ａとは９０°ずれているため、９０°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生することになる。この直列構成に対して、４５°傾いた直線偏波のポンプ光を入力する。
【００１９】
このようなポンプ光は、垂直偏波成分と水平偏波成分に分けて考えることができ、第１の非線形結晶１ａでは、垂直ポンプ光成分から垂直偏波のシグナル光子とアイドラー光子とが発生し、第２の非線形結晶１ｂでは、水平ポンプ光成分から水平成分のシグナル光子とアイドラー光子とがそれぞれ発生する。
【００２０】
ここで、１つの非線形結晶から１組のシグナル／アイドラー光子対が発生する効率をηとする。すると、直列配置された２つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率はη２となる。光子対の発生効率は、ポンプ光のパワーに依存する。そこで、ポンプ光のパワーを調節してη>>η２であるように設定すると、２つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率は無視できる程度に低くなり、直列配置からは１組の光子対が出力されるようにすることができる。
【００２１】
出力された光子対は、第１の非線形結晶１ａで発生したものか、第２の非線形結晶１ｂで発生したものかは測定するまで不明である。このような光子対の状態は、第１の非線形結晶１ａで発生する光子対状態と、第２の非線形結晶１ｂで発生する光子対状態との重ね合わせとして、次のように記述される。
【００２２】
【数５】
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【００２３】
この式（４）は、出力が偏波エンタングル状態となっていることを表わしている。すなわち、図１に示した構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。なお、式（４）のエンタングル光子対状態としては、｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞ｉである確率と｜Ｖ＞ｓ｜Ｖ＞ｉである確率が等しい必要がある。そのためには、第１の非線形結晶１ａにおける光子対の発生効率と、第２の非線形結晶１ｂにおける光子対の発生効率が等しくなければならない。
【００２４】
【非特許文献１】Paul G Kwiat. et. al. “Ultrabright source of polarization - entangled photons, ”Physical Review A. vol. 60. No.2 pp. R773-R776,1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
上述した従来のエンタングル光子対発生方法には、長波長帯（１．３μｍまたは１．５μｍ）の光子対を得るのが困難であるという問題がある。エンタングル光子対を発生させるためには、非線形結晶内でポンプ光、シグナル光子、アイドラー光子の位相速度を整合させる必要がある（位相整合条件）。エンタングル光子対の応用を考えると、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯における光子対の発生が望まれるが、従来のバルク型非線形結晶では、長波長帯において位相整合条件を満たすことが困難となっている。また、位相整合条件を満たす結晶が開発されたとしても、光ファイバ伝送系に適用するためには結晶から出射された光子を光ファイバに結合する必要があり、結合系の効率や安定性が問題となる。
【００２６】
このように、従来のエンタングル光子対発生方法は、２次の非線形光学結晶にポンプ光（波長λｐ）を入力することにより同時生成される、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉを満たすシグナル光子（波長λｓ）とアイドラー光子（波長λｉ）とをエンタングル光子対として用いているが、非線形光学結晶中でポンプ光、シグナル光、アイドラー光の３つの位相速度が整合されること（位相整合条件）を要求している。
【００２７】
そのため、光ファイバ伝送による量子暗号通信応用では、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯の光子対が望まれるが、バルク型非線形結晶は、長波長帯では位相整合条件を満たすことが困難であるという問題がある。
【００２８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、全光ファイバ系で、通信波長帯の偏波エンタングル光子対を出力することができるエンタングル光子対発生装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、４つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力手段と、前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第２の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第３の端子とを接続する光ファイバと、該光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第４の端子へ出力する出力手段と、該出力手段による前記第４の端子からの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償手段と、該位相補償手段から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記取得手段が、波長フィルタであることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項３に記載の発明は、少なくとも３つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力手段と、前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第２の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第３の端子とを接続する光ファイバと、該光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記第１の端子へ出力する出力手段と、該出力手段による前記第１の端子から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と、該取得手段により取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償手段とを備えたことを特徴とする。
【００３２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記取得手段が、光サーキュレータであることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項５に記載の発明は、４つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力ステップと、該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に出力するとともに、該第２の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第３の端子に出力する第１の出力ステップと、前記光ファイバ内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第４の端子へ出力する第２の出力ステップと、該第２の出力ステップによる前記第４の端子からの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと、該位相補償ステップから出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップとを備えたことを特徴とする。
【００３４】
また、請求項６に記載の発明は、少なくとも３つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第１の端子に光周波数ｆｐのポンプ光を入力する入力ステップと、該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第２の端子に出力するとともに、該第２の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第３の端子に出力する第１の出力ステップと、該光ファイバ内で発生し、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、前記第１の端子へ出力する第２の出力ステップと、該第２の出力ステップによる前記第１の端子から出力された前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと、該取得ステップにより取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償する位相補償ステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、ファイバ通信波長帯において、安定でファイバ伝送システムに適した偏波エンタングル光子対を発生させることが可能となる。
【００３６】
また、本発明は、バルク型非線形結晶の２次の非線形光学効果ではなく、原理的に従来のものとは異なる光ファイバの３次の非線形光学効果であるパラメトリック増幅現象により、エンタングル光子対を発生させるので、従来の問題が解決されると同時に、光子のファイバ伝送にも適した形態になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００３８】
図３は、本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例１を説明するため構成図で、図中符号３１はポンプ光源、３２は偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３２ａ〜３２ｄは入出力端子、３３は光ファイバ、３４は位相補償回路、３５は波長フィルタを示している。
【００３９】
実施例１のエンタングル光子対発生装置において、偏波ビームスプリッタ３２は、４つの入出力端子３２ａ〜３２ｄを有しており、その入力部は、偏波ビームスプリッタ３２の第１の端子３２ａに光周波数ｆｐのポンプ光を入力するように構成されている。また、光ファイバ３３は、偏波ビームスプリッタ３２に入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される偏波ビームスプリッタ３２の第２の端子３２ｂと、ポンプ光の縦偏波成分が出力される第３の端子３２ｃとを接続するように構成されている。
【００４０】
また、偏波ビームスプリッタ３２の出力部は、光ファイバ３３内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、偏波ビームスプリッタ３２の第４の端子３２ｄへ出力するように構成されている。位相補償回路３４は、偏波ビームスプリッタ３２の第４の端子３２ｄから出力される光の直交する２偏波間の位相差を補償するものである。波長フィルタ３５は、位相補償回路３４から出力されるシグナル光子とアンドラー光子を取り出すためのものである。
【００４１】
本発明では、光ファイバの３次の光非線形効果であるパラメトリック増幅現象を利用して偏波エンタングル光子対を発生させる。パラメトリック増幅とは、強いポンプ光（周波数ｆｐ）が入力されている光ファイバに、ポンプ光の近傍波長でポンプ光と同じ偏波状態の信号光（周波数ｆｓ）を入力すると、光ファイバの分散と入力光周波数が適当な関係である場合に、信号光が増幅されて出力されるという現象である。この時、信号光が増幅されるのと同時に、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす周波数ｆｉの光も出力される。周波数ｆｉの光の偏波状態もポンプ光、信号光と同一である。
【００４２】
なお、増幅される信号光はシグナル光、発生するｆｉ周波数光はアイドラー光と呼ばれている。この現象は、図２に示すように、光を光子としてみると、２つのポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子がひとつずつ発生する現象とみることができる。この現象は光増幅過程であるので、通常の光増幅と同様に自然放出光が発生する。すなわち、ポンプ光のみを光ファイバに入力しても、シグナル光とアイドラー光が自発的に出力される。２つの光は同時に発生し、かつその偏波状態はポンプ光と同一である。本発明では、この光ファイバからのパラメトリック自然放出光を利用して偏波エンタングル光子対を生成するものである。
【００４３】
図３に示したように、ポンプ光源３１からのパルス光は、２×２の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２の第１のポート３２ａに入力される。ＰＢＳ３２は、横偏波を透過、縦偏波を反射させる特性を有しており、横偏波成分は第２のポート３２ｂへ、縦偏波成分は第３のポート３２ｃへそれぞれ出力される。ここで、ポンプ光の入力偏波状態は、横成分と縦成分が等しいパワーであるように設定されているものとする。
【００４４】
ＰＢＳ３２の第２のポート３２ｂと第３のポート３２ｃは、パラメトリック光発生用の光ファイバ３３を介してループ状に接続されている。ループの右回りには縦偏波ポンプ光が、左回りには横偏波ポンプ光が伝播する。ポンプ光がループを一周する間に、パラメトリック自然放出現象によりシグナル光子とアイドラー光子が発生する。発生する光子の偏波状態は、ポンプ光と同じで、右回りは縦偏波、左回りは横偏波となっている。発生した光子は、ＰＢＳ３２の第２のポート３２ｂと第３のポート３２ｃへ入力される。
【００４５】
ＰＢＳ３２の透過特性により、第２のポート３２ｂに入力された縦偏波光及び第３のポート３２ｃに入力された横偏波光は、第４のポート３２ｄへと出力される。すなわち、右回り光、左回り光ともに第４のポート３２ｄに出力される。ＰＢＳ３２から出力されたシグナル光とアイドラー光は、波長フィルタ３５により分離され、それぞれシグナル光とアイドラー光として出力される。
【００４６】
以上のような構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。上述したように、ループファイバで発生するシグナル光子とアイドラー光子の偏波状態は、ポシプ光と同じ、すなわち、右回りは縦偏波、左回りは横偏波である。式で書くと、右回りでは、
｜φ＞Ｒ＝｜Ｖ＞ｓ｜Ｖ＞ｉ
という状態が、左回りでは、
｜φ＞Ｌ＝｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞ｉ
という状態がそれぞれ発生する。ここで、ポンプ光のパワーは、右回りと左回りで同一としているので、パラメトリック光子対の発生効率は、両回りで同一である。発生した光子対は、ＰＢＳ３２の第４のポート３２ｄへ出力される。ここで従来例と同様に、ポンプ光のパワーを調整により光子対の発生効率ηがη>>η２となっているものとする。すなわち、ＰＢＳ３２から２組以上の光子対が出力される確率は、無視できるほど小さく、ＰＢＳ３２からはおおむね１組の光子対が出力される。この光子対は、ループの右回りで発生したのか左回りで発生したのか測定しないと判別できない。このような状態は、２つの状態の重ね合わせとして、
【００４７】
【数６】
2005257941.tif 000008
【００４８】
と書き表わされる。第１項と第２項との位相差θは、ＰＢＳ３２へのポンプ光の入力の偏波状態やループファイバの複屈折などによって決まる定数である。この位相差は、ＰＢＳ３２の第４のポート３２ｄの出力段で、縦偏波と横偏波間に位相差をつける位相補償回路３４、例えば、バビネソレイユ位相板により補償することができる。これによりθ＝０となるように調整すれば、出力状態は
【００４９】
【数７】
2005257941.tif 000009
【００５０】
となり、これは偏波エンタングル光子対状態となっている。なお、ＰＢＳ３２へのポンプ光の入力が右斜め４５度直線偏波状態、かつループファイバの複屈折が無視できる程度であれば、ＰＢＳ３２の出力段でθ＝０であり、位相補償は不要となる。
【００５１】
以上のようにして、偏波エンタングル光子対を得ることができる。発生したシグナル光子／アイドラー光子を別々に取り出したければ、波長フィルタにより分波すればよい。
【００５２】
なお、上述した説明では、光の偏波状態はループファイバ伝播中も保持されるものとした。偏波保持ファイバを用いればこの条件は満たされるが、一般には、例えば、ＰＢＳ３２の第２のポート３２ｂから横偏波としてループファイバに入力された光が、ループを一周する間に縦偏波に回転し、ＰＢＳ３２の第３のポート３２ｃから第１のポート３２ａへ出力されてしまう場合がある。これを回避するためには、必要に応じてループ内に偏波制御回路を挿入し、ループ伝播後、再び同じ偏波としてＰＢＳ３２に入力されるように調節すればよい。
【００５３】
ところで、パラメトリック過程が効率良く起こるには、位相整合条件を満たす必要がある。光ファイバにおいては、ポンプ光の波長を光ファイバのゼロ分散波長に一致させると位相整合条件が満たされることが知られている。通常の光伝送用ファイバは、ゼロ分散波長が１．３μｍ帯または１．５μｍ帯にあり、これらをループファイバとして用いれば、光ファイバ通信波長帯の偏波エンタングル光子対を生成することができる。
【００５４】
また、本実施例１の特徴は、全系が光ファイバにより構成可能な点にある。そのため、従来のバルク結晶を用いる方法に比べ、安定で光ファイバ伝送に適した構成となっている。
【実施例２】
【００５５】
図４は、本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例２を説明するため構成図で、図中符号４１はポンプ光源、４２は偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４２ａ〜４２ｃは入出力端子、４３は光ファイバ、４４は位相補償回路、４５は波長フィルタ、４６は光サーキュレータを示している。
【００５６】
実施例２のエンタングル光子対発生装置において、偏波ビームスプリッタ４２は、少なくとも３つの入出力端子４２ａ〜４２ｃを有し、その入力部は、偏波ビームスプリッタ４２の第１の端子４２ａに光周波数ｆｐのポンプ光を入力するように構成されている。また、光ファイバ４３は、偏波ビームスプリッタ４２に入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される偏波ビームスプリッタ４２の第２の端子４２ｂと、ポンプ光の縦偏波成分が出力される第３の端子４２ｃとを接続するように構成されている。
【００５７】
また、偏波ビームスプリッタ４２の出力部は、光ファイバ４３内で発生した、２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉを満たす光周波数ｆｓのシグナル光子と光周波数ｆｉのアイドラー光子を、偏波ビームスプリッタ４２の第１の端子４２ａへ出力するように構成されている。
【００５８】
また、光サーキュレータ４６は、偏波ビームスプリッタ４２の第１の端子４２ａから出力されるシグナル光子とアンドラー光子を取り出すものである。位相補償回路４４は、波長フィルタ４５により取り出された偏波ビームスプリッタ４２からの出力光の直交する２偏波間の位相差を補償するものである。波長フィルタ４５は、位相補償回路４４から出力されるシグナル光子とアンドラー光子を分離するためのものである。
【００５９】
エンタングル光子対発生の基本原理は、上述した実施例１と同様であるが、ループファイバで発生した光子対が、ＰＢＳ４２の第１のポート４２ａから出力される構成となっている。このような出力特性は、ループファイバとして偏波保持ファイバを用いた場合には、偏波保持の軸を９０°ひねってＰＢＳ４２第２のポート４２ｂと第３のポート４２ｃとを接続すれば実現可能である。また、通常の光ファイバを用いる場合には、必要に応じて偏波制御回路をループ内に挿入して偏波状態を調整することにより実現可能である。これによりＰＢＳ４２の第１のポート４２ａから出力されたシグナル光子とアイドラー光子を光サーキュレータ４６により取り出せば、上述した実施例１と同様にして、偏波エンタングル光子対を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のエンタングル光子対発生方法を説明するための図である。
【図２】３次の光非線形性によるパラメトリック増幅現象の光子描像を示す図である。
【図３】本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例１を説明するため構成図である。
【図４】本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例２を説明するため構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ，1ｂ  非線形結晶
３１，４１  ポンプ光源
３２，４２  偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３２ａ〜３２ｄ，４２ａ〜４２ｃ  入出力端子
３３，４３  光ファイバ
３４，４４  位相補償回路
３５，４５  波長フィルタ
４６  光サーキュレータ
【図１】
2005257941.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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