(57)【要約】      （修正有）【課題】光のパルスの干渉を使用するアプリケーションにおいて干渉ビジビリティを向上させる。【解決手段】干渉システム200は、入力光パルスが干渉コンポーネントで干渉するよう構成された干渉装置を具備し、干渉装置の入力は位相ランダム化光源により提供され、位相ランダム化光源はスレーブ光源201、202と各マスター光パルスの位相が続いて生成されるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係となるようマスター光パルスを間欠的に生成するよう構成され、マスター光パルスをスレーブ光源201、202に供給するよう構成されたマスター光源203、204と、マスター光パルスが受信される各期間中に１つのスレーブ光パルスが生成され、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係となるよう時間変化駆動信号をスレーブ光源201、202に適用するように構成されたコントローラと、を備える。【選択図】図２
2016042694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光パルスが干渉コンポーネントで干渉するように構成された干渉装置を具備し、
前記干渉装置の入力は位相ランダム化光源によって提供され、
前記位相ランダム化光源は、
少なくとも１つのスレーブ光源と、
各マスター光パルスの位相が続いて生成されるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するようにマスター光パルスを間欠的に生成するように構成され、さらに、前記マスター光パルスを前記スレーブ光源に供給するように構成された少なくとも１つのマスター光源と、
マスター光パルスが受信される各期間中に１つのスレーブ光パルスが生成され、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、時間変化駆動信号を前記少なくとも１つのスレーブ光源に適用するように構成されたコントローラと、
を備える、干渉システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスレーブ光源によって生成された光パルスは前記干渉コンポーネントで干渉する、請求項１の干渉システム。
【請求項３】
前記位相ランダム化光源は、非線形結晶をさらに備え、前記非線形結晶は、スレーブ光パルスが前記非線形結晶に入射したときに信号光子およびアイドラー光子が自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって生成されるように構成され、前記干渉システムは、信号光パルスが前記干渉コンポーネントで干渉するように構成される、請求項１の干渉システム。
【請求項４】
前記マスター光パルスは、第１の時間ジッタを有して生成され、前記スレーブ光パルスは、第２の時間ジッタを有して生成され、前記第１の時間ジッタは、前記第２の時間ジッタより小さい、請求項１の干渉システム。
【請求項５】
前記マスター光源および前記スレーブ光源は、複数の光パルスを生成するように構成される、請求項１の干渉システム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記時間変化駆動信号を前記少なくとも１つのマスター光源に適用するようにさらに構成される、請求項１の干渉システム。
【請求項７】
第２の時間変化駆動信号を前記少なくとも１つのマスター光源に適用するよう構成された第２のコントローラをさらに具備し、前記時間変化駆動信号および前記第２の時間変化駆動信号は同期される、請求項１の干渉システム。
【請求項８】
前記スレーブ光源は利得スイッチレーザーである、請求項１の干渉システム。
【請求項９】
前記マスター光源は利得スイッチレーザーである、請求項１の干渉システム。
【請求項１０】
前記干渉装置は、第１の光路および第２の光路を含む干渉計を備え、前記第１の光路と前記第２の光路との間に光路長差がある、請求項１の干渉システム。
【請求項１１】
前記干渉コンポーネントは、前記干渉計内の出口ビームスプリッタであり、前記光路長差は、各スレーブ光パルスが続いて生成されたスレーブ光パルスと前記干渉計の出口で干渉するように、第１のスレーブ光パルスの放出と第２のスレーブ光パルスの放出との間の時間の整数倍に一致する、請求項１０の干渉システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのスレーブ光源は、第１のスレーブ光源および第２のスレーブ光源を含み、前記干渉コンポーネントは、ビームスプリッタであり、前記ビームスプリッタは、前記第１のスレーブ光源によって生成されたスレーブ光パルスが前記ビームスプリッタで前記第２のスレーブ光源によって生成された光パルスと干渉するように構成される、請求項１の干渉システム。
【請求項１３】
前記位相ランダム化光源はスペクトルフィルタをさらに備える、請求項１の干渉システム。
【請求項１４】
請求項１の干渉システムを具備する量子通信システムであって、
前記干渉装置は、第１の光路および第２の光路を含む干渉計を備え、前記スレーブ光パルスが前記干渉計を出るときに干渉するように、前記第１の光路と前記第２の光路との間に光路長差がある、量子通信システム。
【請求項１５】
前記スレーブ光源は送信ユニット内にあり、前記干渉コンポーネントは受信ユニット内にある、請求項１４に記載の量子通信システム。
【請求項１６】
請求項１の干渉システムを具備する量子通信システムであって、
前記少なくとも１つのスレーブ光源は、第１のスレーブ光源および第２のスレーブ光源を含み、前記干渉コンポーネントは、ビームスプリッタであり、前記干渉システムは、前記第１のスレーブ光源によって生成された各スレーブ光パルスが前記ビームスプリッタで第２のスレーブ光源によって生成されたスレーブ光パルスと干渉するように構成され、前記第１のスレーブ光源は第１の送信ユニット内にあり、前記第２のスレーブ光源は第２の送信ユニット内にあり、前記干渉コンポーネントは中継ユニット内にある、量子通信システム。
【請求項１７】
請求項１の干渉システムを具備する量子通信システムであって、
前記干渉装置は、
第１の光路および第２の光路を含み、前記第１の光路と前記第２の光路との間に光路長差を有する第１の干渉計と、
第３の光路および第４の光路を含み、前記第３の光路と前記第４の光路との間に光路長差を有する第２の干渉計と、
を備え、前記第１の干渉計によって引き起こされる遅延は、前記第１の干渉計によって分離された光パルスが前記第２の干渉計を出るときに再結合するように、前記第２の干渉計によって引き起こされる遅延と逆にされる、量子通信システム。
【請求項１８】
前記第１の干渉計は送信ユニット内にあり、前記第２の干渉計は受信ユニット内にある、請求項１７に記載の量子通信システム。
【請求項１９】
マスター光パルスをスレーブ光源に間欠的に供給することと、ここで、各マスター光パルスの位相は、続いて生じるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有する、
マスター光パルスが受信される各期間中に１つのスレーブ光パルスが生成され、各スレーブ光パルスが続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、時間変化駆動信号を前記スレーブ光源に適用することと、
干渉コンポーネントで前記スレーブ光パルスを干渉させることと、
を具備する干渉方法。
【請求項２０】
請求項１９の干渉方法を具備し、
前記スレーブ光パルスに情報をエンコードすることと、
エンコードされたスレーブ光パルスを送信ユニットから干渉計を含む受信ユニットに送信することと、
をさらに具備し、前記干渉計は、第１の光路および第２の光路を含み、前記スレーブ光パルスが前記干渉計を出るときに干渉するように、前記第１の光路と前記第２の光路との間に光路長差がある、量子通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１４年８月１４日に出願された英国特許出願第１４１４４６．３および２０１５年７月２２日に出願された英国特許出願第１５１２９２８．１からの優先権の利益に基づいたものであり、この優先権の利益を主張し、これらの全内容は、参照によってここに組み込まれる。
［技術分野］
ここで説明される実施形態は、一般に干渉システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光のパルスの源は、例えば、歪みセンサ、圧力センサ、温度センサなどの検出または計測装置、分光装置、距離測定装置、乱数発生などといった広範囲の干渉アプリケーションにおいて使用される。さらに、光のパルスの干渉は、例えば、量子鍵配送（ＱＫＤ）や測定装置無依存ＱＫＤ（ＭＤＩ−ＱＫＤ）などの量子通信システムにおいて使用されることができる。量子通信システムでは、情報は単一光子などのエンコードされた単一量子によって送信機と受信機との間で送られる。各光子は、偏光、位相またはエネルギー／時間などの光子の特性にエンコードされた情報の１ビットを運ぶ。光子は、例えば角運動量などの特性を使用することによって、情報の２以上のビットを運ぶことができる。
【０００３】
光のパルスの干渉を使用するアプリケーションにおいて干渉ビジビリティ（visibility）を向上させる継続的必要性がある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、干渉システムの概略図である。
【図２】図２は、実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図３】図３（ａ）は、利得スイッチレーザーの概略図であり、図３（ｂ）は、レーザーに適用される利得変調、キャリア密度に対する利得変調の影響、および出力光パルスを示す一連のグラフであり、図３（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザーのための電気駆動回路の概略図である。
【図４】図４は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源の概略図である。
【図５】図５（ａ）は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源であって、単一のコントローラがマスター光源およびスレーブ光源を駆動する光源の概略図であり、図５（ｂ）は、マスターレーザーに適用される利得変調、キャリア密度に対する利得変調の影響、出力マスター光パルス、スレーブレーザーに適用される利得変調、および出力スレーブ光パルスを示す一連のグラフである。
【図６】図６（ａ）は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源であって、第１のコントローラがマスター光源を駆動し、第２のコントローラがスレーブ光源を駆動する光源の概略図であり、図６（ｂ）は、マスターレーザーに適用される利得変調、キャリア密度に対する利得変調の影響、出力マスター光パルス、スレーブレーザーに適用される利得変調、および出力スレーブ光パルスを示す一連のグラフである。
【図７】図７（ａ）は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源であって、光サーキュレータを含む光源の概略図であり、図７（ｂ）は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源であって、ビームスプリッタを含む光源の概略図である。
【図８】図８は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる光源であって、周波数フィルタを含む光源の概略図である。
【図９】図９は、実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図１０】図１０は、ＱＫＤシステムに使用される実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図１１（ａ）】図１１（ａ）は、実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ｂ）は、実施形態に係る、単一のマスター光源および２つのスレーブ光源を含む干渉システムの概略図である。
【図１２】図１２は、実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図１３】図１３は、測定装置無依存ＱＫＤシステムに使用される実施形態に係る干渉システムの概略図である。
【図１４】図１４は、実施形態に係る干渉システムに組み込まれることができる自発的パラメトリックダウンコンバージョン（ＳＰＤＣ）光源の概略図である。
【図１５】図１５は、実施形態に係る、ＳＰＤＣ光源を含む干渉システムの概略図である。
【図１６】図１６（ａ）は、時間ジッタ関連時間的ミスアライメントに対する一次ビジビリティのグラフであり、図１６（ｂ）は、強度の各値の測定の確率のグラフである。
【図１７】図１７（ａ）は、時間ジッタ関連時間的ミスアライメントに対する二次ビジビリティのグラフであり、図１７（ｂ）は、時間遅延に対する二次相関関数のグラフである。
【図１８】図１８は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が横方向に連結して半導体基板上に集積されている光源の概略図を示す。
【図１９（ａ）】図１９（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、垂直接合で横方向に連結してモノリシックに集積されたマスター光源およびスレーブ光源の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図１９（ｂ）】図１９（ｂ）は、２つのＤＦＢレーザーを有する光学デバイスに関して、図１９（ａ）の方法の選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。
【図１９（ｃ）】図１９（ｃ）は、２つのストライプレーザーを有する光学デバイスに関して、図１９（ａ）の方法の選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。
【図２０】図２０は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横方向に連結していて両方ともにＤＢＲレーザーである光源の概略図を示す。
【図２１】図２１は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横方向に連結していて両方ともにＤＢＲレーザーである光源の概略図を示す。
【図２２】図２２は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横要項に連結していて両方ともにリッジレーザーまたはストライプレーザーである光源の概略図を示す。
【図２３】図２３は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、垂直接合で横方向に連結してモノリシックに集積されたマスター光源およびスレーブ光源の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図２４】図２４は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横方向に連結していて、マスター光源がＤＦＢレーザーであり、スレーブ光源がストライプレーザーである光源の概略図を示す。
【図２５】図２５は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横方向に連結していて両方ともにＤＦＢレーザーであり、導光領域を含む光源の概略図を示す。
【図２６（ａ）】図２６（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、横接合で横方向に連結してモノリシックに集積されたマスター光源およびスレーブ光源の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図２６（ｂ）】図２６（ｂ）は、２つのＤＦＢレーザーを有する光学デバイスに関して、図２６（ａ）の方法の選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。
【図２７】図２７は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が横接合で横方向に連結していて両方ともにＤＦＢレーザーである光源の概略図を示す。
【図２８（ａ）】図２８（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、イオンインプランテーションによって横方向に連結してモノリシックに集積されたマスター光源およびスレーブ光源の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図２８（ｂ）】図２８（ｂ）は、図２８（ａ）の方法の選択されたステップの後のデバイスの構造を示す。
【図２９】図２９は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が横接合で横方向に連結してイオンインプランテーションによって製造されていて両方ともにＤＦＢレーザーである光源の概略図を示す。
【図３０】図３０は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直に連結して基板上に集積される光源の概略図を示す。
【図３１（ａ）】図３１（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部であって、垂直接合でモノリシックに集積されたマスター光源およびスレーブ光源の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図３１（ｂ）】図３１（ｂ）は、２つのＶＣＳＥＬレーザーを有する光学デバイスに関して、図３１（ａ）の方法の選択されたステップの後のサンプルの構造を示す。
【図３２】図３２は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で垂直に連結していて両方ともにＶＣＳＥＬである光源の概略図を示す。
【図３３】図３３は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が横方向に連結していて共通基板にフリップチップ接続された個別のチップである光源の概略図を示す。
【図３４】図３４は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が垂直接合で横方向に連結していて両方ともにＤＦＢレーザーであり、基板上にさらに集積された周波数フィルタを含む光源の概略図を示す。
【図３５】図３５は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源であって、マスター光源およびスレーブ光源が横方向に連結して半導体基板上に集積されており、基板上にさらに集積されたアレイ導波路回折格子周波数フィルタを含む光源の概略図を示す。
【図３６】図３６は、実施形態に係る干渉システムであって、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１が横方向に連結して半導体基板上に集積されており、基板上にさらに集積された干渉装置を含む干渉システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【０００６】
一実施形態によれば、
入力光パルスが干渉コンポーネントで干渉するように構成された干渉装置を含み、
干渉装置の入力は位相ランダム化光源（phase-randomised light source）によって提供され、
位相ランダム化光源は、
少なくとも１つのスレーブ光源と、
各マスター光パルスの位相が続いて生成されるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係（random relationship）を有するようにマスター光パルスを間欠的に生成するように構成され、さらに、マスター光パルスをスレーブ光源に供給するように構成された少なくとも１つのマスター光源と、
マスター光パルスが受信される各期間中に１つのスレーブ光パルスが生成され、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、時間変化駆動信号を少なくとも１つのスレーブ光源に適用するように構成されたコントローラと、
を備える、干渉システムが提供される。
【０００７】
実施形態では、干渉システムは第１の半導体基板をさらに含み、スレーブ光源およびマスター光源は第１の半導体基板上に集積される。
【０００８】
スレーブ光パルスは、対応するマスター光パルスと固定位相関係を有する。
【０００９】
マスター光パルスはスレーブ光源に注入される。マスター光パルスは、各スレーブ光パルスが生成される前に１つのマスター光パルスがスレーブ光源に注入されるように、スレーブ光パルスをシードする（seed）。各スレーブ光パルスの生成は、異なるマスター光パルスからの光子によってなされる。
【００１０】
マスター光パルスは、第１の時間ジッタを有して生成され、スレーブ光パルスは、第２の時間ジッタよりも小さい第２の時間ジッタを有して生成される。第２の時間ジッタは、マスター光パルスが注入されない場合にスレーブ光源によって生成される光パルスの時間ジッタよりも小さい。
【００１１】
一実施形態では、マスター光源は、マスター光パルスをスレーブ光源に周期的に供給するように構成される。コントローラは、周期信号をスレーブ光源に適用するように構成される。
【００１２】
一実施形態では、マスター光パルスは４００ｐｓ離れて放出される。一実施形態では、マスター光パルスは１ｎｓ離れて放出される。一実施形態では、マスター光パルスは１０ｎｓ離れて放出される。一実施形態では、マスター光パルスは１００ｎｓ離れて放出される。
【００１３】
一実施形態では、マスター光源およびスレーブ光源は、複数の光パルスを生成するように構成される。
【００１４】
一実施形態では、単一のスレーブ光源によって生成されたスレーブ光パルスは、干渉コンポーネントで干渉する。一実施形態では、干渉装置は、第１の光路および第２の光路を有する干渉計を含み、第１の光路と第２の光路との間に光路長差がある。干渉計は、例えば、光ファイバー非対称マッハツェンダー干渉計であってもよく、あるいは、第１の半導体基板上に集積されていてもよい。干渉コンポーネントは、干渉計内の出口ビームスプリッタ（exit beam splitter）であってもよく、光路長差は、各スレーブ光パルスが続いて生成されたスレーブ光パルスと干渉計の出口で干渉するように、第１のスレーブ光パルスの放出と第２のスレーブ光パルスの放出との間の時間差の整数倍に一致することができる。
【００１５】
一実施形態では、位相ランダム化光源は、χ（２）非線形結晶をさらに含み、このχ（２）非線形結晶は、スレーブ光パルスが結晶に入射するときに信号光パルスおよびアイドラー光パルス（idler light pulse）が結晶内で自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって生成されるように構成される。信号光パルスは干渉コンポーネントで干渉する。
【００１６】
一実施形態では、コントローラは、同じ時間変化駆動信号をマスター光源およびスレーブ光源に適用する。スレーブ光源に適用される信号は、マスター光パルスがスレーブ光源に注入された後にスレーブ光パルスの生成が起こるように、マスター光源に適用される信号に対して遅延される。
【００１７】
代替の実施形態では、第２のコントローラは、第２の時間変化駆動信号をマスター光源に供給する。スレーブ光源に適用される時間変化駆動信号およびマスター光源に適用される時間変化駆動信号は、マスタークロックと同期されることができる。スレーブ光パルスの生成に対応するスレーブ光源に適用される信号の間欠的な増大は、マスター光パルスがスレーブ光源に注入された後にスレーブ光源の生成が起こるように、マスター光パルスの生成に対応するマスター光源に適用される信号の間欠的な増大に対して遅延される。一実施形態では、第２のコントローラは基板上に集積される。
【００１８】
一実施形態では、基板はＩｎＰである。
【００１９】
一実施形態では、スレーブ光源は利得スイッチレーザー（gain-switched laser）である。一実施形態では、スレーブ光源は半導体レーザーである。さらなる実施形態では、スレーブ光源は半導体利得スイッチレーザーである。半導体レーザーはマルチ量子井戸層を含んでいてもよい。一実施形態では、半導体レーザーは量子光エミッタを含む。一実施形態では、半導体レーザーは電気的に調節可能である。半導体レーザーはさらにクラッド層を含んでいてもよい。半導体レーザーは、生成された光を横方向に制限するように構成された層をさらに含んでいてもよい。半導体レーザーは、分布帰還型レーザー、ストライプレーザー、または垂直キャビティ面発光レーザーであってもよい。半導体レーザーは回折格子を含んでいてもよい。一実施形態では、半導体レーザーは分布ブラッグ反射器レーザーである。
【００２０】
一実施形態では、マスター光源は利得スイッチレーザーである。一実施形態では、マスター光源は半導体レーザーである。さらなる実施形態では、マスター光源は半導体利得スイッチレーザーである。半導体レーザーはマルチ量子井戸層を含んでいてもよい。一実施形態では、半導体レーザーは量子光エミッタを含む。一実施形態では、半導体レーザーは電気的に調節可能である。半導体レーザーはクラッド層をさらに含んでいてもよい。半導体レーザーは、生成された光を横方向に制限するように構成された層をさらに含んでいてもよい。半導体レーザーは、分布帰還型レーザー、ストライプレーザー、または垂直キャビティ面発光レーザーであってもよい。半導体レーザーは回折格子を含んでいてもよい。一実施形態では、半導体レーザーは分布ブラッグ反射器レーザーである。
【００２１】
スレーブ光パルスを生成するためにスレーブ光源に適用される時間変化信号は、時間変化電流または電圧であってもよい。
【００２２】
実施形態では、マスター光源およびスレーブ光源は、マスター光源およびスレーブ光源が集積されている基板の表面と実質的に平行な第１の面内に配置される。
【００２３】
代替の実施形態では、マスター光源はスレーブ光源と基板との間にある。
【００２４】
一実施形態では、マスター光源およびスレーブ光源は、端面発光レーザーである。代替の実施形態では、それらは垂直キャビティレーザーである。
【００２５】
干渉システムは、マスター光源およびスレーブ光源が集積されている基板の表面に実質的に垂直な方向にｐｎ接合を形成するように構成されたｐ型電極およびｎ型電極をさらに含んでいてもよい。一実施形態では、基板は第１の導電型であり、マスター光源およびスレーブ光源は各々第２の導電型の層を含む。あるいは、ｐ型電極およびｎ型電極は、マスター光源およびスレーブ光源が集積されている基板の表面と実質的に平行な方向にｐｎ接合を形成するように構成される。一実施形態では、マスター光源およびスレーブ光源の第１の端部に隣接する第１の導電型の領域があり、マスター光源およびスレーブ光源の第２の端部に隣接する第２の導電型の領域がある。
【００２６】
干渉システムは、マスター光源とスレーブ光源との間に導波路領域をさらに含んでいてもよい。あるいは、光は、自由空間を通じてマスター光源とスレーブ光源との間を移動してもよい。
【００２７】
実施形態では、干渉装置は第１の半導体基板上に集積される。一実施形態では、第１のコントローラは基板上に集積される。一実施形態では、干渉システムは集積されたヒートシンクを含む。
【００２８】
一実施形態では、マスター光パルスは、スレーブ光源の第１のアパーチャを通じてスレーブ光源に供給され、スレーブ光パルスは、スレーブ光源の第２のアパーチャを通じて放出される。あるいは、マスター光パルスは、光サーキュレータまたはビームスプリッタを経由してスレーブ光源のアパーチャに供給され、スレーブ光パルスは、同じアパーチャを通じて放出される。
【００２９】
一実施形態では、２以上のスレーブ光源がある。スレーブ光源はすべて、単一のマスター光源によってシードされることができる。あるいは、各スレーブ光源は、異なるマスター光源によってシードされてもよい。スレーブ光源およびマスター光源のすべては、第１の基板上に集積されることができる。あるいは、干渉システムは、１以上のさらなる半導体基板をさらに含んでいてもよく、スレーブ光源および第２のマスター光源は、各半導体基板上に集積される。干渉コンポーネントは、１つのスレーブ光源によって生成された光パルスの各々がビームスプリッタで他のスレーブ光パルスによって生成された光パルスと干渉するように構成されたビームスプリッタであってもよい。
【００３０】
位相ランダム化光源は、スペクトルフィルタおよび／または他のタイプのフィルタをさらに含んでいてもよい。スペクトルフィルタおよび／または他のフィルタは、第１の半導体基板上に集積されてもよい。スペクトルフィルタはアレイ導波路回折格子フィルタであってもよい。
【００３１】
干渉システムは、１以上の光子検出器をさらに含んでいてもよい。光子検出器は、単一光子検出器、例えば、ゲート単一光子検出器であってもよい。干渉システムは、一次干渉または二次干渉を測定するように構成される。一次干渉測定は各検出器の出力を独立して見るが、二次干渉測定は２つの検出器の出力間の相関を見る。一次干渉測定および二次干渉測定は干渉システムのために行なわれることができる。いくつかのアプリケーションに関しては、一次干渉測定がより重要であり、他のアプリケーションに関しては、二次干渉測定がより重要である。
【００３２】
一実施形態では、干渉システムは、量子通信システムの一部であり、干渉装置は、第１の光路および第２の光路を含む干渉計を備え、スレーブ光パルスが干渉計を出るときに干渉するように第１の光路と第２の光路との間に光路長差がある。
【００３３】
マスター光源およびスレーブ光源は、量子通信システムの送信ユニット内にあってもよく、干渉コンポーネントは、量子通信システムの受信ユニット内にあってもよい。
【００３４】
干渉装置は、第１の光路および第２の光路を含み、第１の光路と第２の光路との間に光路長差を有する第１の干渉計と、第３の光路および第４の光路を含み、第３の光路と第４の光路との間に光路長差を有する第２の干渉計と、を備え、第１の干渉計によって引き起こされる遅延は、第１の干渉計によって分離された光パルスが第２の干渉計を出るときに再結合するように、第２の干渉計によって引き起こされる遅延と逆にされる。
【００３５】
第１の干渉計は送信ユニット内にあり、第２の干渉計は量子通信システムの受信ユニット内にある。干渉コンポーネントは、第２の干渉計の出口ビームスプリッタであってもよい。
【００３６】
量子通信システムは、ＭＤＩ−ＱＫＤシステムであってもよい。量子通信システムは、第１のスレーブ光源および第１のマスター光源を有する第１の送信ユニットと、第２のスレーブ光源および第２のマスターを有する第２の送信ユニットと、ビームスプリッタである干渉コンポーネントを有する中継ユニットと、を備えていてもよく、干渉システムは、第１のスレーブ光源によって生成されたスレーブ光パルスの各々がビームスプリッタで第２のスレーブ光源によって生成されたスレーブ光パルスと干渉するように構成される。
【００３７】
他の実施形態によれば、
マスター光パルスをスレーブ光源に間欠的に供給することと、ここで、各マスター光パルスの位相は、続いて生じるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有する、
マスター光パルスが受信される各期間中に１つの光パルスが生成され、各スレーブ光パルスが続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、時間変化駆動信号をスレーブ光源に適用することと、
干渉コンポーネントで前記スレーブ光パルスを干渉させることと、
を備える干渉方法が提供される。
【００３８】
一実施形態では、上記の方法は、量子通信方法において使用され、
スレーブ光パルスに情報をエンコードすることと、
エンコードされたスレーブ光パルスを送信ユニットから干渉計を含む受信ユニットに送信することと、
をさらに備え、干渉計は、第１の光路および第２の光路を含み、スレーブ光パルスが干渉計を出るときに干渉するように第１の光路と前記第２の光路との間に光路長差がある。
【００３９】
他の実施形態によれば、干渉システムを製造する方法が提供され、この方法は、
ｉ）第１のマスター光源および第１のスレーブ光源を含む位相ランダム化光源を第１の半導体基板上に形成することであって、ここで、第１のマスター光源は、各マスター光パルスの位相が続いて生成されるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、マスター光パルスを間欠的に生成するように構成され、さらに、マスター光パルスを第１のスレーブ光源に供給するように構成されることと、
ｉｉ）入力光パルスが干渉コンポーネントで干渉するように構成された干渉装置を形成することであって、干渉装置の入力が位相ランダム化光源によって提供されることと、
ｉｉｉ）第１の電極および第２の電極を第１のスレーブ光源に電気的に接続することであって、第１の電極および第２の電極は、第１のコントローラに接続され、第１のコントローラは、マスター光パルスが受信される各期間中に１つのスレーブ光パルスが生成され、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、第１の時間変化電気信号を第１のスレーブ光源に適用するように構成されることと、を備える。
【００４０】
一実施形態では、ステップｉ）は、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）によって行なわれる。ステップｉ）は、モノリシックに集積する方法または別のキャリア（foreign carrier）へのフリップチップ接続を使用してもよい。
【００４１】
一実施形態では、ステップｉｉｉ）は、第３の電極および第４の電極を第１のマスター光源を電気的に接続することをさらに含み、ここで、第３の電極および第４の電極は第１のコントローラに接続される。一実施形態では、ステップｉｉｉ）は、第２の電極および第３の電極を第１のマスター光源に電気的に接続することをさらに含み、ここで、第３の電極は、第１のコントローラに接続される。一実施形態では、ステップｉｉｉ）は、第３の電極および第４の電極を第１のマスター光源に電気的に接続することをさらに含み、ここで、第１の電極および第２の電極は、第２のコントローラに接続される。
【００４２】
実施形態では、ステップｉ）は、
第１の活性領域を形成することと、
活性領域に少なくとも１つの回折格子を形成することと、
を含む。
【００４３】
実施形態では、ステップｉ）は、
第１の活性領域を形成することと、
活性領域に少なくとも１つのギャップをエッチングすることと、
を含む。
【００４４】
実施形態では、ステップｉ）は、
第１のスレーブ光源を形成することと、
第１のマスター光源を形成することと、
第１の半導体基板上に第１のスレーブ光源および第１のマスター光源をフリップチップ実装することと、
を含む。
【００４５】
一実施形態では、基板は、第１の導電型であり、ステップｉ）は、第１のマスター光源および第１のスレーブ光源の各々に関して第２の導電型を有する層を形成することを含み、ステップｉｉｉ）は、第１の電極を基板に電気的に接続することと、第２の電極を、第２の導電型を有する層に電気的に接続することと、を含む。
【００４６】
一実施形態では、ステップｉｉ）は、第１のマスター光源および第１のスレーブ光源の第１の端部に隣接する第１の導電型の第１の領域、および第１のマスター光源および第１のスレーブ光源の第２の端部に隣接する第２の導電型の第２の領域を形成することを含み、ステップｉｉ）は、第１の電極を第１の領域に電気的に接続することと、第２の電極を第２の領域に電気的に接続することと、を含む。
【００４７】
一実施形態では、ステップｉｉｉ）は、第１の半導体基板上に干渉装置を形成することを含む。
【００４８】
実施形態では、ステップｉ）は、
第１の半導体基板上にバッファ層を形成することと、
第１の導電型の第１の分布ブラッグ反射器を形成することと、
第１の活性領域を形成することと、
第２の導電型の分布ブラッグ反射器を形成することと、
第２の活性領域を形成することと、
第１の導電型の第２の分布ブラッグ反射器を形成することと、
第２の導電型の分布ブラッグ反射器の一部を露出するためにデバイスをエッチングすることと、
第３の電極を基板に電気的に接続することと、
を備え、ステップｉｉｉ）は、第１の電極を第１の導電型の第２の分布ブラッグ反射器に電気的に接続することと、第２の電極を第２の導電型の分布ブラッグ反射器に電気的に接続することと、を含む。
【００４９】
図１は、光の位相がランダム化されたパルスを使用する干渉システム１００の一例についての概略図であり、この干渉システム１００では、２つの光源がビームスプリッタ１０６に接続されている。各光源から放出された光パルスはビームスプリッタ１０６で干渉する。各光源から放出される各光パルスの位相Φｉおよびφｊは、続いて放出される光パルスの各々の位相Φ（ｉ＋１）およびφ（ｊ＋１）とランダムな関係を有する。検出器１０７はビームスプリッタの一方の出力に接続され、検出器１０８はビームスプリッタの他方の出力に接続されている。
【００５０】
第１のパルス光源１０１および第２のパルス光源１０２によって生成される光パルスは、まず自然放出によって生成され、続いて誘導放出によって増幅される。自然放出は、ランダムで予測不可能なプロセスである。そのため、第１のパルス光源１０１および第２のパルス光源１０２によって生成された光パルスは時間ジッタを示す。時間ジッタは、基準点から測定される、その理想位置からの光パルスエッジの任意の時間のずれである。基準点は、パルスの光学放出を駆動する電気的クロックによって提供されることができる。パルスエッジは、パルスがその平均ピーク値の半分に達するときの時間である。多数のパルスに関する基準点からのずれの平均値、すなわち、平均時間ジッタは、測定可能である。時間ジッタのレンジ、すなわち、多数のパルスに関する基準点からのずれの最大値および最小値は、同様に測定可能である。時間ジッタは、３つの近接するパルスへの各パルスの分割として図１に概略的に表されている。
【００５１】
光パルスによって示される大きな時間ジッタは、弱い干渉ビジビリティをもたらし得る。光パルスの放出時間のランダムな変動は、第１のパルス光源１０１からの光パルスおよび第２のパルス光源１０２からの光パルスがわずかに異なる時間でビームスプリッタ１０６に入るだろうということを意味する。ビームスプリッタでの光パルス間の時間的オーバーラップはより小さくなり、したがって、干渉ビジビリティは弱くなる。
【００５２】
例えばＱＫＤまたはＭＤＩ−ＱＫＤアプリケーションに使用される位相ランダム化光パルス（phase-randomised light pulses）の生成は、利得スイッチレーザーダイオードを使用して遂行されることができる。あるいは、位相ランダム化光パルスは、位相のランダム変調のための個別のユニットが後続するモードロックパルスレーザーなどのレーザーを使用して生成されることができる。あるいは、光を複数のパルスにする強度変調器とパルスの位相をランダム化する位相変調器とが後続するコヒーレント光源は、小さな時間ジッタを有する位相ランダム化光パルスを発生させることができる。しかしながら、そのような光源は、大型（bulky）且つ複雑である。例えば、所望のパルスシーケンスおよび位相ランダムさを達成するために、光源の後段に１以上の変調器が設けられて、光源がこれらの変調器と同期されてもよい。
【００５３】
図２は、実施形態に係る干渉システム２００の概略図である。このシステムでは、第１のマスター光源２０４および第１のスレーブ光源２０１は、図１の第１のパルス光源１０２の代わりである。第２のマスター光源２０３および第２のスレーブ光源２０２は、図１の第２のパルス光源１０３の代わりである。
【００５４】
実施形態では、第１のマスター光源２０４および第１のスレーブ光源２０１は、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。第２のマスター光源２０３および第２のスレーブ光源２０２は、同様に、第１の基板上に集積されることができる。ビームスプリッタ２０６は、同様に、第１の基板上に集積されることができる。検出器２０７および検出器２０８は、同様に、第１の基板上に集積されることができる。あるいは、第２のマスター光源２０３および第２のスレーブ光源２０２は、第２の基板上に集積されていてもよい。例えば、ビームスプリッタ２０６は第３の基板上にあってもよい。例えば、検出器２０７および検出器２０８は同様に第３の基板上に集積されていてもよい。
【００５５】
マスター光パルスは、スレーブ光源のキャビティに注入される。スレーブ光源によって放出される各光パルスは、マスター光源からの光パルスがスレーブ光源のキャビティに入った後に生成される。スレーブ光源のキャビティ内のマスター光パルスの存在は、スレーブ光パルスが自然放出によってではなく誘導放出によって起こされることを意味する。図１に示される光源では、レーザー発振動作（lasing action）をアクティブにするメカニズムは自然放出である。図２のスレーブ光源では、レーザー発振動作をアクティブにするメカニズムはマスター光パルスからの光子である。そのため、スレーブ光パルスの時間ジッタはマスター光パルスの時間ジッタより小さい。さらに、マスター光パルスの注入により生成されるスレーブ光パルスの時間ジッタは、（例えば図１に示されるような）マスター光パルスの注入なしで生成される光パルスの時間ジッタよりも小さい。干渉システム２００は、スレーブ光パルスの低い時間ジッタの結果、良好な干渉ビジビリティを有する。
【００５６】
生成されたスレーブ光パルスの各々は、対応する注入されたマスター光パルスと固定位相関係を有する。言い換えると、スレーブ光パルスはマスター光パルスと固定位相関係を有する。注入されたマスター光パルスの各々の位相が続いて注入されたマスター光パルスの各々の位相に関してランダムである場合、生成されたスレーブ光パルスの各々の位相は、続いて生成されたスレーブ光パルスの各々の位相に関してランダムである。言い換えると、マスター光源２０３および２０４の各々から放出される光パルスの各々の位相Φｉおよびφｊが続いて放出される光パルスの各々の位相Φ（ｉ＋１）およびφ（ｊ＋１）とランダムな関係を有する場合、スレーブ光源２０１および２０２の各々から放出される光パルスの各々の位相Φ'ｉおよびφ'ｊは、続いて放出される光パルスの各々の位相Φ'（ｉ＋１）およびφ'（ｊ＋１）とランダムな関係を有する。
【００５７】
第１のマスター光源２０４、第２のマスター光源２０３、第１のスレーブ光源２０１、および第２のスレーブ光源２０２は、光のパルスを生成する任意のタイプの光源であることができる。一実施形態では、マスター光源およびスレーブ光源は利得スイッチレーザーである。利得スイッチレーザーの動作については、次に図３に関してより詳細に説明する。一実施形態では、それらは半導体レーザーダイオードであってもよい。さらなる例はファイバーレーザーおよび固体レーザーを含む。
【００５８】
図３（ａ）は、利得スイッチレーザーの概略図を示す。利得スイッチレーザーは、レーザーがレーザー発振閾値（lasing threshold）の上に切り替えられる場合に光を生成し、レーザーがレーザー発振閾値の下に切り替えられる場合にはほとんど光を生成しない。レーザー１４０は、ポンプパワー（pump power）の変更によってレーザーの利得を変調するコントローラ１４１を有する。利得は、時間変化する方法で変調され、周期的な方法で変調されてもよい。このようなレーザーの駆動は、レーザー出力１４２においてレーザーパルスを生成する。レーザーパルスの持続時間はピコセカンドのオーダーであってもよい。
【００５９】
レーザー１４０が半導体レーザーである場合、それは、電流または電圧を印加することによって電気的にポンプされることができる。半導体レーザーの利得を変調するために、コントローラ１４１は、レーザーに印加される電流または電圧を変調する。
【００６０】
レーザー１４０がファイバーレーザーまたは固体レーザーである場合、それは、光学的にポンプされることができる。ファイバーレーザーまたは固体レーザーの利得を変調するために、コントローラ１４１は、レーザーに適用される光入力を変調する。
【００６１】
図３（ｂ）は、半導体利得スイッチレーザーの利得変調を説明する３つのグラフを示す。上段のグラフは、横軸を時間として、縦軸にレーザーに適用される電流を示す。ＤＣバイアスは横方向の点線で示されている。レーザーに適用される電流は電流変調パルス列の形態をとる。この場合の波は方形の波形である。異なる利得変調信号、例えば正弦波または非周期的な時間変化信号が使用されることができる。この場合、電流は、電流変調パルス間でゼロにならず、単にバイアス値（点線によって示される）へと下がる。
【００６２】
電流変調信号は、レーザーに適用され、レーザー発振閾値の上および下にレーザーの利得を周期的に切り替える。２番目のグラフは、横軸を時間として、縦軸にレーザーのキャリア密度を示す。レーザー発振閾値は横方向の破線で示されている。電流変調パルスがレーザーに適用される場合、注入されたキャリアはキャリア密度を増大させ、光子密度が増大する。
【００６３】
変調信号によって生成されるレーザー出力は下段のグラフに示されている。縦軸はレーザーを示し、横軸は時間を示す。レーザーは、キャリア密度がレーザー発振閾値を超えているときに光を出力する。レーザーキャビティ内部で自然放出によって生成される光子は、出力信号を生成するために誘導放出によって十分に増幅される。電流変調パルスの適用と出力光の生成との間の遅延の長さは、レーザータイプ、キャビティ長、およびポンピングパワーなどのいくつかのパラメータに依存する。
【００６４】
光子密度の急速な増大は、キャリア密度の低下を引き起こす。これは次に光子密度を低下させ、それはキャリア密度を増大させる。この時点で、電流変調パルスは、ＤＣバイアスレベルに戻るように調節され、レーザー放出はすぐに絶える。したがって、レーザー出力は、下段のグラフに示されるように、短いレーザーパルスの列から成る。
【００６５】
より長いパルスを生成するために、利得バイアスは、レーザー発振閾値により近くになるように選択される。これはキャリア密度がより早くレーザー発振閾値を超えることを意味し、それは発達するより多くの時間を光パルスに与える。最初に、光強度は、オーバーシュートし（overshoot）、すぐにキャリア密度を低下させる。これは、次に、光子密度を低下させ、キャリア密度を増大させ、続いて光強度を増大させる。この競争過程は、強く減衰されるパルスの初めの光強度の振動を引き起こし、強度が一定である定常状態にすぐに導く。振動は緩和振動と呼ばれる。電流パルスが終わって電流が再びバイアス値に切り替わると、レーザーパルスは終了する。
【００６６】
図３（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザーのための電気駆動回路の概略図を示す。半導体利得スイッチレーザーはレーザーダイオード１４５である。レーザーダイオード１４５のカソードは、インダクタ１４７と抵抗またはコンデンサ１４８とを含むバイアスティ１４６に接続される。これらのコンポーネントは半導体レーザーダイオード１４５のための利得変調ユニットを構成する。インダクタ１４７を通じて、ＤＣバイアス電流はレーザーダイオードに送られる。これは利得バイアス（図３（ｂ）において点線によって示される最低レベルの電流）を提供する。抵抗またはコンデンサ１４８を通じて、ＡＣ変調電流はレーザーダイオードに送られ、レーザー発振閾値の上および下にレーザーの利得を切り替えるのに必要な利得変調を提供する。この場合、バイアスティ１４６への変調入力はコントローラ１４１によって提供される。
【００６７】
利得スイッチレーザーは位相ランダム化光パルスを生成することができる。光パルスは時間ジッタを示す。
【００６８】
図４は、実施形態に係る干渉システムにおいて使用されることができる位相ランダム化光源４００の概略図である。
【００６９】
実施形態では、マスター光源４０３およびスレーブ光源４０２は、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積される。マスター光源４０３およびスレーブ光源４０２は、複数の電極を含み、これらの電極は、マスター光源４０３およびスレーブ光源４０２を制御してマスター光源４０３およびスレーブ光源４０２と同期され、コントローラ（図示せず）に接続される。
【００７０】
光源は、パルス化された且つ位相ランダム化されたシーディングのメカニズムで機能する。
【００７１】
マスターパルス光源４０３は、図３に関して説明したような利得スイッチ半導体レーザーであることができる。コントローラ（図示せず）は、例えば、図３に関して上述したように、光のパルスを生成するようにマスター光源４０３を駆動する。
【００７２】
マスター光源４０３は、ランダム位相関係を有する光パルスを放出する。これは、マスター光源から放出される光パルスの各々の位相が後続する光パルスの各々の位相とランダムな関係を有することを意味する。マスター光パルスはスレーブ光源４０２に注入される。スレーブ光源４０３は、図３に関して説明したような利得スイッチ半導体レーザーであることができる。コントローラ（図示せず）は、マスター光パルスが注入される各期間中に１つの光パルスが生成されるように、周期信号をスレーブ光源に適用するように構成される。生成されるスレーブ光パルスの各々は、注入されたマスター光パルスと固定位相関係を有する。
【００７３】
マスター光パルスの位相はランダムであると説明したが、実際には、立て続けに放出される２つの光パルスの位相間に有限の相関量があり得る。位相差をランダムと説明することによって、これらの相関が小さく急速に衰えることが意味される。一実施形態では、４００ｐｓ離れて放出される２つの光パルスに関して測定可能な相関はない。一実施形態では、１ｎｓ離れて放出される２つの光パルスに関して測定可能な相関はない。一実施形態では、１０ｎｓ離れて放出される２つの光パルスに関して測定可能な相関はない。一実施形態では、１００ｎｓ離れて放出されるパルスに関して測定可能な相関はない。
【００７４】
すべての光源がランダムな位相関係を有するパルスを生成するとは限らない。例えば、モードロックパルスレーザーは、ランダムな位相関係を有するパルスを生成することができない。マスター光源４０３に関する特定の駆動条件は、生成されるマスター光パルス間にランダムな位相関係が生じるために使用されることができる。例えば、空のキャビティ状態が達成される場合に、半導体利得スイッチレーザーは、ランダムな位相関係を有するパルスを生成することができる。これについては次により詳細に説明する。
【００７５】
各光パルスが自然放出によって開始されるので、生成された光パルスの各々の位相のランダム性が生じる。自然放出は光場の真空変動によるものとみなすことができる。利得スイッチレーザーダイオードでは、自然放出は、生成されたパルスの各々の電磁気位相に影響を及ぼす。レーザーキャビティがレーザー発振の前に空である、すなわち真空状態にある場合、レーザー発振動作は、完全に自然放出によって引き起こされる。自然放出は、位相が完全にアンバイアスされていてランダムである真空からその電磁気位相を受け継ぐ。
【００７６】
キャビティ光子が各レーザー発振イベントの前に減衰するのに充分な時間を有する場合、空のキャビティ状態は達成されることができる。例えば、レーザーダイオードが２.５ＧＨｚの方形波で利得切り替えされる場合、各パルスの生成の前におけるキャビティの平均残留光子数は１０−１０である。この強度は自然放出より数桁小さい。一実施形態では、マスター光源が４.０ＧＨｚ以下の駆動周波数に基づいている場合、各マスター光源パルスはランダムな電磁気位相を有するだろう。
【００７７】
したがって、コントローラは、各レーザー発振イベント間に残存のキャビティ光子が減衰するのに充分な時間があって、マスター光パルスが残存のキャビティ光子の代わりに自然放出によって開始されるように、マスター光源を駆動するように構成される。一実施形態では、コントローラは、４.０ＧＨｚ以下の周波数を有する時間変化電流または電圧でマスター光源を駆動するように構成される。一実施形態では、コントローラは、２.５ＧＨｚ以下の周波数を有する時間変化電流または電圧でマスター光源を駆動するように構成される。一実施形態では、生成されるマスター光パルスそれぞれの間の時間ギャップは１２５ｐｓ以上である。一実施形態では、生成されるマスター光パルスそれぞれの間の時間ギャップは２００ｐｓ以上である。
【００７８】
マスター光源４０３は、導波路、例えば、光ファイバーによってスレーブ光源４０２の第１のアパーチャに接続される。第２の導波路、例えば、光ファイバーは、スレーブ光源４０２の第２のアパーチャに接続される。あるいは、光パルスは、自由空間（マスター光源４０３およびスレーブ光源４０２などのコンポーネントを接続するための導波路を必要としないという意味である。）を通じてランダム光源４００のコンポーネント間を移動してもよい。代替の実施形態では、導波路は、マスター光源４０３とスレーブ光源４０２との間に基板上に集積された導波路領域である。
【００７９】
スレーブ光源４０２は、図３に関して説明したような利得スイッチ半導体レーザーであってもよい。あるいは、スレーブ光源４０２は、コヒーレント光のパルスを生成する任意のタイプの光源であることができる。コントローラ（図示せず）は、図３に関して上述したように、例えば、光のパルスを生成するようにスレーブ光源４０２を駆動する。単一のコントローラがスレーブ光源およびマスター光源の両方を駆動してもよい。あるいは、個別のコントローラが各光源を駆動してもよい。これについては図５および図６に関して以下でさらに説明する。
【００８０】
マスター光源４０３は、マスター光パルスと呼ばれる光パルスのシーケンスを生成する。各マスター光パルスの位相は、続いて生成されるマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有する。図４では、マスター光源４０３は、ランダムな電磁気位相Φ１、Φ２、Φ３、…とパルスのトリプレットによって表される大きな時間ジッタτとを有するパルスの列を生成する。パルスのトリプレットは、光パルスが第１、第２、および第３のトリプレットパルスの時間に放出されることができるが、それがどの時間に放出されるかわからないということを表す。その後、マスターパルスは、「シード」としてスレーブ光源４０２に注入され、パルス注入シーディング（pulsed injection seeding）を引き起こす。
【００８１】
言い換えると、マスター光パルスは、マスター光源４０３から導波路へ放出され、第１のアパーチャを通じてスレーブ光源４０２に入る。マスター光源４０３からの光は、スレーブ光源４０２の光キャビティに入り、スレーブ光源４０２のパルス注入シーディングを引き起こす。パルス注入シーディングという用語は、レーザーシーディングまたはレーザー以外の光源によるシーディングを指すことができる。スレーブ光パルスは、パルス注入シーディングにより生成され、スレーブ光源４０２の第２のアパーチャから放出される。
【００８２】
マスター光パルスのランダムな位相関係は、各スレーブ光パルスが同様に続いて生成されるスレーブ光パルスの各々に対してランダムな位相を有することを意味する。パルス注入シーディングが生じる場合、スレーブ光源４０２がレーザー発振閾値の上に切り替えられるたびに生成されるスレーブ光パルスは注入されたマスター光パルスと固定位相関係を有する。注入されたマスター光パルスの各々に対して１つのスレーブ光パルスだけが生成される場合、（各マスター光パルスは続いて生成されるマスター光パルスの各々とランダムな位相関係を有するので）各スレーブ光パルスは、続いて生成されるスレーブ光パルスの各々とランダムな位相関係を有する。例えば図５および図６に関して以下に説明されるような適切な動作条件下では、スレーブ光源４０２は、ランダムな電磁気位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…をなおも示すが、より小さな時間ジッタτ'＜τを有するパルスの新しい列を生成する。
【００８３】
パルス注入シーディングが生じるために、注入されるマスター光パルスの周波数は、特定の範囲内でスレーブ光源４０２の周波数と一致しなければならない。一実施形態では、マスター光源４０３によって供給される光の周波数とスレーブ光源４０２の周波数との差は３０ＧＨｚ未満である。スレーブ光源４０２が分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーダイオードであるいくつかの実施形態では、周波数差は１００ＧＨｚ未満である。
【００８４】
成功したパルス注入シーディングのために、スレーブ光源４０２の光キャビティに入るマスター光パルスの相対的なパワーは、使用される光源のタイプに依存する特定の範囲内になければならない。一実施形態では、注入されたマスター光パルスの光パワーは、スレーブ光源４０２の光出力パワーより少なくとも１０００倍小さい。一実施形態では、注入されたマスター光パルスの光パワーは、スレーブ光源４０２の光出力パワーより少なくとも１００倍小さい。マスター光源４０３は、放出されるマスター光パルスの強度を低減する固定光減衰器を含むことができる。あるいは、マスター光源４０３は、単に低速で調節される調節可能な光減衰器を含むことができる。生成されるスレーブ光パルスの強度は、マスター光パルスの強度に依存する。実際に、的確な駆動条件では、マスター光パルスがまったく注入されない場合には、スレーブ光パルスは生成されない。マスター光源４０３は、生成されるスレーブ光パルスの強度を変えるために、生成されるマスター光パルスがスレーブ光源４０２に供給される前に、生成されるマスター光パルスの強度を変える強度変調器を含むことができる。位相ランダム化光源４００は、スレーブ光源４０２によって生成されたスレーブ光パルスの強度を低減する第２の光減衰器、またはスレーブ光源４０２によって生成されたスレーブ光パルスの強度を変える強度変調器を含むことができる。
【００８５】
一実施形態では、スレーブ光源４０２およびマスター光源４０３は電気的に駆動される利得スイッチ半導体レーザーダイオードである。一実施形態では、スレーブ光源およびマスター光源は同じ帯域幅を有する。一実施形態では、両方の光源は１０ＧＨｚの帯域幅を有する。一実施形態では、両方の光源は２.５ＧＨｚの帯域幅を有する。ここで、帯域幅は、直接変調下において利得スイッチレーザーダイオードで達成可能な最も高いビットレートを意味する。特定の帯域幅のレーザーは、より低いクロックレートで動作されることができる。
【００８６】
マスター光源と呼ばれる光源、例えば、利得スイッチレーザーは、時間ジッタτを有する位相ランダム化光パルスの列を生成し、時間ジッタτ'＜τを有する位相ランダム化光パルスの列を生成する、スレーブ光源と呼ばれる第２の光源をシードし、第２の光源は、利得スイッチレーザーであってもよい。
【００８７】
マスター光源は、スレーブ光源に注入される位相ランダム化光パルスを生成する。これは、マスター光パルスが注入されることなしにスレーブ光源によって放出されるパルスの時間ジッタと比べて、スレーブ光源によって放出されるパルスの時間ジッタを低減する。生成されたスレーブ光パルスの位相はランダム化されている。時間ジッタの低減のために、マスターレーザーからの光は、スレーブレーザー利得増大がアクティブにされる前にスレーブレーザーのキャビティ内にいなくてはならない。したがって、スレーブレーザー利得変調信号がオンに切り替えられ、または、レーザー発振閾値の上に増大されるときに、マスターレーザーからの光は既に生成されている。マスターレーザーからスレーブレーザーまでの光の移動時間は無視することができる。
【００８８】
スレーブ光パルスが干渉装置において使用される前にスレーブ光パルスの時間ジッタを低減することは、干渉ビジビリティが増大することを意味する。例えば、スレーブ光パルスが、二乗平均平方根（r.m.s.）時間ジッタが約７ｐｓであり、３５ｐｓの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するパルスを生成する利得スイッチレーザーである場合、時間ジッタはＦＷＨＭの約２０％である。それは、考慮される特定の帯域幅にかかわらず、そのような時間ジッタが干渉実験のビジビリティを９０％未満に低下させることがシミュレーションで示されることができる。レーザー、フォトダイオードおよびオシロスコープを使用する直接測定は、マスター光源でスレーブ光源をシードすることによって６分の１まで時間ジッタを低減することができることを示す。
【００８９】
図５（ａ）は、マスター光源５０３およびスレーブ光源５０２の両方が単一の利得変調ユニット５０９で駆動される位相ランダム化光源５００の駆動スキームの概略図である。マスター光源５０３およびスレーブ光源５０２およびそれらの間の光学接続５０５は、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積されることができる。利得変調ユニット５０９および遅延線５１０は、マスター光パルスが受信される各期間中にただ１つの光パルスが生成されるように時間変化駆動信号をスレーブ光源５０２に適用するように構成されるコントローラの一例である。マスター光源５０３は、光学接続５０５によってスレーブ光源５０２に接続される。光学接続５０５は、導波路、例えば、（図４に示されるような）光ファイバーであることができる。あるいは、光パルスは、自由空間を介してマスター光源５０３とスレーブ光源５０２との間を移動してもよい。光学接続５０５は、マスター光源５０３とスレーブ光源５０２との間に基板上に集積された導波路領域であることができる。光学接続５０５は、光サーキュレータまたはビームスプリッタなどのさらなるコンポーネントを含んでもよい。これについては図７に関してさらに説明する。
【００９０】
利得変調ユニット５０９は、マスター光源５０３およびスレーブ光源５０２の両方を駆動する。マスター光源５０３およびスレーブ光源５０２が両方ともに利得スイッチ半導体レーザーである場合、利得変調ユニットは、図３（ｃ）のような利得変調回路であってもよい。利得変調ユニットは、光のパルスを生成するためにマスター光源５０３およびスレーブ光源５０２を駆動する。遅延線５１０は装置を同期させるために使用される。遅延線は、例えば、固定長ケーブルであることができる。利得変調ユニットは、マスター光源５０３に直接に接続される。例えば、マスター光源５０３が半導体レーザーである場合、利得変調回路はマスター光源５０３に電気的に接続される。利得変調ユニット５０９は、遅延線５１０を介してスレーブ光源５０２に接続される。マスター光源５０３とスレーブ光源５０２との間の遅延を適切に調節することによって、パルスの時間ジッタを低減することができる。遅延のレンジは、光源のクロック周期をカバーするべきである。例えば、マスター光源５０３およびスレーブ光源５０２が２.５ＧＨｚのクロック周波数でパルス化される場合、４００ｐｓのレンジを有する調整可能な遅延が使用されることができる。時間ジッタを低減するために、利得変調がスレーブ光源５０２に適用されるときに、マスター光源５０３からの光はスレーブ光源５０２のキャビティ内に既にある。マスター光源５０３とスレーブ光源５０２との間の移動時間は無視することができる。
【００９１】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示される単一の利得変調スキームに関する時間的シーケンスを示す。上段のグラフは、マスター光源５０３に適用される利得変調を示す。利得変調は、矩形波の形態をとる時間変化駆動信号であり、それは、マスター光源に適用されると、レーザー発振閾値の上および下にキャリア密度を増大する。言い換えると、利得変調は一連のパルスである。パルス間では、利得は、利得バイアスである最小値になり、点線で示されている。
【００９２】
次のグラフは、マスター光源５０３のキャリア密度を示す。各利得変調パルスは、破線で示されるレーザー発振閾値の上にキャリア密度を増大させる。次のグラフは、マスター光源５０３の出力を示す。キャリア密度がレーザー発振閾値の上に増大するたびに、１つの光パルスが出力される。図３に関して説明したように、遅延が増大する時と光パルスが出力される時との間に遅延がある。マスター光パルスは大きな時間ジッタを有する。
【００９３】
次のグラフは、スレーブ光源５０２に適用される利得変調を示す。利得変調は、マスター光源５０３に適用されるものに矢印で示される時間遅延の追加したものと同じである。利得変調は、スレーブ光源に適用される時間変化駆動信号である。言い換えると、スレーブ光源５０２に適用される利得変調は、マスター光源５０３に適用される利得変調に関して時間的にシフトされる。利得の周期的増大の各々は、それがマスター光源５０３に適用されるのより遅くスレーブ光源５０２に適用される。この例での遅延は、利得変調信号の周期の約半分である。遅延は、マスター光パルスが注入された後に利得の周期的増大がスレーブ光源５０２に適用されることを意味する。そのため、マスター光パルスは利得増加が適用されるときにスレーブレーザーキャビティ内にあり、その結果生じるスレーブ光パルスは、マスター光パルスからの誘導放出によって生成される。これは、生成されたスレーブ光パルスが注入されたマスター光パルスとの固定位相関係および低い時間ジッタを有することを意味する。
【００９４】
スレーブ光パルスが注入されたマスター光パルスによって引き起こされた誘導放出によって開始されるように、マスター光パルスが注入された後に、スレーブ光源５０２はレーザー発振閾値の上に切り替えられる。最後のグラフは、スレーブ光源５０２の出力を示す。キャリア密度がレーザー発振閾値の上に増大するごとに、１つのスレーブ光パルスだけが出力される。この場合も同様に、利得変調の増大と出力された光パルスとの間に遅延があり得る。出力されたスレーブ光パルスの時間ジッタはτより小さいτ'である。
【００９５】
図５に示されるシステムでは、利得変調ユニット５０９は、各マスター光パルスが入射する時間中にスレーブ光源５０２が一度だけレーザー発振閾値の上に切り替えられるように、時変利得変調をスレーブ光源５０２に適用する。同じ利得変調信号が両方の光源に適用され、且つ、遅延線がマスター光源５０３に対してスレーブ光源５０２への利得増大の適用を遅らせるので、スレーブ光源５０２の切り替えは、マスター光パルスの到着と同期される。
【００９６】
図５（ｂ）に示されるシステムでは、時間変化利得変調信号は方形の波形を有する。しかしながら、時変利得変調は任意のパルス波形を有する信号を含むことができる。
【００９７】
光源が利得スイッチ半導体レーザーである場合、利得変調信号は、印加電流または電圧である。一実施形態では、利得変調信号は、方形の波形を有する印加電流または電圧である。代替の実施形態では、時間変化電流または電圧は、周波数合成器によって生成される電気的な正弦波である。一実施形態では、利得変調信号の周波数は４ＧＨｚ以下である。一実施形態では、周波数は２.５ＧＨｚである。一実施形態では、周波数は２ＧＨｚである。
【００９８】
利得スイッチ半導体レーザーは、パルスが放出されるときの状態と「オフ」状態との間に良好な消光比を有する。それは非常に短いパルスを生成するために使用されることができる。一実施形態では、スレーブ光パルスの各々の持続期間は２００ｐｓ未満である。一実施形態では、スレーブ光パルスの各々の持続期間は５０ｐｓ未満である。一実施形態では、スレーブ光パルスの各々の持続期間は数ピコセカンドのオーダーである。時間変化電流または電圧が２ＧＨｚの周波数を有する方形波電流または電圧である実施形態では、短い光パルスは５００ｐｓ離れている。
【００９９】
これらの図に示される光源では、マスター光源およびスレーブ光源は、利得変調のための同じ電気的なドライバーを共有する。
【０１００】
図６（ａ）は、マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２が個別の利得変調ユニットで駆動される位相ランダム化光源６００の駆動スキームの概略図である。マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２およびそれらの間の光学接続６０５は、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積されることができる。利得変調ユニット６０９ｂ、調整可能な遅延６１０およびクロック６１１は、マスター光パルスが受信される各期間中にただ１つの光パルスが生成されるようにスレーブ光源６０２に時間変化駆動信号を適用するように構成されたコントローラの一例である。利得変調ユニット６０９ａおよびクロック６１１は、第２の時間変化駆動信号をマスター光源６０３に供給するように構成された第２のコントローラの一例である。第１の信号および第２の信号は同期される。マスター光源６０３は光学接続６０５を介してスレーブ光源６０２に接続される。光学接続６０５は、図４に示されるように、導波路、例えば、光ファイバーであることができる。あるいは、光パルスは、自由空間を通じてマスター光源６０３とスレーブ光源６０２との間を移動してもよい。光学接続６０５は、マスター光源６０３とスレーブ光源６０２との間に基板上に集積された導波路領域であることができる。光学接続（６０５）は、光サーキュレータまたはビームスプリッタなどのさらなるコンポーネントを含んでいてもよい。これについては図７に関してさらに説明する。
【０１０１】
利得変調ユニット６０９ａはマスター光源６０３を駆動し、利得変調ユニット６０９ｂはスレーブ光源６０２を駆動する。マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２が両方ともに利得スイッチ半導体レーザーである場合、利得変調ユニットは、図３（ｃ）のような利得変調回路であってもよい。利得変調ユニットは、マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２が光のパルスを生成するように、マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２を駆動する。
【０１０２】
遅延線６１０およびクロック６１１は、装置を同期させるために使用される。遅延線は、例えば、固定長ケーブルであることができる。利得変調ユニット６０９ａは、マスター光源６０３に直接に接続される。利得変調ユニット６０９ｂは、スレーブ光源６０２に直接に接続される。例えば、光源が半導体レーザーである場合、利得変調回路は光源に電気的に接続される。
【０１０３】
クロック６１１は、利得変調ユニット６０９ａに直接に接続される。クロックは、遅延線６１０を介して利得変調ユニット６０９ｂに接続される。クロックは、レーザー発振閾値を超える利得の増大の各々をトリガーし、すなわち、利得変調信号中の各パルスをトリガーする。マスター光源のための利得バイアスは、図５のシステムにおいて適用される利得バイアスより高い。利得変調信号がレーザー発振閾値の上に増大される期間は、スレーブ光源６０２よりもマスター光源６０３に関して長くてもよい。示される例では、マスター光源６０３に適用される利得変調パルスは、スレーブ光源６０２に適用されるものより長い。マスター光源６０３とスレーブ光源６０２との間の遅延を適切に調節することによって、パルスの時間ジッタを低減することができる。遅延の長さは、光源のクロック周期をカバーするべきである。例えば、マスター光源およびスレーブ光源が２.５ＧＨｚのクロック周波数でパルス化される場合、４００ｐｓのレンジを有する調整可能な遅延は使用されることができる。時間ジッタを低減するめに、利得変調がスレーブ光源６０２に適用されるときに、マスター光源６０３からの光は既にスレーブ光源６０２のキャビティ内にある。マスター光源６０３とスレーブ光源６０２の間の移動時間は無視することができる。
【０１０４】
図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される利得変調スキームに関する時間的シーケンスを示す。上側のグラフは、マスター光源６０３に適用される利得変調を示す。利得変調は、方形の形態をとる時間変化駆動信号である。言い換えると、利得変調は一連のパルスである。パルス間では、利得は、点線で示される利得バイアスである最小値を有する。各パルスは、破線で示されるレーザー発振閾値の上にマスター光源のキャリア密度を増大させる。図５（ｂ）において生成されるものより長いマスター光パルスを生成するために、利得バイアス値はレーザー発振閾値により近くなっている。これは、キャリア密度がより早くレーザー発振閾値を越えることを意味し、それは発達するより多くの時間を光パルスに与える。
【０１０５】
次のグラフは、マスター光源のキャリア密度を示す。レーザー発振閾値は破線で示される。利得バイアスが高いので、利得の増大が適用されるほとんど直後にキャリア密度がレーザー発振閾値を超える。キャリア密度は、振動し、そして利得変調信号が低下するまでレーザー発振閾値の上に一定値のままになる。
【０１０６】
次のグラフは、マスター光源６０３の出力を示す。利得がレーザー発振閾値の上に増大するごとに、１つの光パルスが出力される。利得バイアスが図５（ｂ）において使用される利得バイアスと比較して増大されているので、マスター光パルスの持続時間は図５（ｂ）のマスター光パルスの持続時間よりも長い。マスター光パルスの持続時間は、利得変調パルスの持続時間とほとんど同じである。マスター光パルスは、プラトー状の（plateau-like）時間的強度プロフィールが後続するスパイク状の（spike-like）時間的強度プロフィールを有する。プラトー状の部分は、スパイク状の部分より長い持続時間を有し、プラトー状の部分の最大強度はスパイク状の部分の最大強度よりも小さい。プラトー状の部分は、定常状態で放出され、言い換えると、プラトー状の部分の持続時間にわたる強度変化は、プラトー状の部分の最大強度の２０％よりも小さい。マスター光パルスは、各光パルスの立ち上りエッジで大きなジッタτを有する。マスター光パルスの立ち下がりエッジは、１番目のグラフに示されるマスター光源変調信号の立ち下がりエッジによって規定される。そのため、マスター光パルスの立ち下がりエッジに、より少ない時間ジッタがある。マスター光パルスの立ち下がりエッジには、時間ジッタはないかもしれない。
【０１０７】
次のグラフは、スレーブ光源６０２に適用される利得変調を示す。利得変調は同様に、レーザー発振閾値の上および下に増大する方形波の形態をとる時間変化信号である。利得変調は、スレーブ光源に適用された時間変化駆動信号である。言い換えると、利得変調は同様に一連のパルスである。パルス間では、利得は、点線で示される利得バイアスである最小値を有する。各パルスは、破線で示されるレーザー発振閾値の上に利得を増大させる。パルスの持続時間は、マスター光源６０３に適用される利得変調信号のパルスの持続時間より小さい。しかしながら、両方の信号の周期長は同じである。そのため、パルス間のギャップは、それがマスター光源６０３に適用される利得変調信号よりもスレーブ光源６０２に適用される利得変調信号のほうが大きい。
【０１０８】
スレーブ光源６０２に適用される利得変調信号は、同様にマスター光源６０３に適用される利得変調信号に対して遅延される。この遅延は矢印で示される。言い換えると、スレーブ光源６０２に適用される利得変調は、マスター光源６０３に適用される利得変調に関して時間的にシフトされている。利得の周期的増大の各々は、マスター光源６０３に適用されるのより遅くスレーブ光源６０２に適用される。この例での遅延は、利得変調信号の周期の約半分である。遅延は、マスター光パルスが注入された後に利得の周期的増大がスレーブ光源６０２に適用されることを意味する。そのため、マスター光パルスは利得増加が適用されるときにスレーブレーザーキャビティ内にあり、その結果生じるスレーブ光パルスは、マスター光パルスによる誘導放出によって生成される。これは、生成されたスレーブ光パルスが注入されたマスター光パルスとの固定位相関係および低い時間ジッタを有することを意味する。
【０１０９】
最後のグラフは、スレーブ光源６０２の出力を示す。利得がレーザー発振閾値の上に増大されるごとに、１つのスレーブ光パルスだけが出力される。この場合も同様に、レーザー発振閾値を超える利得の増大と出力された光パルスとの間に遅延があり得る。出力されたスレーブ光パルスの時間ジッタは、τより小さいτ'である。
【０１１０】
図６に示されるシステムでは、利得変調ユニット６０９ｂは、各マスター光パルスが入射する時間中にスレーブ光源６０２がレーザー発振閾値の上に一度だけ切り替えられるように、時変利得変調をスレーブ光源６０２に適用する。スレーブ光源６０２の切り替えは、マスター光パルスの到着と同期され、遅延は、マスター光源６０３に対するスレーブ光源６０２への利得の増大の適用を遅らせる。マスター光源６０３およびスレーブ光源６０２のデューティサイクルは独立して制御される。長いデューティサイクルはマスター光源６０３に使用され、より短いデューティサイクルはスレーブ光源６０２に使用される。利得変調の増大がマスター光源６０３に適用されるときと利得変調の増大がスレーブ光源６０２に適用されるときとの間の遅延を適切に調節することによって、マスター光パルスの時間ジッタに対してスレーブ光パルスの時間ジッタを大幅に低減することができる。この構成では、生成される光の最終の繰り返し率はマスター光源６０３のデューティサイクルによって制限される。
【０１１１】
この場合も同様に、時間変化利得変調信号は方形の波形をとる。しかしながら、時間変化利得変調は、任意のパルス波形を有する信号を含むことができる。
【０１１２】
これらの図では、マスター光源およびスレーブ光源は利得変調のために異なる電気的なドライバーを有する。
【０１１３】
図７（ａ）は、実施形態に係る干渉システムにおいて使用されることができる位相ランダム化光源７００ａの概略図である。実施形態では、マスター光源７０３とスレーブ光源７０２とこれらの間の光サーキュレータ７１２は、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積される。この光源では、光学接続は、光サーキュレータを介して２つの光源を接続する光導波路、例えば、光ファイバーによって実現され、光サーキュレータは、ポート１に入った光がポート２から出るように、且つ、ポート２から入った光がポート３から出るように構成される。実施形態では、光導波路は、基板上に集積された導波路領域である。代替の実施形態では、光は、自由空間を通じてコンポーネント間を移動する。マスター光源７０３によって生成された光パルスは、スレーブ光源７０２に到達するまで、光導波路に沿って移動する。光は、スレーブ光源７０２に注入され、それにより、パルス注入シーディングを実現する。この位相ランダム化光源７００ａでは、マスター光源およびスレーブ光源は、光サーキュレータのポート１に入った光がポート２から出て、ポート２に入った光がポート３から出るように構成された光サーキュレータ７１２を使用して接続される。
【０１１４】
マスター光源７０３は、光導波路、例えば、光ファイバーによって光サーキュレータ７１２のポート１に接続される。あるいは、光パルスは、自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。実施形態では、光導波路は基板上に集積された導波路領域である。光サーキュレータ７１２のポート２は光導波路によってスレーブ光源７０２に接続される。光サーキュレータ７１２は、光サーキュレータ７１２のポート１から入った光が光サーキュレータ７１２のポート２から出て、ポート２を通じて光サーキュレータ７１２に入った光がポート３から出るように構成される。
【０１１５】
マスター光源７０３はマスター光パルスを生成し、それは光導波路に沿って移動して光サーキュレータ７１２のポート１に入る。マスター光パルスからの光は、主としてサーキュレータのポート２から出るが、光のごく一部分は、吸収されるあるいはポート３から出ることがある。マスター光パルスからの光は、光サーキュレータ７１２のポート２を出て、スレーブ光源７０２に接続される光導波路に沿って移動する。マスター光パルスはスレーブ光源７０２に注入される。スレーブ光源７０２は、マスター光パルスによってシードされ、スレーブ光パルスを生成する。
【０１１６】
スレーブ光源７０２は、各マスター光パルスがスレーブ光源７０２に入射する時間中にレーザー発振閾値の上にただ一度切り替えられる。それにより、スレーブ光源７０２は、各マスター光パルスに対応する単一のスレーブ光パルスを放出し、このスレーブ光パルスは、スレーブ光源７０２に接続された光導波路へ放出され、マスター光パルスへと逆方向に導波路に沿って移動する。スレーブ光パルスは、光サーキュレータ７１２のポート２に入り、光サーキュレータ７１２のポート３を出て光導波路、例えば、光ファイバーに入る。実施形態では、光導波路は基板上に集積された導波路領域である。
【０１１７】
図７（ｂ）は、実施形態に係る干渉システムにおいて使用されることができる位相ランダム化光源７００ｂの概略図である。実施形態では、マスター光源７０３とスレーブ光源７０２とこれらの間のビームスプリッタ７０６は、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積される。光アイソレータ７１３は同様に基板上に集積されることができる。図７（ｂ）は、スレーブ光源７０２をシードするために使用される代替の光学接続を示し、それは、ビームスプリッタ７０６が後続する光アイソレータ７１３を利用する。この位相ランダム化光源７００ｂでは、マスター光源およびスレーブ光源は、光アイソレータ７１３およびビームスプリッタ７０６を使用して接続され、光アイソレータ７１３は、光をポート１からポート２に通過させ、ポート２からポート１に通過させないように構成される。
【０１１８】
マスター光源７０３は、光ファイバーなどの光導波路によって光アイソレータ７１３のポート１に接続される。あるいは、光パルスは自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。実施形態では、光導波路は基板上に集積された導波路領域である。光アイソレータ７１３のポート２は光ファイバーなどの第２の光導波路によってビームスプリッタ７０６のポートＡに接続される。実施形態では、第２の光導波路は基板上に集積された導波路領域である。光アイソレータ７１３は、ポート１を介して入射する光を通過させるが、ポート２を介して入射する光を通過させないように構成される。光アイソレータを含まない代替の実施形態では、マスター光源７０３の出力は、光ファイバーなどの単一の光導波路によってビームスプリッタ７０６のポートＡに直接に接続される。実施形態では、単一の導波路は基板上に集積された導波路領域である。光ファイバーなどの光導波路は、ビームスプリッタ７０６のポートＣをスレーブ光源７０２に接続する。実施形態では、光導波路は基板上に集積された導波路領域である。
【０１１９】
マスター光源７０３はマスター光パルスを放出し、マスター光パルスはポートＡを通じてビームスプリッタ７０６に入る。ポートＡを通じてビームスプリッタ７０６に入った光の第１の部分は、ビームスプリッタのポートＣから出る。ポートＡを通じてビームスプリッタ７０６に入った光の第２の部分は、ビームスプリッタのポートＤから出る。ポートＣを出た光の第１の部分は光導波路に沿って移動しスレーブ光源７０２に注入され、上述したように、パルス注入シーディングが生じる。スレーブ光源７０２によって生成されたスレーブ光パルスは、光導波路に放出され、マスター光パルスへと反対方向に導波路に沿って移動する。スレーブ光パルスはポートＣを通じてビームスプリッタ７０６に入る。スレーブ光パルスの第１の部分は、ポートＡからビームスプリッタ７０６を出て、第２の部分は、ポートＢからビームスプリッタ７０６を出る。
【０１２０】
ポートＡからビームスプリッタ７０６を出るスレーブ光パルスの第１の部分は、光アイソレータ７１３で阻止される。したがって、光アイソレータ７１３は、スレーブ光源７０２から放出された光がマスター光源７０３に入射しマスター光源７０３中で外乱を引き起こすことを防ぐ。ビームスプリッタ７０６のポートＤにおける出力は、モニター目的のために使用されることができる。
【０１２１】
光源から放出された光の選択的なフィルタリングは、干渉システムにおいて高品質の干渉を達成しようとするために使用されることができる。
【０１２２】
図８は、実施形態に係る干渉システムにおいて使用されることができるフィルタ付き位相ランダム化光源（filtered phase-randomised light source）８００の概略図である。実施形態では、光源８２４のコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、基板上に集積される。周波数フィルタ８２５は、図３４および図３５に関して説明されるように、光源８２４と同じ基板上に集積されることができる。図３４および図３５に関して説明されるように、他のフィルタ８２６は、同様に基板上に集積されることができる。光源８２４は、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、あるいは、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂなどの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。
【０１２３】
光源８２４は、光導波路、例えば、光ファイバーによって周波数フィルタ８２５に接続される。あるいは、光パルスは自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。実施形態では、光源８２４と周波数フィルタ８２５との間に基板上に集積された導波路領域がある。周波数フィルタはΔνの帯域幅を有する。周波数フィルタはスペクトルフィルタと呼ばれることもある。
【０１２４】
フィルタリングは、光のコヒーレンスを増大させ、したがって、干渉パターンの最終ビジビリティを向上するために、干渉システムにおいて使用されることができる。しかしながら、フィルタリングは、特定のパルスの時間ジッタに影響を与えないまたは除去しない。これは、フィルタリングが時間とは異なる光パルスの自由度または性質に作用するからである。例えば、フィルタリングは、光の周波数または偏光に影響を及ぼすことができる。一方、時間ジッタは、弱い最終の干渉ビジビリティを生じる干渉するパルスにおけるランダムな時間的遅延を表す。図８に示されるような周波数フィルタは、光パルスから帯域幅の外側の周波数を取り除く。
【０１２５】
しかしながら、過度の周波数フィルタリングの使用は、すなわち、非常に狭い帯域幅Δνを有するフィルタの使用は、干渉アプリケーションの速度を制限することがある。例えば、ガウシアンパルスに適用される狭い帯域幅を有する周波数フィルタは、下記（式１）による時間と帯域幅の積によって規定されるように、時間的なパルス幅Δｔをより広くする。
Δν・Δｔ≧０．４４      （式１）
例えば、Δν＝４４ＧＨｚを有するフィルタは、Δｔ≧１０ｐｓを必要とし、一方、Δν＝４.４ＧＨｚを有するフィルタは、１０倍以上大きいパルス幅、すなわち、Δｔ≧１００ピコセカンドを必要とする。時間幅のこの増大は周波数フィルタの望ましくない影響である。
【０１２６】
他方では、システムでの達成可能な最大速度はΔｔ−１である。したがって、Δν＝４４ＧＨｚを有するシステムの最大速度は１００ＧＨｚになり、一方、Δν＝４.４ＧＨｚを有するシステムの最大速度は、１０倍小さい、すなわち、１０ＧＨｚになる。
【０１２７】
したがって、周波数フィルタ８２５は、周波数フィルタ８２５を通過するパルスの時間幅を増大させることができる。周波数フィルタ８２５は、同じ方法で周波数フィルタ８２５を通過するすべての光パルスの位相に作用するので、周波数フィルタ８２５を通過する光パルスの相対的位相を変更しない。図８では、光源８２４から放出されたスレーブ光パルスの時間幅はΔｔである。スレーブ光パルスが周波数フィルタ８２５を通過した後に、時間幅はΔｔ'に増大される。光源８２４から放出された時のスレーブ光パルスの位相Φ１、Φ２、Φ３、…は、それらが周波数フィルタ８２５を通過した後のスレーブ光パルスの位相と同じである。
【０１２８】
過度の周波数フィルタリングの使用、すなわち、非常に狭い帯域幅を有するフィルタの使用は、さらに、量子受信機セットアップ（setup）の検出効率を低減することがある。いくつかのアプリケーション、例えば、量子通信に関連するアプリケーションでは、受信装置は、短い期間Ｔの間だけセンシティブである。過度の周波数フィルタリングはパルス幅、すなわち、時間幅Δｔを増大させることがある。システム検出効率が低減しないためには、フィルタリング後の時間幅Δｔ'は、図の下部に示される有効な検出ウィンドウＴより小さくなければならず、言い換えると、Δｔ'≦Ｔでなければならない。フィルタリング後のパルス幅がΔｔ'＞Ｔである場合、検出時刻ウィンドウＴから外れる光はすべて、受信機によって検出されないだろう。パルス時間幅Δｔ'に対する検出ウィンドウのサイズは、図の下部の白抜きの四角領域によって示される。検出ウィンドウ内には、検出ウィンドウ内のより暗い三角領域で示されるより小さな有効検出ウィンドウがある。検出ウィンドウは、オペレーターによって決定される検出器のゲート幅と一致する。光子がゲートへ遅く到着する場合には検出可能なアバランシェを生成する「より少ない時間」があるという事実に起因して、有効検出ウィンドウはより短い。言い換えると、検出ゲートウィンドウの前部分では、アバランシェを生成し、それにより光子を検出する確率がより高い。したがって、検出ウィンドウの前部分は有効検出ウィンドウである。一実施形態では、検出ウィンドウは１ｎｓであり、有効検出ウィンドウは１００ｐｓである。
【０１２９】
周波数フィルタ８２５は、光導波路、例えば、光ファイバーによって他のフィルタ８２６に接続されることができる。あるいは、光パルスは自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。実施形態では、周波数フィルタ８２５と他のフィルタ８２６との間に基板上に集積された導波路領域がある。他のフィルタ８２６は、時間幅Δｔ'または相対位相に影響を与えることなしに、パルスをクリーンにする（clean）。他のフィルタはシステムへある損失を導入するかもしれない。他のフィルタは、例えば、光パルスの偏光をクリーンにする偏光子であってもよい。他のフィルタの後の光パルスは、空のシンボルによって表わされる。これは、パルスが他のフィルタによってフィルタリングされる前よりも「よりクリーン（cleaner）」であることを示す。他のフィルタによるフィルタリングの後の持続時間は他のフィルタによるフィルタリングの前の光パルスの持続時間と同じであるとして図に示されている。これは、他のフィルタ８２６が持続時間に影響を与えずにパルスをクリーンにすることを示す。周波数フィルタ８２５はパルスの期間をΔｔからΔｔ'に増大させるが、他のフィルタでは、期間Δt'は同じである。
【０１３０】
マスター光源およびスレーブ光源を含む光源の後に、周波数、偏光、および／または、光パルスの純度（purity）を向上するための光の任意の関連する自由度におけるフィルタのセットがあり、フィルタのセットは、具体的には、帯域幅Δνが注意深く選択されなければならない周波数フィルタを含む。
【０１３１】
周波数フィルタリングは、シーディング機構自体によって部分的に行なわれる。言い換えると、シーディングがスレーブ光パルスの帯域幅を低減するので、フィルタリングはレーザーシーディングの特徴である。
【０１３２】
レーザーキャビティが空であり、レーザー発振動作が自然放出によってアクティブにされる場合、レーザー発振動作をアクティブにすることができる様々な周波数がある。これは、出力光のための広い帯域幅に変わる。しかしながら、マスター光源からの光がスレーブ光源のキャビティ内にある場合、それは、誘導放出によってレーザー発振動作をアクティブにするレーザーキャビティ内に既に存在する光である。レーザー発振動作をアクティブにする異なる周波数間に競争はなく、出力光は、マスター光のそれに非常に近い単一の周波数だけを実質的に有する。したがって、シーディングによって生成された光パルスの帯域幅は、シーディングなしに生成される場合よりも小さい。
【０１３３】
一実施形態では、過度のフィルタリング、すなわち、狭すぎる帯域幅を備えたフィルタリングを避けながら、付加的な周波数フィルタリングが追加される。周波数フィルタは、量子受信機装置の時間的ウィンドウＴとほぼ等しいパルス幅Δｔ'を発生させるために選択されることができる。これは、システム全体のパフォーマンスを損なわずに、干渉ビジビリティを最大化するだろう。
【０１３４】
他のフィルタ８２６によるフィルタリングのような周波数以外の自由度におけるフィルタリングには、フィルタリングコンポーネントによって導入される可能性のある損失以外に制限がない。
【０１３５】
次に干渉システムについて説明する。干渉システムから得られる関連のある測定は、次の（ｉ）または（ｉｉ）の形態をとることができる。
（ｉ）個別での各検出器からのカウントまたは電流または任意の他の出力形態
（ｉｉ）同時での２つの検出器からの同時カウントまたは信号（すなわち、両方の検出器がクリックするまたは両方の検出器が同じ入力に対して出力信号を提供する場合）
（ｉ）の測定は一次干渉（１ＯＩ）測定と呼ばれる。（ｉｉ）の測定は二次干渉（２ＯＩ）測定と呼ばれる。したがって、１ＯＩ測定では、他のものとは独立に単一の検出器それぞれの動作（behaviour）が関連する。２ＯＩ測定では、両方の検出器の出力間の相関が関連する。言い換えると、１ＯＩでは、関連する結果は（ｉ）であり、２ＯＩでは、関連する結果は（ｉｉ）である。
【０１３６】
一次干渉測定および二次干渉測定のいずれか１つは、すべてのシステムに関して行われることができる。いくつかのアプリケーションでは、一次干渉測定に関心があるかもしれないが、他のアプリケーションでは、二次干渉測定に関心があるかもしれない。
【０１３７】
１ＯＩおよび２ＯＩは非常に異なる結果を提供する。これは、１ＯＩが信号自体を測定するのに対し、２ＯＩが信号間の相関を測定するからである。信号間の相関および信号は異なる量である。例えば、相関が全くない２つのクリーンな信号は非常にノイズの多い相関関数を生じるのに対し、高い相関があるノイズの多い信号は、クリーンな相関出力を生じるだろう。
【０１３８】
一次相関関数は下記のように与えられる。
【数１】
2016042694.tif 000003
ここで、Ｅは、振幅が時間ｔとともに変化する電場であり、τは、２つの信号間の時間的ミスアライメント（temporal misalignment）である。式２および式３で与えられる相関関数において使用される記号τが時間ジッタを表すために使用されているのではないことに留意されたい。これらの式中の記号τは２つの信号間の時間的ミスアライメントを表わすために使用される。Ｔは測定時間ウィンドウである。ブラケットは時間ｔにわたる平均を示す。
【０１３９】
二次相関関数または「強度相関関数」は、下記のように２つの検出器からの読み出しの各対の積の平均で与えられる。
【数２】
2016042694.tif 000004
ここで、Ｉは強度であり、ｔは時間であり、τは２つの信号間の時間的な遅延である。ブラケットは時間ｔにわたる平均を示す。
【０１４０】
図９は、実施形態に係る干渉システム９００の概略図を示す。実施形態では、光源９２７のコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。干渉計９３０は、光源９２７とともに第１の基板上に集積されることができる。検出器９０７および検出器９０８は、光源９２７とともに第１の基板上に集積されることができる。あるいは、干渉計９３０および／または検出器９０７および検出器９０８は、第２の基板上に集積されていてもよい。図９に示されるような干渉システムは乱数発生器（ＲＮＧ）として使用されることができる。ＲＮＧは、狭い時間ウィンドウを有する単一光子検出器よりはむしろ、古典検出器を使用することがある。図９に示される干渉システムでは、古典光パルスおよび古典検出器は使用される。
【０１４１】
しかしながら、図９のシステムは、古典的または量子的検出シナリオで動作することができる。量子的検出を含むＲＮＧに関しては、古典検出器は単一光子検出器と取り替えられることができ、単一光子パルスが使用されることができる。ランダムビットは、強度測定よりはむしろ、クリックまたはノークリック（no-click）を測定する検出器によって決定される。
【０１４２】
このシステムでは、光源は、生成されたスレーブ光パルスを干渉させて位相関連可変出力を生成するように構成された干渉計に組み込まれ、すなわち、接続される。位相関連可変出力は多くのアプリケーションに有用である。光源９２７は、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。
【０１４３】
光源９２７は干渉計９３０に接続される。スレーブ光パルスのシーケンスは、光源９２７から放出され、干渉計９３０に入る。位相変調器９２８は、干渉計９３０の第１のアーム９３１を移動する光パルスに位相シフトを適用する。可変遅延線９３３は、干渉計９３０の第２のアーム９３２を移動する光パルスに１つのクロック周期の時間遅延を適用する。スレーブ光パルスは、干渉ビームスプリッタ９０６ｂで干渉する。干渉計９３０の第２のアーム９３２におけるパルスの上にある矢印で示されるように、１つのクロック周期の遅延は、各スレーブ光パルスが干渉ビームスプリッタ９０６ｂにおいて後続するスレーブ光パルスと干渉することと等価である。
【０１４４】
干渉計出力は、干渉するパルスの相対位相に依存し、ボックス（box）を出る２つのアームにおいて出現するパルスの可変強度によって表される。両方のアームはアプリケーションに潜在的に役立つ。古典的光パルスが使用される場合、強度は光パルスの各々について両方の検出器で測定される。いくつかの実施形態では、例えば、ＲＮＧアプリケーションでは、１つの検出器だけが使用される。図９のシステムが単一光子パルスで使用される場合、１つの検出器だけが各パルスをクリックし、ランダムビットは、強度測定によってよりむしろ、クリックまたはノークリックを測定する検出器によって決定される。
【０１４５】
干渉システム９００は一次干渉測定のために構成されてもよい。言い換えると、各検出器で独立して測定される強度は、論理ゲートによって記録され、出力される。
【０１４６】
光源９２７は、光導波路、例えば、光ファイバーによってビームスプリッタ９０６ａの１つの入力に接続される。あるいは、光パルスは自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。光源９２７とビームスプリッタ９０６ａの入力との間に基板上に集積された導波路領域があってもよい。ビームスプリッタ９０６ａの第１の出力は位相変調器９２８に接続される。
【０１４７】
位相変調器９２８によって適用される位相シフトは、電気光学位相変調器に適用される電圧によって制御されることができる。異なる電圧は各パルスに異なる位相変調を与えるように、スレーブ光パルスの通過中に位相変調器９２８に適用される。位相変調は、パルスが光源９２７から放出される時間に基づいて適用されることができる。説明されるような位相変調器は、ＬｉＮｂＯ３結晶などの、屈折率が電場強度の関数である結晶を含むことができる。あるいは、位相変調は、受動的な手段、例えば、各々が異なる固定位相差を適用するように構成された複数の固定位相素子と前記のコンポーネントの各々を選択するように構成されたスイッチとによって提供することができる。各パルスに適用される位相シフトはスイッチによって制御されることができる。位相変調器９２８は、干渉計９３０の他のコンポーネントとともに基板上に集積されていてもよい。
【０１４８】
位相変調器の出力は干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第１の入力に接続される。ビームスプリッタ９０６ａの第１の出力、位相変調器９２８および干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第１の入力は、干渉計９３０の第１のアーム９３１を形成する。
【０１４９】
ビームスプリッタ９０６ａの第２の出力は可変遅延線９３３に接続される。可変遅延線９３３は光源９２７の１クロック周期だけ光を遅延させる。あるいは、可変遅延線９３３は、クロック周期の整数倍だけ光パルスを遅延させてもよい。あるいは、固定遅延線、例えば、所望する光路長の光ファイバーのループは、可変遅延線９３３の代わりに使用される。干渉計が基板上に集積される実施形態では、干渉計は良好な干渉のために十分な精密に製造されることができるので、可変遅延線は含まれない。付加的位相調整、すなわち、２、３の波長だけによる遅延調整は、可変遅延線の代わりに、電流が印加されることができるヒーター、すなわち、抵抗器を干渉計の一方のアーム上に作ることによって含まれることができる。代替の実施形態では、固定遅延線は、例えば、一方のアームに導波路のより長いセクションを作ることによって、基板上に集積されることができる。変数または固定遅延線の出力は干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第２の入力に接続される。ビームスプリッタ９０６ａの第２の出力、遅延線９３３および干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第２の入力は、干渉計９３０の第２のアーム９３２を形成する。
【０１５０】
スレーブ光パルスの列は、位相Φ１、Φ２、Φ３、…を有して光源９２７から放出され、ビームスプリッタ９０６ａに入る。ビームスプリッタ９０６ａは、各光パルスの第１の部分を第１のアーム９３１に送り、各光パルスの第２の部分を第２のアーム９３２に送る。位相変調器９２８は、第１のアーム９３１を移動する光パルスの部分に位相シフトを適用し、それにより、位相変調器９２８を出る光パルスは、位相Φ１''、Φ２''、Φ３''、…を有する。第２のアーム９３２は可変遅延線９３３を含む。一実施形態では、可変遅延は、少なくとも１０ｐｓ以内で、光源９２７からのパルスの放出間の遅延（またはその整数倍）に一致する。システムに適している可変遅延の精度は、パルスの放出時間間の時間の期間とパルスの時間幅とに依存する。一実施形態では、例えば、１マイクロ秒ごとに１つのパルスが放出されるシステムに関する放出時間間の遅延の２０％の精度は２００ｎｓの時間精度を意味する。１００ｎｓの時間幅を有するパルスにおいては、２００ｎｓの時間精度が許容可能である。１０ｎｓ未満の時間幅を有するパルスにおいては、より高い精度の可変遅延が使用されるべきである。光源９２７から放出された第１のパルスの第２の部分および光源９２７から放出された第２のパルスの第１の部分は、干渉ビームスプリッタ９０６ｂで干渉する。次に、第２の光パルスの第２の部分および第３の光パルスの第１の部分が干渉ビームスプリッタ９０６ｂで干渉し、以下同様である。上述したように、干渉計が基板上に集積される実施形態では、干渉計が良好な干渉のために十分に正確に作製されることができるので、可変遅延線は含まれない。
【０１５１】
干渉ビームスプリッタ９０６ｂの一方の出力に接続される検出器９０７によって検出される光の強度は、連続する光パルス間の位相差（それらはランダムである）および位相変調器９２８によって適用される位相シフトに依存する。例えば同じ位相シフトが各光パルスに位相変調器９２８によって適用される場合、後続するパルス間の位相差はランダムになるだろう。したがって、各対の干渉するパルス部分に関して、ランダムな強度は、出力ビームスプリッタの出力における検出器９０７で測定される。検出器９０８は、強度の残りの部分を測定する。
【０１５２】
このようにして、光パルスの位相ランダムさは、干渉計９３０を使用して直接測定可能な強度変動に変換される。この例での干渉計は光ファイバー干渉計である。他のタイプの干渉計、例えば、マイケルソン干渉計またはリング共振器が使用されてもよい。これらのタイプの干渉計は同様に光ファイバーで構築されることができる。あるいは、干渉計は基板上に集積されることができる。干渉計９３０の第１のアーム９３１と第２のアーム９３２との間の可変遅延９３３は、光源９２７から異なる時間に放出されたスレーブ光パルス間に干渉が生じるようにされる。上述のように、干渉計が基板上に集積される実施形態では、光源９２７から異なる時間に放出されたスレーブ光パルス間での良好な干渉のために干渉計が十分に正確に作製されることができるので、可変遅延線は含まれない。干渉計遅延差（すなわち、例えば可変遅延９３３または固定遅延によって引き起こされる、第１のアーム９３１と第２のアーム９３２との間の光学遅延）を光源９２７のクロック周波数の整数倍に一致させることによって、異なるクロックサイクルで放出された光パルス間で干渉ビームスプリッタ９０６ｂにおいて干渉が生じる。例えば、可変遅延９３３または固定遅延は、光源９２７から放出されて第２のアームを移動する光パルスの部分が光源９２７から次に放出されて第１のアーム９３１を移動する光パルスの部分と干渉するように、セットされることができる。
【０１５３】
干渉ビームスプリッタ９０６ｂにおける０の位相差は、一方の検出器（例えば検出器９０７）で測定される最大強度と他方の検出器（検出器９０８）で測定される最小強度とをもたらす。他方、干渉ビームスプリッタ９０６ｂにおいてπの位相差がある場合、最小強度が検出器９０７で測定され、最大強度が検出器９０８で測定される。位相差の他の値については、各検出器で測定される中間強度があるだろう。
【０１５４】
干渉ビームスプリッタ９０６ｂにおいて、第１のアーム９３１および第２のアーム９３２を移動する光パルスは、良好な干渉のために同じ偏光を有するべきである。これは、偏光保持導波路およびコンポーネントを使用して達成されることができる。あるいは、一方のアームにおける光子の偏光は偏光コントローラを使用して制御されてもよい。干渉計が基板上に集積される実施形態では、導波路が信号の偏光を保持するので、偏光コントローラは含まれない。
【０１５５】
代替の実施形態では、干渉システムは位相変調器を含まず、位相シフトはパルスに適用されない。ビームスプリッタ９０６ａの第１の出力は、干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第１の入力に直接に接続される。ビームスプリッタ９０６ａの第２の出力は可変遅延線９３３に接続される。可変遅延線９３３は光源９２７の１クロック周期だけ光を遅延させる。あるいは、可変遅延線９３３はクロック周期の整数倍だけ光パルスを遅延させてもよい。あるいは、固定遅延線、例えば、所望の光路長の光ファイバーのループまたは集積された干渉計における導波路のより長いセクションは、可変遅延線９３３の代わりに使用される。可変または固定遅延線の出力は干渉ビームスプリッタ９０６ａの第２の入力に接続される。この場合に関する干渉ビームスプリッタ９０６ｂの一方の出力に接続される検出器９０７によって検出される光の強度は、ランダムである第１のスレーブ光パルスと第２のスレーブ光パルスとの間の位相差に依存する。可変微調整遅延線が干渉計に含まれていてもよい。
【０１５６】
下記の図１６および図１７に関連する測定を実行するために使用される実施形態では、干渉システムは位相変調器を含まず、位相シフトはパルスに適用されない。ビームスプリッタ９０６ａの第１の出力は可変微調整遅延線に接続され、次に可変微調整遅延線は干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第１の入力に接続される。干渉計が基板上に集積される実施形態では、可変遅延線は含まれない。ビームスプリッタ９０６ａの第２の出力は、所望の光路長の光ファイバーのループまたは集積された干渉計内の導波路のより長いセクションである固定遅延線に接続される。固定遅延線は、光源９２７の１クロック周期だけ光を遅延させる。固定遅延線の出力は干渉ビームスプリッタ９０６ｂの第２の入力に接続される。ランダムな位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有する光パルスは光源９２７によって放出され、各々が２つの従属パルス（dependent pulses）に分割される。従属パルスによって、２つのパルスが同じオリジナルパルスに由来し、したがって２つのパルスが同じ起源（origin）から位相を受け継ぐことが意味される。従属パルスの両方の列は、Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有する。従属パルスの列のうちの一方は、１ビット遅延である固定遅延線によって１クロック周期だけ遅延される。位相Φ'１を有する従属パルスは干渉ビームスプリッタで位相Φ'２を有する従属パルスと結合される。位相Φ'２を有する別の従属パルスは、位相Φ'３を有する従属パルスと結合され、以下同様である。結果として得られる干渉パターンは、検出器によって最終的に検出される可変振幅を有する信号である。
【０１５７】
図１０は、実施形態に係る干渉システム１０００の概略図を示す。このシステムでは、低時間ジッタ位相ランダム化光源１０２７がＱＫＤセットアップにおいて使用される。ＱＫＤセットアップは送信機および受信機を含み、送信機および受信機の各々は非対称マッハツェンダー干渉計を有する。
【０１５８】
実施形態では、光源１０２７のコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。干渉計１０３０ａは、例えば、第１の基板上に集積されていてもよい。干渉計１０３０ｂおよび／または検出器１００７および１００８は、例えば、第２の基板上に集積されていてもよい。
【０１５９】
システムは、１ＯＩ測定のために構成されることができる。
【０１６０】
このセットアップでは、１つの光パルスがそれ自体と干渉するので、干渉のビジビリティに関する時間ジッタの直接的な影響はない。しかしながら、時間ジッタの低減は、光パルスとの位相変調器および光子検出器の同期の精度を高めることができる。低減された時間ジッタを有する光パルスが位相変調器に到着する場合、位相変調器は、パルスが到着するときに、すなわち、立ち上がりまたは立ち下がりエッジでないときに、「準備ができている（ready）」可能性が高くなる。したがって、変調またはエンコーディングの精度が高まる。低減された時間ジッタを有する光パルスが光子検出器に到着する場合、パルスは検出ウィンドウ内に到着する可能性が高くなり、より多くのカウントが登録される。これは、測定されるイベントの合計数を増大させる。
【０１６１】
光源１０２７によって放出されたランダムな位相Φ'を有する光パルスは、最初のビームスプリッタ１００６ａで２つのパルスに分割される。一方のパルスはファイバーループ１０３８ａによって遅延され、その偏光は偏光ビームスプリッタ１０３６ａの前にローテータ（rotator）１０３７ａによって回転される（flipped）。干渉計が基板上に集積される実施形態では、ファイバーループ１０３８ａは導波路のより長いセクションによって実現される。他方のパルスは、位相をΦ'２からΦ''２に変更する位相変調器１０２８ａを通過する。その後に、２つのパルスは、偏光ビームスプリッタ１０３６ａで結合され、分離された時間ビンとして、受信機装置１０３５に達するまで光ファイバー１０４２に沿って直交偏光を有して移動する。
【０１６２】
受信機装置において、それらは、第２の偏光ビームスプリッタ１０３６ｂによって偏光に従って再び分離される。送信機装置１０３４において遅延されなかったパルスは、干渉計１０３０ｂの上部アームへ導かれ、送信機装置１０３４内のものと同じファイバーループ１０３８ｂによって遅延される。干渉計が基板上に集積される実施形態では、ファイバーループ１０３８ｂは導波路のより長いセクションによって実現される。受信機内の干渉計１０３０ｂのアーム間の遅延は、送信機内の干渉計１０３０ａのアーム間の遅延と一致する。一実施形態では、遅延は１クロック周期よりも短い任意の期間であり得る。１クロック周期を超える遅延は、干渉計アーム間のさらなる位相安定化を要求することがある。他方のパルスは、下部アームに入り、位相変調器１０２８ｂによって位相変調される。その後に、２つのパルスは、干渉ビームスプリッタ１００６ｂで再結合され、結果として生じるパルスは、単一光子検出器１００７および１００８によって検出される。ファイバーストレッチャー１０４０は、２つの干渉するパルス間の時間遅延を微調整するために使用される。干渉計が基板上に集積される実施形態では、ファイバーストレッチャーは図９に関して上述したように、干渉計の一方のアームにおいてヒーター素子（heater element）と取り換えられる。あるいは、干渉計全体が温度安定化され、ファイバーストレッチャーの必要がなくなる。
【０１６３】
強度変調器１０３９は、デコイ状態ＱＫＤを実施するために光源１０２７の後に随意的に追加されることができる。デコイ状態ＱＫＤに関しては、位相ランダム化の使用によりデコイ状態ＱＫＤのセキュリティが単一光子源を含むＱＫＤと同等になるので、位相ランダム化が使用される。非デコイ状態ＱＫＤにおいては、位相ランダム化は必須ではないが、それはセキュリティレベル、作動距離および最終的なセキュアキーレートを増大させる。位相ランダム化は、続けて放出される光パルス間の位相関係がランダムであることを意味する。これは、不正な盗聴者イブが彼女の測定装置をこの位相にロックする（lock）ことができず、したがってアリスのパルスについてのよい測定を行なうことができないことを意味する。
【０１６４】
減衰器１０１０は、光パルスの強度を単一光子レベルまでに低減するためにアリスの出力において含まれ、言い換えると、送信機から放出される光パルスは、平均で１パルス当たり１未満の光パルスとなる。
【０１６５】
ＱＫＤシステムは、光ファイバーケーブル１０４２によって受信機装置１０３５に接続される送信機装置１０３４を含む。送信機装置１０３４は「アリス−送信機」とラベル付けされ、受信機装置は「ボブ−受信機」とラベル付けされる。送信機装置１０３４は第１の基板上に集積されることができ、受信機装置１０３５は第２の基板上に集積されることができる。
【０１６６】
送信機装置は、光源１０２７および干渉計１０３０ａを含む。光源１０２７は、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。
【０１６７】
光源１０２７は、光導波路、例えば、光ファイバーによって最初のビームスプリッタ１００６ａの１つの入力に接続される。あるいは、光パルスは自由空間を通じてコンポーネント間を移動してもよい。光源１０２７と最初のビームスプリッタ１００６ａの入力との間に基板上に集積された導波路領域があることができる。強度変調器１０３９は、光源１０２７と最初のビームスプリッタ１００６ａとの間に随意的に接続される。最初のビームスプリッタ１００６ａの第１の出力は位相変調器１０２８ａに接続される。位相変調器は、例えば図９に関して説明したような位相変調器であることができる。位相変調器１０２８ａの出力は偏光ビームスプリッタ１０３６ａに接続される。
【０１６８】
最初のビームスプリッタ１００６ａの第２の出力はファイバーループ１０３８ａに接続される。ファイバーループ１０３８ａは光パルスを遅延させる。ファイバーループ１０３８ａの出力はローテータ１０３７ａに接続される。物理的デバイスは、偏光ビームスプリッタ１０３６ａの位置で光路１０３８ａのファイバー軸を９０度回転させることにより、ローテータ１０３７ａに関して回避されることができる。
【０１６９】
ローテータ１０３７ａの出力は偏光ビームスプリッタ１０３６ａの第２の入力に接続される。偏光ビームスプリッタ１０３６ａの出力は減衰器１０１０に接続される。
【０１７０】
受信機装置１０３５は干渉計１０３０ｂを含む。光ファイバーケーブル１０４２は偏光ビームスプリッタ１０３６ｂの入力に接続される。偏光ビームスプリッタの一方の出力はファイバーループ１０３８ｂに接続される。ファイバーループ１０３８ｂによって引き起こされる遅延は、ファイバーループ１０３８ａによって引き起こされる遅延と一致する。ファイバーループ１０３８ｂはファイバーストレッチャー１０４０に接続され、ファイバーストレッチャー１０４０は干渉ビームスプリッタ１００６ｂの第１の入力に接続される。偏光ビームスプリッタ１０３６ｂの他方の出力はローテータ１０３７ｂに接続される。ローテータ１０３７ｂの出力は、図９に関して説明したように位相変調器１０２８ｂに接続される。位相変調器１０２８ｂの出力は干渉ビームスプリッタ１００６ｂの第２の入力に接続される。干渉ビームスプリッタ１００６ｂの出力はそれぞれ単一光子検出器１００８および１００７に接続される。
【０１７１】
最初のビームスプリッタ１００６ａに入った光パルスは、干渉計１０３０ａの短いアームを移動する第１の部分および干渉計１０３０ａの長いアームを移動する第２の部分に分割される。第１の部分は位相変調器１０２８ａに入り、位相変調器１０２８ａは光パルスの第１の部分に位相シフトを適用することができる。第２の部分は、ファイバーループ１０３８ａを移動し、それにより、第１の部分より遅れて偏光ビームスプリッタ１０３６ａに入る。第２の部分は、偏光ビームスプリッタ１０３６ａに入る前にローテータ１０３７ａをさらに通過する。光パルスの第２の部分の偏光はローテータ１０３７ａによってフリップされ、それによって、第１の部分および第２の部分は、直交偏光を有し且つ第１の部分と第２の部分との間の時間遅延を有した状態で偏光ビームスプリッタを出て光ファイバーケーブル１０４２に入る。減衰器１０１０は、光パルスの強度を低減する。
【０１７２】
第１の部分および第２の部分は受信機装置１０３５内の偏光ビームスプリッタ１０３６ｂに入る。第１の部分は干渉計１０３０ｂの長いアームに送られ、第２の部分は干渉計１０３０ｂの短いアームに送られる。第２の部分は、第１の部分および第２の部分が同じ偏光を有するように、偏光を逆にフリップするローテータ１０３７ｂを通過する。その後に、第２の部分は、位相差を適用することができる位相変調器１０２８ｂを通過する。第１の部分は、第１の部分および第２の部分が干渉ビームスプリッタ１００６ｂに同時に入るように、第１の部分を遅延させるファイバーループ１０３８ｂを通過する。ファイバーストレッチャーは、これを達成するために、遅延を微調整するために使用される。
【０１７３】
第１の部分および第２の部分は干渉ビームスプリッタ１００６ｂで干渉する。単一光子検出器での測定は、２つの位相変調器において適用される位相間の位相差に依存する。
【０１７４】
位相変調器１０２８ａおよび位相変調器１０２８ｂを使用することによって、ＢＢ８４などのＱＫＤプロトコルは実現されることができる。ＢＢ８４プロトコルでは、アリスは、等しい間隔を置かれた４つの位相値から位相値をランダムに選択する。例えば、アリスは、位相変調器１０２８ａに適用される電圧を、０、π／２、πおよび３π／２の位相シフトに対応する４つの異なる値のうちの１つにランダムに設定することができる。０およびπは、第１のエンコード基底におけるビット０および１に対応付けられ、π／２および３π／２は、第２のエンコード基底におけるビット０および１に対応付けられる。
【０１７５】
ボブは、２つの値から位相値をランダムに選択する。例えば、ボブは、位相変調器１０２８ｂに適用される電圧を、０およびπ／２の位相シフトに対応する２つの値のうちの１つにランダムに設定することができる。これは、第１および第２の測定基底それぞれの間に選択に相当する。言い換えると、アリスの０およびπの値はボブの０の値（第１の基底）に適合し、アリスのπ／２および３π／２の値はボブのπ／２の値（第２の基底）に適合する。アリスもボブも、自身が値を選択したときに相手がどの値を選択したかまたは選択するかを知らない。後になって彼らは同じ規定を使用したかどうかを比較するだけである。その後に、彼らは、最終キーのために、彼らが同じ基底を使用した値を使用するだけである。
【０１７６】
位相変調器１０２８ａおよび位相変調器１０２８ｂにおいて適用される位相シフト間のゼロの位相差（すなわち、アリスによって適用された位相シフトが０であり且つボブによって適用された位相シフトが０である、またはアリスによって適用された位相シフトがπ／２であり且つボブによって適用された位相シフトがπ／２である）は、一方の検出器、例えば検出器１００７での検出と他方の検出器、検出器１００８での未検出とをもたらす。そして、πの位相差（すなわち、アリスによって適用された位相シフトがπであり且つボブによって適用された位相シフトが０である、またはアリスによって適用された位相シフトが３π／２であり且つボブによって適用された位相シフトがπ／２である）は、検出器１００８での検出と検出器１００７での未検出を意味する。２つの位相変調器間の位相差の他の値については、光子が検出器１００７で検出される有限の確率およびそれが検出器１００８で検出される有限の確率があるだろう。
【０１７７】
位相安定化は、干渉計が正確に調節されることを保証するために、ＱＫＤシステムに含まれることができる。この場合、位相安定化は、受信機干渉計内にファイバーストレッチャーを含めることによって達成される。それは送信機側で実施することもできる。位相安定化は、受信機においてカウントを見て１つの検出器だけが０の位相差に関してクリックするまで調節することによって実施される。
【０１７８】
位相変調器および単一光子検出器などのコンポーネントは、スレーブ光源の放出時間と同期されることができる。例えば、スレーブ光源、マスター光源、位相変調器および単一光子検出器はすべて、マスタークロックと同期されることができる。
【０１７９】
このシステムでは、光源はＱＫＤシステムに組み込まれている。
【０１８０】
図１１（ａ）は、実施形態に係る干渉システム１１００ａの概略図を示す。独立した２つの光源が干渉ビームスプリッタ１１０６で干渉する。出力は、干渉するパルスの相対位相に依存し、干渉ビームスプリッタを出る２つのアーム上で可変強度を有する信号によって表わされる。両方のアームがアプリケーションに潜在的に有用であり、例えば、いずれか一方のアームはＲＮＧに使用されることができる。あるいは、両アーム間の相関はＭＤＩ−ＱＫＤアプリケーションに使用されることができる。図１１（ａ）のシステムがＲＮＧに使用される場合、一次干渉測定が使用されることができる。図１１（ａ）は一次および二次のどちらも可能である。ＭＤＩ−ＱＫＤアプリケーションでは、二次干渉測定が使用される。
【０１８１】
実施形態では、第１の光源１１２７ａのコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。第２の光源１１２７ｂ、ビームスプリッタ１１０６および／または検出器１１０７および検出器１１０８のコンポーネントは、第１の基板上に集積されることができる。あるいは、第２の光源１１２７ｂは第２の基板上に集積されていてもよい。例えば、ビームスプリッタ１１０６、検出器１１０７および検出器１１０８は、第３の基板上に集積されていてもよい。
【０１８２】
このシステムでは、２つ以上の光源は、ビームスプリッタで干渉する位相ランダム化光パルスの列を発生させ、アプリケーションに有用な位相関連可変出力を発生させる。位相ランダム化光パルスの列は、周波数、偏光、および光の他の適切な自由度に高い純度を有することができ、各自由度の純度のレベルは、所望のアプリケーションによって決定されることができる。
【０１８３】
可変遅延は、パルスが干渉ビームスプリッタに同時に到着することを意味する。可変遅延は、パルスごとに異なる固有レーザー時間ジッタを考慮に入れることができない。
【０１８４】
この例では、すべてのパルスが水平（Ｈ）偏光を有する。それらは他の偏光（垂直、対角、非対角）であってもよいが、両方の経路における偏光は同じであるべきである。偏光が両方の経路において同じでない場合、干渉はビームスプリッタで生じない。
【０１８５】
光源１１２７ａは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。光源１１２７ｂは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。
【０１８６】
光源１１２７ａは可変遅延１１３３に接続される。可変遅延１１３３は、光源１１２７ａの放出時間を電気的に調整することによって削除されることができる。そして、可変遅延１１３３は干渉ビームスプリッタ１１０６の第１の入力に接続される。光源１１２７ｂは干渉ビームスプリッタ１１０６の第２の入力に接続される。可変遅延は、光源１１２７ａおよび光源１１２７ｂからのスレーブ光パルスが干渉ビームスプリッタ１１０６で干渉するように調節される。言い換えると、可変時間遅延は、時間ジッタを考慮せずに、光源１１２７ａから放出された光パルスが光源１１２７ｂから放出された光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１１０６に入るように調節される。スレーブ光パルスの低い時間ジッタは、光パルスの放出時間にほんの小さな変動があることを意味する。そのため、ビームスプリッタでの光パルス間の時間的オーバーラップは大きく、したがって、干渉ビジビリティは良好である。干渉計が基板上に集積される実施形態では、干渉計が良好な干渉のために十分に正確に作製されることができるので、可変遅延線は含まれない。
【０１８７】
水平偏光を有する且つ位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有する光パルスの列が光源１１２７ａから放出される。水平偏光を有する且つ位相φ'１、φ'２、φ'３、…を有する光パルスの列が光源１１２７ｂから放出される。光源１１２７ａから放出された光パルスは、可変遅延１１３３に入り、次に干渉ビームスプリッタ１１０６に入る。光源１１２７ｂからの光パルスは、光源１１２７ａからの光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１１０６に入る。光源１１２７ａからの各光パルスは、光源１１２７ｂからの光パルスと干渉する。検出器１１０８および１１０７において検出される強度は、干渉するパルス間の位相差に依存する。
【０１８８】
光源１１２７ａ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、図５または図６に関して説明したように、コントローラを使用して同期されることができる。光源１１２７ｂ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、図５または図６に関して説明したように、同じコントローラまたは第２のコントローラを使用して同期されることができる。第１のコントローラおよび第２のコントローラは、２つの光源からの光パルスが干渉ビームスプリッタで干渉するように同期されるべきである。検出器はコントローラと同期されることができる。例えば、第１のコントローラ、第２のコントローラ、位相変調器および光子検出器はすべて、マスタークロックと同期されることができる。
【０１８９】
図１１（ｂ）は、実施形態に係る干渉システム１１００ｂの概略図を示す。実施形態では、マスター光源１１０３、ビームスプリッタ１１０６ａ、第１のスレーブ光源１１０１および第２のスレーブ光源１１０２は、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。ビームスプリッタ１１０６ｂは、同様に第１の基板上に集積されることができる。２つのスレーブ光源が干渉ビームスプリッタ１１０６ｂで干渉する。出力は、干渉するパルスの相対位相に依存し、干渉ビームスプリッタを出る２つのアーム上で可変強度を有する信号によって表わされる。両方のアームがアプリケーションに潜在的に有用である。このシステムでは、２以上のスレーブ光源は、ビームスプリッタで干渉する位相ランダム化光パルスの列を発生させ、アプリケーションに有用な位相関連可変出力を発生させる。位相ランダム化光パルスの列は、周波数、偏光、および光の他の適切な自由度に高い純度を有することができ、各自由度の純度のレベルは、所望のアプリケーションによって決定されることができる。
【０１９０】
この実施形態では、両方のスレーブ光源は、同じマスター光源１１０３によってシードされる。したがって、同じマスターパルスによってシードされる場合に２つのスレーブ光源から放出されるスレーブ光パルスの位相は等しい。言い換えると、両方のスレーブ光パルスは、位相Φ'１、Φ'２、Φ'３を有するパルスの列を放出する。しかしながら、スレーブ光源から放出される各光パルスの位相はスレーブ光源から続いて放出される光パルスの各々の位相とランダムな関係を有し、すなわち、Φ'１はΦ'２とランダムな関係を有する。
【０１９１】
マスター光源１１０３は、前述したようなマスター光源である。それはパルスの２つ以上の列を発生させるために変形される。この実施形態では、ビームスプリッタ１１０６ａは、マスター光源１１０３と２つのスレーブ光源との間で接続される。ビームスプリッタ１１０６ａの１つの入力はマスター光源１１０３の出力に接続される。マスター光源１１０３から放出された光パルスはビームスプリッタ１１０６ａに入る。ビームスプリッタ１１０６ａの第１の出力はスレーブ光源１１０１に接続され、ビームスプリッタ１１０６ａの第２の出力はスレーブ光源１１０２に接続される。位相Φ１、Φ２、Φ３を有するマスター光パルスの列は、マスター光源１１０３から放出される。光パルスはビームスプリッタ１１０６ａに入る。各光パルスの一部分は、ビームスプリッタ１１０６ａの第１の出力を出て、各光パルスの一部分は、ビームスプリッタ１１０６ａの第２の出力を出る。ビームスプリッタ１１０６ａの両出力を出る光パルスの列は位相Φ１、Φ２、Φ３を有する。光パルスの第１の列はスレーブ光源１１０１に入り、光パルスの第２の列はスレーブ光源１１０２に入る。スレーブ光源は、入射するマスター光パルスの各々に対応するスレーブ光パルスを生成する。各スレーブ光源は、位相Φ'１、Φ'２、Φ'３を有する光パルスの列を生成する。
【０１９２】
可変遅延は、スレーブ光源１１０１からのパルスがスレーブ光源１１０２から続いて生成された光パルスと同時に干渉ビームスプリッタに到着することを意味する。干渉ビームスプリッタ１１０６ｂが基板上に集積される実施形態では、システムが良好な干渉のために十分に正確に製造されることができるので、可変遅延線は含まれない。したがって、
スレーブ光源１１０１から放出されたスレーブ光パルスΦ'１は、スレーブ光源１１０２から放出されたスレーブ光パルスΦ'２と干渉する。可変遅延は、パルスごとに異なる固有レーザー時間ジッタを考慮に入れることができない。
パルスはすべてこの例の中に水平の（H）偏光を持っている。それらは他の偏光（垂直、対角線、反対角線）にあるかもしれない。しかし、両方のパスのための偏光は同じであるべきである。偏光が両方のパスに対して同じでなければ、干渉はビームスプリッタで生じない。
【０１９３】
光源１１０１は可変遅延１１３３に接続される。干渉するビームスプリッタ１１０６ｂが基板上に集積される実施形態では、可変遅延線は含まれない。そして、可変遅延１１３３は干渉ビームスプリッタ１１０６ｂの第１の入力に接続される。光源１１０２は干渉ビームスプリッタ１１０６ｂの第２の入力に接続される。可変遅延は、光源１１０１からのスレーブ光パルスと光源１１０２から続いて生成されたスレーブ光パルスとが干渉ビームスプリッタ１１０６ｂで干渉するように、調節される。言い換えると、可変時間遅延は、時間ジッタを考慮せずに、光源１１０１から放出された光パルスが光源１１０２からの続いて放出された光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１１０６ｂに入るように調節される。一実施形態では、可変遅延はスレーブ光源クロック周期の整数倍に等しい。スレーブ光パルスの低い時間ジッタは、光パルスの放出時間にほんの小さな変動があることを意味する。そのため、ビームスプリッタでの光パルス間の時間的オーバーラップは大きく、したがって、干渉ビジビリティは良好である。
【０１９４】
光源１１０１から放出された光パルスは、可変遅延１１３３に入り、次に干渉ビームスプリッタ１１０６ｂに入る。光源１１０１からの光パルスは、光源１１０２から続いて生成された光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１１０６ｂに入る。光源１１０１からの各光パルスは光源１１０２から続いて生成された光パルスと干渉する。干渉ビームスプリッタ１１０６ｂの後の強度は、干渉するパルス間の位相差に依存する。
【０１９５】
マスター光源１１０３、スレーブ光源１１０１および１１０２はすべて、例えば図５または図６に関して説明したようなコントローラを使用して同期されることができる。
【０１９６】
図１２は、実施形態に係る干渉システム１２００の概略図を示す。
【０１９７】
実施形態では、第１の光源１２２７ａのコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。第２の光源１２２７ｂのコンポーネントもまた第１の基板上に集積されることができる。ビームスプリッタ１２０６および／または検出器１２０７ａ、検出器１２０７ｂ、検出器１２０８ａおよび検出器１２０８ｂもまた第１の基板上に集積されることができる。あるいは、第２の光源１２２７ｂのコンポーネントは第２の基板上に集積されていてもよい。例えば、ビームスプリッタ１２０６および／または検出器１２０７ａ、検出器１２０７ｂ、検出器１２０８ａおよび検出器１２０８ｂは、第３の基板上に集積されていてもよい。
【０１９８】
このシステムは図１１（ａ）に示されるシステムの変形である。このシステムでは、水平（Ｈ）偏光と垂直（Ｖ）偏光とを識別する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が含まれる。２つの光源から対角（Ｄ）偏光で生成される光パルスは、干渉ビームスプリッタに入射する。干渉ビームスプリッタを出たパルスは、ＰＢＳによってＨまたはＶ偏光に投影される。代替の実施形態では、対角以外の偏光が使用される。
【０１９９】
光源１２２７ａおよび１２２７ｂは位相ランダム化光パルスを放出する。光源１２２７ａおよび１２２７ｂは光減衰器を含むことができる。２つの光源から放出された光パルスは、平均で１パルス当たり１未満の光子を有することができる。簡単にするために、以下の説明では、光源１２２７ａおよび１２２７ｂが真の単一光子源である、すなわち、単一光子だけを放出するものと仮定する。検出器は単一光子検出器である。
【０２００】
ビームスプリッタ１２０６において、識別不可能な光子は互いを認識し、ホン−オウ−マンデル（Hong-Ou-Mandel）効果が観測され、これは、スプリッタ１２０６がトップアームから１つの光子を受け取ってボトムアームから１つの光子を受け取るとすると、両方の光子がビームスプリッタ１２０６の上側出力を出る、あるいは、両方がビームスプリッタ１２０６の下側出力を出ることを意味する。識別不可能な光子によって、２つの光子が偏光、到着時間および波長を含む任意の自由度で識別されることができないことが意味される。一方の光子が一方の出力を出て他方の光子が他方の出力を出ることは起こりえない。結果として、上側の２つの検出器１２０８ａおよび１２０７ａの両方だけがクリックするか、下側の２つの検出器１２０８ｂおよび１２０７ｂの両方だけがクリックする。例えば、「Ｖ」検出器１２０８ａおよび１２０８ｂの一方は上側の経路にあり、他方は下側の経路にあるので、「Ｖ」検出器１２０８ａおよび１２０８ｂのクリックの両方が観察されることはない。
【０２０１】
しかしながら、トップアームおよびボトムアームからの光子が識別することができる場合には、それらの間の干渉は、より低いビジビリティおよび低減されたホン−オウ−マンデル効果を有する。低減された干渉は、２つの識別不可能な光子に関しては厳密に禁止されるが、１つの光子が上側の検出器のうちの１つにおいて検出され、１つの光子が下側の検出器のうちの１つにおいて検出されることを許容する。
【０２０２】
光源でのタイミングジッターは、異なる光源からの光子と識別することを許容する。
【０２０３】
これらの異なる状況を認識し、対応する値を二次相関関数に割り当てる測定は、行なわれることができる。測定は、いくつの同時カウントが生じたか、すなわち、何回４つの検出器のうちの２つが同時にクリックされたかに関してなされることができる。さらに、個々の単一検出器からのクリックはすべて登録されることができ、それらは、一次相関関数に関する指示を与えるだろう。
【０２０４】
測定はクリックのいくつかの組み合わせを検出するためになされることができる。例えば、上側のＶ検出器および下側のＶ検出器は同時にクリックすることができ、あるいは、上側のＶ検出器および上側のＨ検出器は同時にクリックすることができる。カウントのすべては、個別のクラスに収集されることができ、後に分析されることができる。異なる統計は、異なる物理状況に対応し、異なる解釈を持つ。結果をより意味のあるものにするために、干渉出力において高いビジビリティを得ることは重要である。干渉するパルスの小さな時間ジッタおよび小さな帯域幅は、位相ランダム化と同様に、干渉ビジビリティを向上させるのに寄与する。
【０２０５】
干渉システム１２００は光源１２２７ａおよび光源１２２７ｂを含む。光源１２２７ａは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａ、７００ｂまたは７００ｃ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれか１つが使用されることができる。光源１２２７ｂは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａ、７００ｂまたは７００ｃ、或いは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれか１つが使用されることができる。言い換えると、光源１２２７ａおよび光源１２２７ｂは各々、スレーブ光源４０２への光学接続を有するマスター光源４０３を含み、フィルタをさらに含んでいてもよい。
【０２０６】
光源１２２７ａは可変遅延１２３３に接続される。可変遅延１２３３は、光源１２２７ａの放出時間を電気的に調整することによって削除されることができる。次に、可変遅延１２３３は干渉ビームスプリッタ１２０６の１つの入力に接続される。光源１２２７ｂは干渉ビームスプリッタ１２０６の第２の入力に接続される。可変遅延１２３３は、光源１２２７ａおよび光源１２２７ｂからのスレーブ光パルスが干渉ビームスプリッタ１２０６で干渉するように調節される。言い換えると、可変時間遅延は、光源１２２７ａから放出された光パルスが光源１２２７ｂから放出された光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１２０６に入るように調節される。スレーブ光パルスの低い時間ジッタは、光パルスの放出時間にほんの小さな変動があることを意味する。そのため、ビームスプリッタでの光パルス間の時間的オーバーラップは大きく、したがって、干渉ビジビリティはよい。干渉ビームスプリッタ１２０６の一方の出力は偏光ビームスプリッタ１２０６に接続される。干渉ビームスプリッタ１２０６の他方の出力は偏光ビームスプリッタ１２３６ｂに接続される。
【０２０７】
偏光ビームスプリッタ１２３６ａの第１の出力は検出器１２０８ａに接続され、第２の出力は検出器１２０７ａに接続される。偏光ビームスプリッタ１２３６ａは、垂直偏光を有する光を検出器１２０８ａに導き、水平偏光を有する光を検出器１２０７ａに導く。偏光ビームスプリッタ１２３６ｂの第１の出力は検出器１２０８ｂに接続され、第２の出力は検出器１２０７ｂに接続される。偏光ビームスプリッタ１２３６ｂは、垂直偏光を有する光を検出器１２０８ｂに導き、水平偏光を有する光を検出器１２０７ｂに導く。
【０２０８】
対角偏光を有する且つ位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有する光パルスの列が光源１２２７ａから放出される。対角偏光を有する且つ位相φ'１、φ'２、φ'３、…を有する光パルスの列が光源１２２７ｂから放出される。光源１２２７ａから放出された光パルスは、可変遅延１２３３に入り、次に干渉ビームスプリッタ１２０６に入る。光源１２２７ｂからの光パルスは、光源１２２７ａからの光パルスと同時に干渉ビームスプリッタ１２０６に入る。光源１２２７ａからの光パルスの各々は光源１２２７ｂからの光パルスと干渉する。偏光ビームスプリッタ１２３６ａに導かれた光パルスの強度および偏光ビームスプリッタ１２３６ｂに導かれた光の強度は、干渉するパルス間の位相差に依存する。
【０２０９】
光源１２２７ａ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、図５あるいは図６に関して説明したようなコントローラを使用して同期されることができる。光源１２２７ｂ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、同じコントローラあるいは図５または図６に関して説明したような第２のコントローラを使用して同期されることができる。第１のコントローラおよび第２のコントローラは、２つの光源からの光パルスが干渉ビームスプリッタ１２０６で干渉するように同期されるべきである。検出器はコントローラとどうきされることができる。例えば、第１のコントローラ、第２のコントローラおよび光子検出器はすべてマスタークロックと同期されることができる。
【０２１０】
図１３は、実施形態に係る干渉システム１３００の概略図を示す。システムは２ＯＩ測定のために構成されることができる。システムは測定装置無依存（ＭＩＤ）ＱＫＤシステムである。ＭＤＩ−ＱＫＤは、盗聴者イブ（不正であるが、この場合中継器（relay）として機能する）にアリス、ボブ（両方とも正当である）と協働させる技術である。アリスとボブは両方とも送信機装置である。
【０２１１】
実施形態では、第１の光源１２２７ａのコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積される。偏光変調器１３４１ａおよび強度変調器１３３９ａもまた第１の基板上に集積されることができる。
【０２１２】
第２の光源１３２７ｂのコンポーネントは第２の基板上に集積される。偏光変調器１３４１ｂおよび強度変調器１３３９ｂもまた第２の基板上に集積されることができる。
【０２１３】
例えば、ビームスプリッタ１３０６および／または検出器１３０７ａ、検出器１３０７ｂ、検出器１３０８ａおよび検出器１３０８ｂは、第３の基板上に集積されることができる。
【０２１４】
アリスとボブは、両方とも送信機であり、両方とも、光パルスの偏光を使用することによって、ＢＢ８４プロトコルなどの方法で彼らの情報をエンコードする。２つの光源から放出された光パルスは、平均で１パルス当たり１未満の光子を有する。情報をエンコードするために偏光を使用して、ＢＢ８４の４状態は、Ｈ（水平）、Ｖ（垂直）、Ｄ（対角）およびＡ（非対角）。ＨおよびＶは第１の基底（「Ｚ基底」）に対応付けられ、ＤおよびＡは第２の基底（「Ｘ基底」）に対応付けられている。４つの偏光状態は、特定の偏光、例えば、Ｈ偏光で光パルスを常に放出する光源を使用し、次に偏光変調器（図中でＰｏｌ  Ｍとラベルが付けられている）でパルスを変調することによって用意される。
【０２１５】
光源の各々から放出された各光パルスは独自のランダム位相を有する。これはシステムの最終セキュリティにとって重大である。アリスおよびボブによって放出されたランダム位相を有するパルスは、イブが所有する干渉ビームスプリッタで干渉し、最終的にイブの検出器によって検出される。ファイバーストレッチャーは、干渉するシステムを調整して最終的なビジビリティを増大させるために、イブによって使用される。ビームスプリッタ１３０６が基板上に集積される実施形態では、ファイバーストレッチャーは図９に関して上述したようなヒーター素子に置き換えられる。
【０２１６】
イブは、どの検出器がクリックしたかを明言し、これは、基底が一致する場合に、アリスおよびボブが、他のユーザが何の状態をエンコードしたかを理解することを可能にする。しかしながら、イブは「相対的な情報」だけを学習することができる。イブは、アリスおよびボブによってエンコードされた絶対的な情報を学習することができない。
【０２１７】
強度変調器（ＩＭ）は、デコイ状態ＭＤＩ−ＱＫＤを実施するために、光源の後に追加されることができる。デコイ状態を使用するＭＤＩ−ＱＫＤにおいては、位相ランダム化の使用はデコイ状態ＭＤＩ−ＱＫＤのセキュリティが単一光子源を含むＭＤＩ−ＱＫＤと同等になることを可能にするので、位相ランダム化は必要である。デコイ状態および非デコイ状態ＭＤＩ−ＱＫＤの両方に関しては、どんな場合にも、時間ジッタの低減は干渉ビジビリティを向上させ、したがって、ＰＢＥＲを低減し、システムの最終的なセキュアレートを増大する。
【０２１８】
干渉システムは、アリスの送信機である送信機装置１３３４ａおよびボブの送信機である第２の送信機装置１３３４ｂを含む。干渉システムは中継局１３３５をさらに含む。中継局は、信頼できないパーティー（イブ）である。アリスの送信機装置１３３４ａは光ファイバーケーブル１３４２ａを介して中継局１３３５に接続される。ボブの送信機装置１３３４ｂは同様に光ファイバーケーブル１３４２ｂを介して中継局１３３５に接続される。
【０２１９】
アリスの送信機装置１３３４ａは光源１３２７ａを含む。ボブの送信機装置１３３４ｂは光源１３２７ｂを含む。光源１３２７ａは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。光源１３２７ｂは、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。
【０２２０】
光源１３２７ｂおよび１３２７ａは、位相ランダム化光パルスを放出し、光減衰器を含んでいてもよい。２つの光源の各々から放出された光パルスは、平均で１パルス当たり１未満の光子を有することができる。簡単にするために、以下の説明では、光源が真の単一光子源であり、単一光子だけを放出するものと仮定する。検出器は単一光子検出器である。
【０２２１】
アリスの光源１３２７ａは偏光変調器１３４１ａの入力に接続される。偏光変調器は、電気的に可変な波長板を含む電気光学偏光変調器であることができる。偏光変調器は、ＬｉＮｂＯ３結晶などの、屈折率が電場強度の関数である結晶を含むことができる。強度変調器１３３９ａは、光源１３２７ａと偏光変調器１３４１ａとの間に随意的に接続されることができる。ボブの光源１３２７ｂは偏光変調器１３４１ｂの入力に接続される。強度変調器１３３９ｂは、光源１３２７ｂと偏光変調器１３４１ｂとの間に随意的に接続されることができる。
【０２２２】
光ファイバーケーブル１３４２ａは、アリスの送信機装置１３３４ａを干渉ビームスプリッタ１３０６の１つの入力に接続する。光ファイバーケーブル１３４２ｂは、ボブの送信機装置１３３４ｂを干渉ビームスプリッタ１３０６の第２の入力に接続する。
【０２２３】
干渉ビームスプリッタ１３０６の一方の出力は偏光ビームスプリッタ１３３６ａに接続される。干渉ビームスプリッタ１３０６の他方の出力は偏光ビームスプリッタ１３３６ｂに接続される。
【０２２４】
偏光ビームスプリッタ１３３６ａの第１の出力は検出器１３０７ａに接続され、第２の出力は検出器１３０８ａに接続される。偏光ビームスプリッタ１３３６ａは、垂直偏光を有する光を検出器１３０７ａに導き、水平偏光を有する光を検出器１３０８ａに導く。偏光ビームスプリッタ１３３６ｂの第１の出力は検出器１３０７ｂに接続され、第２の出力は検出器１３０８ｂに接続される。偏光ビームスプリッタ１３３６ｂは、垂直偏光を有する光を検出器１３０７ｂに導き、水平偏光を有する光を検出器１３０８ｂに導く。
【０２２５】
水平偏光を有する且つ位相Φを有するスレーブ光パルスがアリスの光源１３２７ａから放出される。水平偏光を有する且つ位相Φ'を有するスレーブ光パルスがボブの光源１３２７ｂから放出される。アリスの光源１３２７ａから放出された光パルスは偏光変調器１３４１ａに入る。偏光変調器１３４１ａは、光パルスの偏光を、４つの選択肢Ｈ、Ｖ、ＤおよびＡの１つへ変調する。ボブの光源１３２７ｂから放出された光パルスは偏光変調器１３４１ｂに入る。偏光変調器１３４１ｂは、スレーブ光パルスの偏光を、４つの選択肢Ｈ、Ｖ、ＤおよびＡの１つへ変調する。
【０２２６】
言い換えると、アリスおよびボブは、図１３に示される４つの異なる偏光状態Ｈ、Ｖ、Ｄ、Ａのうちの１つの状態の位相ランダム化弱コヒーレント光パルスを用意する。各光パルスの偏光状態は、偏光変調器（Ｐｏｌ−Ｍ）を用いて信号ごとに独立してランダムに選択される。状態ＨおよびＶは第１の基底（「Ｚ基底」）に対応付けられ、状態ＤおよびＡは第１の基底（「Ｘ基底」）に対応付けられる。アリスは、周知のＢＢ８４プロトコルなどの場合、ビット０をエンコードするためにＨまたはＤを使用し、ビット１をエンコードするためにＶまたはＡを使用する。言い換えると、アリスの光パルスに関するＨまたはＤの偏光はビット０を表し、アリスの光パルスに関するＶまたはＡの偏光はビット１を表す。
【０２２７】
光パルスは、光ファイバーケーブル１３４２ａおよび１３４２ｂに沿って中継局１３３５へと送信される。ボブの送信機装置１３２７ｂからの光パルスはファイバーストレッチャー１３４０を通過する。ファイバーストレッチャーは、ボブの送信機からの光パルスおよびアリスの送信機からの光パルスが干渉ビームスプリッタ１３０６に同時に入るように調節される。送信機の放出時間が電気的に調整されることができる場合、ファイバーストレッチャーは削除されることができる。
【０２２８】
測定装置すなわちイブの中継局１３３５内では、アリスおよびボブからの信号は干渉ビームスプリッタ１３０６で干渉する。干渉ビームスプリッタ１３０６の一方の出力は偏光ビームスプリッタ１３３６ａに接続され、干渉ビームスプリッタ１３０６の他方の出力は偏光ビームスプリッタ１３３６ｂに接続される。偏光ビームスプリッタは、入力光子をＨ偏光状態とＶ偏光状態とのいずれかに投影する。４つの単一光子検出器が光子を検出するために使用され、検出結果は公に知らされる。成功した測定は、トリガーされたちょうど２つの検出器（直交偏光に関連付けられている）の観測に対応する。上側のＨ検出器１３０８ａおよび下側のＶ検出器１３０７ｂにおけるクリックまたは上側のＶ検出器１３０７ａおよび下側のＨ検出器１３０８ｂにおけるクリックは、量子状態｜ψ（−）＞＝（｜ＨＶ＞−｜ＶＨ＞）／√２へのプロジェクションを示し、上側のＨ検出器１３０８ａおよび上側のＶ検出器１３０７ａにおけるクリックまたは下側のＶ検出器１３０７ｂおよび下側のＨ検出器１３０８ｂにおけるクリックは、量子状態｜ψ（＋）＞＝（｜ＨＶ＞＋｜ＶＨ＞）／√２へのプロジェクションを示す。（ＨＨ）および（ＶＶ）を除くアリスおよびボブによってエンコードされた偏光の任意の組み合わせは、｜ψ（＋）＞という結果になる。
【０２２９】
測定の結果が公衆チャネル上で公開された後に、ユーザのアリスおよびボブは、基底に関する選択、すなわち、第１または第２（ＺまたはＸ）のどちらであるかを公開する。ＢＢ８４プロトコルなどでは、ユーザは、彼らが偶然に異なる基底を選択したデータをすべて破棄し、彼らが同一の基底を選択したインスタンスだけを維持する。
【０２３０】
状態｜ψ（−）＞が測定において公表され、両方のユーザが第１の基底すなわちＺ基底を選択した場合、彼らは、彼らの状態が｜ＨＶ＞または｜ＶＨ＞だけであり得ることを理解する。そのため、ボブが状態Ｖを用意した場合、彼は、アリスが状態Ｈを用意したはずであることを確実に理解し、結果をビット０としてデコードする。ボブがＨを用意した場合、彼は、アリスがＨを用意したことを理解し、結果をビット１としてデコードする。この種の遠隔鍵共有は、４つの偏光状態すべてに関して、並びに、中継局によって得られ公表された結果の両方に関して、繰り返されることができる。
【０２３１】
光源１３２７ａ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、図５または図６に関して説明したようなコントローラを使用して同期されることができる。光源１３２７ｂ内のマスター光源およびスレーブ光源は、例えば、図５または図６に関して説明したような第２のコントローラを使用して同期されることができる。第１のコントローラおよび第２のコントローラは、２つの光源からの光パルスが干渉ビームスプリッタ１３０６で干渉するように同期されるべきである。検出器および偏光変調器もまたコントローラと同期されることができる。例えば、第１のコントローラ、第２のコントローラ、偏光変調器および光子検出器はすべて、マスタークロックと同期されることができる。
【０２３２】
パルスシード（pulse-seeded）光源は、低ジッタＳＰＤＣ放射を生成するために使用されることもできる。ＳＰＤＣ放射およびそれから予告された（heralded）光子の生成は、コヒーレント非位相ランダム化レーザーポンプ（coherent, non-phase randomised laser pumps）を使用して実行されることができる。ポンプの時間ジッタを低減するために、大型の（bulky）モードロックレーザーが使用されることができる。単一光子は、コヒーレントレーザーポンプによって発生されるＳＰＤＣを使用して生成されることができる。ポンプがパルス化される場合、大型のモードロックレーザーは低い時間ジッタを達成するために使用されることができる。そのようなシステムは大型になる。モードロックレーザーからの光はコヒーレントでなくてもよい。ＳＰＤＣを使用する代替の光源が以下に説明される。
【０２３３】
図１４は、ＳＰＤＣ光源１４００を示す。光源１４２７は、自発的パラメトリックダウンコンバージョンセットアップに組み込まれている。光源１４２７は、低時間ジッタ位相ランダム化光源であり、自発的パラメトリックダウンコンバージョン（ＳＰＤＣ）セットアップ内でポンプとして使用される。ランダム位相を有するスレーブ光パルスは光源１４２７によって放出される。スレーブ光パルスは、ゼロでない二次磁化率χ（２）を有する非線形結晶に注入される。そのような結晶の例は、ＢＢＯ結晶（ベータホウ酸バリウム結晶）、ＬｉＮｂＯ３結晶（ニオブ酸リチウム結晶）およびＰＰＬＮ結晶（周期的分極反転ニオブ酸リチウム結晶）を含む。スレーブ光パルスは「ポンプ」光子として働く。光源１４２７は、位相ランダム化光パルスを放出し、光減衰器を含むことができる。光源１４２７から放出された光パルスは、平均で１パルス当たり１未満の光子を有することができる。簡単にするために、以下の説明では、光源１４２７が真の単一光子源であり、単一光子だけを放出するものと仮定する。
【０２３４】
位相一致条件下では、オリジナルのポンプ光子は、「信号」光子および「アイドラー」光子と呼ばれる２つの光子へ分割される。位相一致条件は、エネルギー保存則および運動量保存則に対応する。２つの隣接する信号光子または２つの隣接するアイドラー光子の相対電磁気位相はランダムであり、生成された光子の時間ジッタは小さい。光子対の時間ジッタは、結晶からの放出時間および光源１４２７の時間ジッタの両方に起因する。光源１４２７は低い時間ジッタを有し、時間ジッタの主要因は結晶である。しかしながら、ポンプ光源が高い時間ジッタを有する場合、それは、光子対の時間ジッタ全体の主要因になり得る。
【０２３５】
光源１４２７は、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。位相Φ１、Φ２、Φ３、…を有する光パルスの列が光源１４２７から放出される。各光パルスの位相は続いて放出される光パルスの各々の位相とランダムな関係を有する。光源１４２７のコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積されることができる。非線形結晶１４４３はまた、例えば図３３に関して説明するように、光源１４２７と他の基板上の非線形結晶とをフリップチップ接続することによって基板上に集積されることができる。
【０２３６】
光パルスは非線形結晶１４４３へと放出される。非線形結晶は、単一光子光パルスの各々を１対の光子に分割し、それらは結晶から放出される。１対の光子は、オリジナルの光子のエネルギーおよび運動量と等しい結合されたエネルギーおよび運動量を有する。１対の光子の状態がエンタングルされる場合、当該１対の光子の偏光は全く決定されることがなく、あるいは、１対の光子が積状態である場合、当該１対の光子はポンプ光子と同じであることができ、使用される結晶とポンプ条件とに依存している。広い範囲の偏光および偏光の組み合わせを得ることができる。
【０２３７】
光子のうちの１つは信号光子であり、光子のうちの１つはアイドラー光子である。特定の条件および結晶が使用される場合、１対の光子はエンタングルされた光子対である。信号光子は、位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有し、アイドラー光子は位相Φ''１、Φ''２、Φ''３、…を有する。各対では、光子は位相で関連付けられている。結晶とポンプに対するその角度とに応じて、異なる位相マッチング条件が可能であり、アイドラー光子および信号光子に関して異なる放出角になる。同一直線上および非同一直線上の放出は両方とも標準的なI型およびII型結晶で可能である。
【０２３８】
光源は、スレーブ光源を含むポンプと、各マスター光パルスの位相が続いて生成されたマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように構成され、これらの光パルスを上記のスレーブ光源に供給するようにさらに構成されたマスター光源と、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、マスター光パルスが受信される各期間中にただ１つのスレーブ光パルスが生成されるように、周期信号を上記の少なくとも１つのスレーブ光源に供給するように構成されたコントローラと、を備える。
【０２３９】
光源は、非線形結晶をさらに備え、この非線形結晶は、スレーブ光パルスが非線形結晶に入射した場合に、２つの光パルスが自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって生成されることができるように構成される。
【０２４０】
非線形プロセスによる２つの光パルスの生成は非効率的であり、そのため、高い強度を有するスレーブ光パルスが使用されることができる。
【０２４１】
マスター光パルスは、第１の時間ジッタを有して生成されることができ、スレーブ光パルスは、第１の時間ジッタよりも小さい第２の時間ジッタを有して生成されることができる。
【０２４２】
ポンプ帯域幅、すなわち、光源１４２７の帯域幅が小さくても、ＳＰＤＣ光源１４００は広帯域であることができる。
【０２４３】
光の位相ランダム化パルスは、位相がランダム化された高品質の自発的パラメトリックダウンコンバージョン（ＳＰＤＣ）および予告された単一光子生成において使用されることができる。
【０２４４】
図１５は、実施形態に係る干渉システムの概略図を示す。実施形態では、光源１５２７のコンポーネントは、図１８から図３６に関して説明されるように、第１の基板上に集積されることができる。非線形結晶１４４３もまた、例えば、図３３に関して説明するように、光源１４２７と他の基板上の非線形結晶とをフリップチップ接続することによって基板上に集積されることができる、。ＱＫＤシステム１５４５のコンポーネントもまた基板上に集積されることができる。光源１５２７は、自発的パラメトリックダウンコンバージョンセットアップに組み込まれる。光源１５２７は、低時間ジッタ位相ランダム化光源であり、自発的パラメトリックダウンコンバージョン（ＳＰＤＣ）セットアップにおいてポンプとして使用される。ランダムな位相を有するスレーブ光パルスは光源１５２７によって放出される。スレーブ光パルスは、ゼロでない二次磁化率χ（２）を有する非線形結晶に注入される。そのような結晶の例は、ＢＢＯ結晶（ベータホウ酸バリウム結晶）、ＬｉＮｂＯ３結晶（ニオブ酸リチウム結晶）およびＰＰＬＮ結晶（周期的分極反転ニオブ酸リチウム結晶）を含む。スレーブ光パルスは「ポンプ」光子として働く。光源１４２７は、位相ランダム化光パルスを放出し、光減衰器を含むことができる。
【０２４５】
位相マッチング条件下では、オリジナルのポンプ光子は、「信号」光子および「アイドラー」光子と呼ばれる２つの光子に分割される。位相マッチング条件は、エネルギー保存則および運動量保存則に対応する。２つの隣接する信号光子またはアイドラー光子の相対的な電磁気位相はランダムであり、生成された光子の時間ジッタは小さい。光子対の時間ジッタは主として光源１５２７の時間ジッタに起因する。
【０２４６】
光源１５２７は、図４に示される位相ランダム化光源４００、図５に示される位相ランダム化光源５００、図６に示される位相ランダム化光源６００、図７に示される位相ランダム化光源７００ａまたは７００ｂ、あるいは図８に示される位相ランダム化光源８００などの光源である。これらの光源のいずれかが使用されることができる。位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有する光パルスの列が光源１５２７から放出される。各光パルスの位相は、続いて生成される光パルスの各々の位相とランダムな関係を有する。
【０２４７】
光パルスは、非線形結晶１５４３へと放出される。非線形結晶は、単一光子光パルスの各々を１対の光子に分割し、これらの光子は、結晶から放出される。１対の光子は、オリジナルの光子のエネルギーおよび運動量と等しい結合されたエネルギーおよび運動量を有する。１対の光子の状態がエンタングルされる場合、当該１対の光子の偏光は全く決定されることがなく、あるいは、１対の光子が積状態である場合、当該１対の光子はポンプ光子と同じであることができ、使用される結晶とポンプ条件とに依存している。広い範囲の偏光および偏光組み合わせを得ることができる。
【０２４８】
光子のうちの１つは信号光子であり、光子のうちの１つはアイドラー光子である。特定の条件および結晶が使用される場合、１対の光子はエンタングルされた光子対であることができる。信号光子は、位相Φ'１、Φ'２、Φ'３、…を有し、アイドラー光子は位相Φ''１、Φ''２、Φ''３、…を有する。結晶とポンプに対するその角度とに応じて、異なる位相マッチング条件が可能であり、アイドラー光子および信号光子に関して異なる放出角になる。同一直線上および非同一直線上の放出は両方とも標準的なI型およびII型結晶で可能である。
【０２４９】
信号光子出力はＱＫＤシステム１５４５に接続される。そのため、ＳＰＤＣ光源１５００はＱＫＤシステムのための光源である。例えば、ＳＰＤＣ光源１５００は、図１０の光源１０２７または図１３の光源１３２７ａおよび１３２７ｂの少なくとも一方の代わりになる。アイドラー光子は廃棄されることができる。
【０２５０】
あるいは、図１５に示されるように、アイドラー光子出力は偏光ビームスプリッタ１５３６に接続されていてもよい。偏光ビームスプリッタは、垂直偏光された光を検出器１５０７に送り、水平偏光された光を検出器１５０８に送る。
【０２５１】
図１５に示されるシステムでは、単一光子検出器１５０７および１５０８のうちの１つがクリックするごとに、予告された単一光子は生成される。クリックは、どの検出器がファイアーされた（fired）かに依存して、特定の偏光状態にある単一光子の用意を予告する。結晶からの光子は単に１対で放出される。したがって、アイドラー光子が検出器のうちの１つによって検出される場合、これは、他の経路に信号光子があることを示す。適切な結晶および条件が使用される場合、出現する２つの光子状態はエンタングルされることができる（例えば上述したＭＤＩ−ＱＫＤシステムにおいて得られる状態に似ている）。適切な結晶および条件が使用される場合に結晶から出現するエンタングルされた状態は、｜ψ（−）＞＝（｜ＨＶ＞−｜ＶＨ＞）／√２である。この場合において、アイドラー光子がＶ検出器１５０７で検出される場合、信号光子はＨ偏光を有しなければならない。アイドラー光子がＨ検出器１５０８で検出される場合、信号光子はＶ偏光を有しなければならない。
【０２５２】
光源１５２７、結晶、および偏光ビームスプリッタと検出器配置とを備えるＳＰＤＣ光源１５００、ＱＫＤシステムまたはＭＤＩ−ＱＫＤシステム１５４５のための単一光子源である。信号光子は、非線形結晶１５４３をポンプする光源１５２７からランダムな位相を直接に受け継ぐ。そして、これらの光子は、例えば、それらの位相をランダム化するためのさらなるコンポーネントを含むことなしに、デコイ状態を有してＱＫＤまたはＭＤＩ−ＱＫＤセットアップにおいてすぐに使用されることができる。
【０２５３】
光源は、低い時間ジッタを有するＳＰＤＣ光子を発生させるコンパクトで低価格なポンプ源である。パルスＳＰＤＣ放出は、低い時間ジッタを有する位相ランダム化ポンプから生成される。
【０２５４】
図１６（ａ）は、２つの他の識別不可能な変換制限された（transform-limited）パルス間の時間的ミスアライメントの関数として一次干渉ビジビリティのシミュレーションの結果を示す。
【０２５５】
一次干渉ビジビリティは下記で与えられる。
Ｖ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）      （式４）
ここで、ＩｍａｘおよびＩｍｉｎは、検出器のうちの１つ、図９の検出器９０８または９０７によって登録された最大および最小の強度である。時間的ミスアライメントは２つの干渉する光波間のオーバーラップを低減する。時間的ミスアライメントがパルスの時間的な幅よりはるかに大きいという極端な場合、時間的なオーバーラップはなく、対応するビジビリティはゼロになるだろう。
【０２５６】
シミュレーションは、時間的ミスアライメントおよび帯域幅が低減するにつれて一次ビジビリティがどのように改善する（すなわち増大する）かを示す。上述したように、光源は、スレーブ光源に光パルスを注入するマスター光源を含むことができる。そして、生成されたスレーブ光パルスは、干渉装置において使用されることができる。生成されたスレーブ光パルスは低い時間ジッタおよび小さな帯域幅を有し、したがって、一次干渉ビジビリティはよくなる。
【０２５７】
光パルスは特定の周波数スペクトルを有した状態で放出される。このスペクトルは、例えば、ガウス型であることができる。帯域幅は、おおよそこのガウス型スペクトルの幅に対応する。よい干渉ビジビリティは、２つの識別不可能なパルスがある場合に得られる。帯域幅が大きい場合、パルスは多くの異なる周波数を含む。それとは逆に、狭い帯域幅においては、パルスはより識別不可能である。単一周波数帯幅においては、パルスは必ず識別不可能である。
【０２５８】
縦軸は対数目盛での一次ビジビリティであり、それは０〜１まで示される。横軸は対数目盛での時間ジッタ関連時間的ミスアライメント（ｐｓ）であり、それは０から２０まで示される。時間ジッタ関連ミスアライメントは、干渉装置（例えばビームスプリッタ）における２つの干渉するパルスの到着時間の差である。図は、３つの異なる帯域幅Δ＝｛２０，５０，８０｝ＧＨｚに関して、例えば時間ジッタによって引き起こされた時間的ミスアライメントによって干渉するパルスのビジビリティがどのように影響されるかを示す。実線は、２０ＧＨｚの帯域幅を有するパルスに関するビジビリティを示す。破線は、５０ＧＨｚの帯域幅を有するパルスに関するビジビリティを示す。点線は、８０ＧＨｚの帯域幅を有するパルスに関するビジビリティを示す。
【０２５９】
３つの線すべてにおいて、０の時間的ミスアライメントでの一次ビジビリティは１である。３つの線すべてにおいて、時間的ミスアライメントが増大するほど、一次ビジビリティは低減する。具体的には、一次ビジビリティは時間的ミスアライメントが増大する限り低減する。さらに、帯域幅が大きいほど、一次ビジビリティは小さくなる。一次ビジビリティは、８０ＧＨｚの帯域幅で最も速く低減し、２０ＧＨｚで最も遅く低減する。
【０２６０】
破線矢印は、一次ビジビリティがパルスシーディングによってどのように影響されるかを示す。光源のパルスシーディングは、それが時間ジッタ関連時間的ミスアライメントを低減すること、およびそれがさらに光の帯域幅を低減することという二重の効果を有する。これらの結果を合わせたものは、パルスシーディングのないものよりも大幅に高い一次ビジビリティをもたらすことができる。言い換えると、レーザーシーディングが時間ジッタおよび帯域幅の両方をより小さくするので、レーザーシーディングが使用される場合に一次ビジビリティが増大する。
【０２６１】
図８に関して説明したフィルタ技術もまた帯域幅を低下することができる。上述したように、フィルタ技術は時間ジッタに影響を及ぼさない。
【０２６２】
図１６（ｂ）および図１７（ｂ）は、図９に関して上述した装置を使用して実行された干渉実験による測定結果を示す。干渉測定は、１ＧＨｚのクロックレートおよび１ｎｓの遅延を有する非対称マッハツェンダー干渉計を使用して実行された。スペクトルフィルタリングは使用しなかった。隣接するクロックのレーザーパルスはマッハツェンダー干渉計の出力で干渉する。干渉測定は、シーディング有りとシーディング無しの両方について行なわれ、比較される。時間ジッタは、シーディング無しでの７．５ｐｓからシーディング有りでの５.５ｐｓへと２５％以上低減される。光の帯域幅も低減され、全体のビジビリティは、シーディング無しでの７０％の値からシーディング有りでの９２％の値に向上される。
【０２６３】
図１６（ｂ）は、レーザーシーディングが使用される場合に、予期されるビジビリティピークがどのようにその最大値に接近するかを示す。横軸は、検出器のうちの１つ（例えば検出器９０８）で測定された光の任意単位での強度を示す。強度は０から１５０まで示される。これらの強度スケールは概略的な理解のためのものである。示された「０」強度は絶対的な０の強度を意図するものではない。縦軸は、検出器によって測定された各強度について０から３％までの百分率の確率を示す。
【０２６４】
白抜きの四角は、測定された各強度の確率を示す。シーディングを用いない単一パルス光源（例えば図１の光源１０２などの光源）は、光パルスを供給するために使用される。確率は強度の全体にわたって約１％である。黒塗りの円は、シーディングを用いて（すなわち、スレーブ光源にパルスを注入するマスター光源を含んでいて、スレーブ光パルスが干渉に使用される）測定された各強度の確率を示す。確率は、最大強度および最小強度において約３％でピークになる。位相（ｘ）に対する強度の依存が、ｘ＝０で最も大きくなり、Ｘ＝π／２で最も小さくなるｃｏｓ２ｘ関数の形をとるので、ピークが観察される。
【０２６５】
図１７（ａ）は、レーザーシーディングが使用される場合に二次干渉ビジビリティがどのように増大するかを示すシミュレーションである。２ＯＩビジビリティは、単一の高速フォトダイオードを使用する図２または図１１に示されるセットアップを使用して測定されることができる。検出器２０７が、レーザーのクロックと同期して干渉結果をサンプリングする高帯域フォトダイオードであるとする。例えば、レーザーダイオードが１ＧＨｚで動作する場合、サンプリングレートは１ＧＨｚである。測定結果は一連の強度値Ｉ（１）、Ｉ（２）、…、Ｉ（ｎ）…であり、ここでｎはサンプリングのクロック番号を表す。我々は、下記式を使用して二次相関関数（ＣＦ）を計算することができる。
ＣＦ＝＜Ｉ２（ｎ）＞／＜Ｉ（ｍ）Ｉ（ｎ）＞
ここで＜・＞は統計的平均であり、ｍ≠ｎである。
【０２６６】
二次ビジビリティ（Ｖ）および二次相関関数（ＣＦ）は、関係ＣＦ＝１＋Ｖ／２によって関連付けられる。
【０２６７】
レーザーシーディングは、時間ジッタおよび帯域幅の両方をより小さくし、それにより、二次干渉ビジビリティを増大させる。シーディングなしでは、光の帯域幅は２２ＧＨｚであり、シーディング有りでは、光の帯域幅は３６ＧＨｚに低減される。シーディング有りとシーディング無しでのパルスに関する帯域幅の測定である図１７（ｂ）に関して後述される相関関数からのデータおよび図１６（ａ）に示されるシミュレーションからのデータはすべて、この図において曲線を描くために使用される。
【０２６８】
縦軸は対数目盛での二次ビジビリティであり、それは０.５から１まで示される。横軸は、対数目盛での時間ジッタ関連時間的ミスアライメント（ｐｓ）であり、それは０から１０まで示される。実線は、２２ＧＨｚの帯域幅を有し、シーディングを用いたパルスに関する二次ビジビリティを示す。破線は、３６ＧＨｚの帯域幅を有し、シーディングを用いないパルスに関する二次ビジビリティを示す。
【０２６９】
両方の線において、０の時間的ミスアライメントでの二次ビジビリティは１である。両方の線において、時間的ミスアライメントが増大するにつれてビジビリティは低減する。具体的には、ビジビリティは、時間的ミスアライメントが増大する限り低減する。さらに、帯域幅が大きいほど、ビジビリティは小さくなる。二次ビジビリティは、３６ＧＨｚの帯域幅で最も速く低減し、２２ＧＨｚで最も遅く低減する。
【０２７０】
矢印は、二次ビジビリティがパルスシーディングによってどのように影響されるかを示す。光源のパルスシーディングは、それが時間ジッタ関連時間的ミスアライメントを低減すること、およびそれがさらに光の帯域幅を低減することという二重の効果を有する。
２倍の効果がある: これらの結果を合わせたものは、パルスシーディングを用いないよりも非常に高い二次ビジビリティをもたらすことができる。言い換えると、レーザーシーディングが時間ジッタおよび帯域幅の両方をより小さくするので、レーザーシーディングが使用される場合、ビジビリティは増大する。矢印は、シーディングを用いずに得られる始点（３６ＧＨｚの帯域幅の曲線上の白丸で示される）を、シーディングを用いて得られた終点（２２ＧＨｚの曲線上の黒丸で示される）に接続する。パルスシーディング技術は、約７０％から約９２％に実験のビジビリティを向上させる。
【０２７１】
図１７（ｂ）は、シーディングを用いて得られた結果（黒丸）およびシーディングを用いずに得られた結果（白丸）に関する相関関数を示す。測定は、単一高速フォトダイオードを使用して、図２に示されるセットアップを使用して、１ＧＨｚのクロックレートで測定された。示されたデータは下記の通りである。
＜Ｉ（ｎ＋Δ）Ｉ（ｎ）＞／＜Ｉ（ｍ）Ｉ（ｎ）＞
ここで、Δは、横軸に示される遅延に対応するクロック番号差であり、ｍおよびｎ（ｍ≠ｎ）は、サンプリング時間を表す任意の整数である。ブラケットは統計的平均を示す。縦軸は、１から１.５まで示される相関関数である。０ｎｓの遅延では、相関関数の理想値は１.５である。シーディングなしでは、１.３５までの値だけが達成されることができる（白抜きの四角）。シーディング有りでは、この値は１.４６まで増大される（黒丸）。相関関数は、シーディングが有効にされる場合に、予期されるビジビリティピークがその最大値に接近することを示す。相関関数の最大値は１.５である。シーディングを用いて１.４６の値が得られる。
【０２７２】
利得スイッチレーザーによる位相ランダム化光パルスの生成は時間ジッタによって影響を及ぼされる場合がある。レーザーの光は、ランダムで予測不可能なプロセスである自然放出によって最初に生成される。光は誘導放出によって増幅される。レーザーパルスは、自然放出の寄与によりランダムな時間に放出される。多くのアプリケーションでは、確定的な放出時間は有益である。スレーブ利得スイッチレーザーの時間ジッタは、マスターレーザーである別の利得スイッチレーザーでスレーブ利得スイッチレーザーをシーディングすることによって低減されることができる。スレーブレーザーの放出は、自然放出ではなくマスターレーザーのシーディングパルスによって引き起こされ、したがって、放出時間ジッタが低減される。それでもやはりマスターレーザーが自然放出によってトリガーされるので、位相ランダム化が維持される。
【０２７３】
上述された光源は、ビジビリティ、速度および効率の点において高いパフォーマンスで、位相ランダム化量子および古典光学干渉において使用することができる。光源は、システムの複雑さなしで、位相ランダム化光パルスによって、良好なビジビリティ、時間分解能およびスペクトル分解能を有する。
【０２７４】
パルス注入シーディングは、干渉アプリケーションとともに使用される。パルス注入シーディングで生成されたパルスの低減された時間ジッタおよび帯域幅は、干渉ビジビリティを向上させる。注入されたパルスの位相ランダム化は、生成されたスレーブパルスがランダム化された位相を有することを意味する。これは、特にデコイ状態で実施される場合において、ＱＫＤおよびＭＤＩ−ＱＫＤシステムのセキュリティを高めることに寄与する。
【０２７５】
図１８は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、半導体基板１８４７上に集積されている。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、端面発光レーザーであり、基板１８４７上で横方向に連結されている。光は、層の面内に放出され、すなわち、層の積層方向に垂直な方向に放出される。
【０２７６】
マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、半導体レーザー、例えば、利得スイッチレーザーまたは発光ダイオードである。
【０２７７】
マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、基板１８４７の第１の表面上に集積される。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、基板１８４７の第１の表面と実質的に平行である第１の面内に互いに対して配置される。光は、第１の面内でマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１から放出される。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、マスター光源１８０４から放出された光がスレーブ光源１８０１のアパーチャに入るように構成される。マスター光源１８０４は各マスター光パルスの位相が続いて生成されたマスター光パルスの各々の位相とランダムな関係を有し、マスター光パルスをスレーブ光源１８０１に供給するように、マスター光パルスを間欠的に生成するように構成される。コントローラは、マスター光パルスが受信される各期間中にただ１つのスレーブ光パルスだけが生成されるように、且つ、各スレーブ光パルスの位相が続いて生成されるスレーブ光パルスの各々の位相とランダムな関係を有するように、時間変化駆動信号をスレーブ光源１８０１に適用するように構成される。
【０２７８】
図１８に示される光学デバイスは、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）によって成長されることができる。ＭＯＶＰＥは、プロセス中に複数回のオーバーグロース（overgrowth）ステップがあるので、適している。デバイスは、モノリシックに集積するアプローチを使用して成長されることができ、あるいは、図３３に関して説明するように、他のキャリア上にフリップチップ接続されることができる。
【０２７９】
光学デバイスは、基板１８４７上にさらに集積された調整素子（tuning element）１８４９を随意的に含んでいてもよい。調整素子は、マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間に第１の面内に配置されることができる。
【０２８０】
調整素子１８４９は、例えば、位相変調器であることができる。調整素子１８４９が位相変調器である場合、このセクションへの電圧の変更は、屈折率を変更し、それにより、スレーブ光源１８０１に注入される光の位相を変更する。これは、スレーブ光パルスの位相変調が外部の位相変調器なしで達成されることを可能にする。位相変調器は、スレーブ光源１８０１が位相変調器とマスター光源１８０４との間にあるように、スレーブ光源１８０１の後に位置されることもできる。
【０２８１】
あるいは、調整素子１８４９は強度変調器であってもよい。
【０２８２】
調整素子は、例えば、マスターレーザーから来る光を減衰させる材料の薄スラブまたは微小レンズであってもよい。
【０２８３】
さらなるセクションが含まれていてもよい。例えば、デバイスは、デコイ状態を生成するための強度調整素子および真空状態を生成するための強度調整素子を含んでいてもよい。デバイスは、例えば、第１の強度変調器がデコイレベルを生成するために使用され、第２の強度変調器が真空レベルを生成するために使用されるように２以上の強度変調器を含んでいてもよい。あるいは、デバイスは、単一の強度変調器を含むことができ、両方のレベルがこの単一の強度変調器で生成される。
【０２８４】
一実施形態では、基板はＩｎＰである。ＩｎＰ基板は、その結晶構造がテレコム帯域のエネルギーでの放出を可能にするので、テレコム波長で動作するデバイスにおいて使用されることができる。あるいは、基板としてＧａＡｓを使用することが可能である。ＧａＡｓは１.３ｕｍでエミッタを形成するために使用されることができる。一実施形態では、個々のコンポーネントは、ＩｎＰ上に成長され、異なる基板にフリップチップ接続される。
【０２８５】
１以上の電気コンタクトがマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１に形成されることができる。実施形態では、ＡｕＧｅＮｉはｎ型コンタクト金属として使用されることができ、ｐ型コンタクト金属はＰｄＺｎＡｕ、ＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕおよびＡｕＢｅのうちのいずれか１つであることができる。ｎ型電極はｎ型コンタクトを含んで形成され、ｐ型電極はｐ型コンタクトを含んで形成される。
【０２８６】
デバイスの製作において、ＩｎＰベースの材料のウェットエッチングは、例えば、ＡｅまたはＮ２で薄められた高温でのＣｌ２に基づいたエッチング、ＣＨ４に基づいたエッチング、あるいはＳｉＣｌ４Ａｒに基づいたエッチングで使用されることができる。誘電体ドライエッチングが使用されてもよく、誘電体ドライエッチングは、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２を使用して形成された誘電体ハードマスクを用いて、ＣＨＦ３またはＣＦ４に基づいた化学を使用して実行されることができる。そのようなデバイスの特定の例の製作の方法のさらなる詳細は後述される。
【０２８７】
マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の側面の形状は、様々な形状、例えば、長方形断面または正方形断面に形成されることができる。
【０２８８】
光学デバイスは、集積されたヒートシンクを含むことができ、それは、例えば、人造ダイヤモンドであることができる。
【０２８９】
一実施形態では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の少なくとも１つは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザー、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーまたはリッジレーザーである。リッジレーザーはストライプレーザーとも呼ばれる。ファブリペローレーザーは、リッジまたはストライプレーザーの一種である。ストライプおよびリッジという語は、レーザー導波路の形式を指す。ファブリペローは、レーザーキャビティの形、すなわち、導波路の端面まで作られた２つの平行ミラーを指す。
【０２９０】
レーザーは回折格子を含むことができる。回折格子領域は活性領域から離れていてもよく、活性領域は回折格子を含んでいてもよい。活性領域および回折格子が分離しているレーザーは、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）レーザーと呼ばれる。ＤＢＲは図２０に示される。活性領域が回折格子を含むレーザーはＤＦＢレーザーである。ＤＦＢレーザーは図２１に示される。
【０２９１】
デバイスは強度変調器をさらに含むことができる。強度変調器は、変調器、例えば、電界吸収型変調器内の材料の吸収係数を変更することによって光の強度を変調することができる。電界吸収型変調器は、デバイスに適用される電圧が吸収係数を変更し、それによりデバイスを通過する光の強さを変更する半導体デバイスである。他の実施形態では、強度変調器はマッハツェンダー干渉計に基づいている。マッハツェンダーに基づいた強度変調器は、出力強度を変調するために、干渉計の２つのアーム間の位相差を変更する。
【０２９２】
スレーブ光源１８０４および強度変調器などの２つの異なるデバイスがモノリシックに成長される場合、物理的なギャップがそれらの間に作られ、それは例えばトレンチをエッチングすることによって達成されることができる。トレンチがエッチングされた後、このギャップは、同様の屈折率を有する材料で充填されることができる。
【０２９３】
図１９（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、垂直接合でモノリシックに集積されたマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の成長および製造の方法のフローチャートである。方法は、横方向に連結していて、同じタイプである、例えば、両方ともがＤＦＢレーザーまたはストライプレーザーであるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１を有する光学デバイスを製造するために使用されることができる。この方法は、図２から図１５のいずれかに関して説明したような光源を製造するために使用されることができる。
【０２９４】
この方法によって製造されたデバイスでは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の両方が基板上にモノリシックに集積される。実施形態では、基板はｎ型ＩｎＰ基板である。
【０２９５】
ステップＳ１０１では、バッファ層１９５１が基板１８４７上で成長され、活性領域構造（active area structure）がそれに後続する。活性領域構造は活性領域(active region)とも呼ばれる。一実施形態では、バッファ層の厚さは２００ｎｍである。一実施形態では、バッファ層はｎ型ＩｎＰである。方法がＤＦＢレーザーまたはストライプレーザーを製造するために使用される場合、活性領域構造はマルチ量子井戸（ＭＱＷ；multi quantum well）構造であることができる。ＭＱＷ構造は、図２０に関してより詳細に後述される。活性構造は、ｎ型層１９５３、第１の導波路層２１０ａ、ＭＱＷ層２１２および第２の導波路層２１０ｂを含むことができる。このステージは「０レベルグロース」と呼ばれることもある。導波路層２１０ａおよび２１０ｂはＩｎＧａＡｓ層であってもよい。クラッド層、すなわち、ｎ型層１９５３および導波路領域２１０ｂ上のｐ型層は、ＩｎＰと格子整合するＩｎＡｌＡｓであってもよい。導波路内のＭＱＷ活性領域はＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓであってもよい。
【０２９６】
ストライプレーザーに関しては、ｐ型層２２０が第２の導波路層２１０ｂ上に第２の導波路層２１０ｂに接触して成長され、ｐ型層２２２がｐ型層２２０上にｐ型層２２０に接触して成長される。ｐ型層２２２は、キャリア濃度が層２２０より高い濃度にドープされたｐ型材料である。層２２０が十分なドーピングを有する場合には、これは省略されることができる。
【０２９７】
ステップＳ１０２では、デバイスは「０レベル製造」のために成長機構（growth machine）から取り出される。このステップは、誘電体ハードマスク２１４の堆積を含み、この誘電体ハードマスク２１４は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２層であることができる。この誘電体層の厚さは、活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。その後に、フォトレジストが誘電体層上にスピン処理され（spun）、ストリップが光リソグラフィによってフォトレジストに規定される。一実施形態では、ストリップは、幅が１.５〜２．５μｍであり、長さが５００μｍである。ＤＦＢレーザーにおいては、ストリップは回折格子の長さを含むためにより長くてもよい。深さはウエハ設計に依存する。発展後に、レジストに規定されたストリップパターンは、例えばＣＦ４またはＣＨＦ３化学に基づいたドライエッチングを通じて誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストは、例えばレジストリムーバー溶液中であるいはＯ２プラズマ灰化によって、除去される。次に、半導体ドライエッチングが実行される。Ｃｌ２に基づいた化学は、良質の垂直側壁を提供するために使用されてもよい。エッチングは、ＤＦＢレーザーにおいてはｎ型層１９５３まで実行される。ストライプレーザーにおいては、エッチングはｐ型層２２０まで実行される。
【０２９８】
サンプルはステップＳ１０３「１レベル」の準備ができている。誘電体ハードマスク２１４はこのステップに関してストリップ領域に残されている。これは活性領域上での局所的なオーバーグロースを防止する。その後に、ｐ型層２１６が成長され、それにｎ型層２１８が後続する。デバイスのエッチングされた領域が平坦化される。平坦化は、新しいエピタキシャル材料でエッチングされた領域を満たすために、特定の条件で実行される成長プロセスである。リッジの上端は誘電体マスクで覆われており、そのため、成長はそこに生じない。吸着原子は、前のステップでエッチングされたトレンチの底に層を選択的に形成する。
【０２９９】
ステップＳ１０４は「１レベル製造」である。このステップでは、誘電体ハードマスク２１４が除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたはドライエッチングすることを含むことができる。
【０３００】
このステージにおいて、ＤＦＢレーザーまたはＤＢＲレーザーが製造される場合には、ステップＳ１０４ａ「アクティブ回折格子製造」が随意的に次に起こることができる。あるいは、製造方法は、ストライプレーザーにおいては、ステップＳ１０２からステップＳ１０６に直接に進むことができる。
【０３０１】
ステップＳ１０４ａは、電子線リソグラフィレジストでサンプルをスピン処理すること、および電子線リソグラフィで回折格子パターンを規定することを含む。回折格子の寸法はレーザー出力波長に依存することができる。現像後に、パターンは、ウェットまたはドライシャローエッチングによって転写される。回折格子は、導波路層２１０ｂの一部をエッチングして取り去ることによって、例えば、導波路層２１０ｂにトレンチをエッチングすることによって、形成される。トレンチは、グルーブ形状（groove-shaped）のパターンを有することができる。回折格子の寸法はデバイスの動作波長に従って計算される。ＭＱＷ層上にあってＭＱＷ層に接触している表面とは反対側の導波路層２１０ｂの表面上の回折格子は、ミラーと同じような方法で作用する。ＤＢＲレーザーに関しては、回折格子は、キャビティを作るためにコンポーネントの両端部に形成されることができる。各端部の回折格子は、一方の端部からの光の出力を可能にするために異なる反射率を有することができる。ＤＦＢレーザーに関しては、回折格子は、活性領域全体に形成されることができる。
【０３０２】
ステップＳ１０５は「２レベルオーバーグロース」である。これは、エピタキシャルｐ型層２２０を成長することを含み、エピタキシャルｐ型層２２０は、オプションのステップＳ１０４ａが実行された場合に回折格子によってパターン化されることができる。実施形態では、この層の厚さは２００ｎｍである。ｐ型層２２０はデバイス全体にわたって成長されるが、ｎ型層２１８およびｐ型層２１６に起因して、電流は活性領域のみに提供される。
【０３０３】
ステップＳ１０６は、「２レベル製造」であり、それは、光リソグラフィでのコンタクト領域の規定と、ｎ型金属コンタクトおよびｐ型金属コンタクトの堆積と、アニーリングと、を含む。ｎ型金属コンタクトは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１とは反対側の基板１８４７の表面に堆積される。ｐ型金属コンタクトはｐ型層２２０上に堆積される。
【０３０４】
デバイスが２つのストライプレーザーを含む場合、垂直トレンチは、エンドミラーを設けるために、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の各端部にエッチングされる。
【０３０５】
同様のデバイスは、２つの独立した実行（runs）で製造され、ダイスカットされ（diced）、他のプラットフォーム（foreign platform）上にフリップチップ実装されて整列される。例えば、２つのＩｎＰに基づいたレーザーは、共通のＳｉキャリア基板上に実装されることができる。これは図３３に関して説明される。
【０３０６】
図１９（ｂ）は、２つのＤＦＢレーザーを有する光学デバイスに関して、図１９（ａ）のステップの後のサンプルの構造を示す。
【０３０７】
ステップＳ１０１の後では、サンプルは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触しているｎ型層１９５３と、ｎ型層１９５３上にありｎ型層１９５３に接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にあり第１の導波路層２１０ａに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありＭＱＷ層２１２に接触している第２の導波路層２１０ｂと、を含む。
【０３０８】
ステップＳ１０２の後では、誘電体ハードマスク２１４、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２および第１の導波路層２１０ａは、ｎ型層１９５３上にありｎ型層１９５３に接触しているリッジである。
【０３０９】
ステップＳ１０３の後では、ｐ型層２１６は、ｎ型層１９５３上にありｎ型層１９５３とリッジの一側面とに接触し、ｎ型層２１８は、ｐ型層２１６上にありｎ型層１９５３に接触している。
【０３１０】
ステップＳ１０５の後では、誘電体ハードマーク２１４は除去されており、ｐ型層２２０は、リッジおよびｎ型層２１８上にありリッジおよびｎ型層２１８に接触している。
【０３１１】
ステップＳ１０６の後では、ｐ型コンタクト層２２２は、ｐ型層２２０上にありｐ型層２２０に接触している。ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型コンタクト層２２２上にありｐ型コンタクト層２２２に接触している。ｎ型コンタクト金属２２６は、ｐ型コンタクト金属２２４とは反対側の基板の表面に接触している。
【０３１２】
図１９（ｃ）は、２つのストライプレーザーに関して、各ステップの後のサンプルの構造を示す。
【０３１３】
ステップＳ１０１の後では、サンプルは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触しているｎ型層１９５３と、ｎ型層１９５３上にありｎ型層１９５３に接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にあり第１の導波路層２１０ａに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありＭＱＷ層２１２に接触している第２の導波路層２１０ｂと、ｐ型層２２０上にありｐ型層２２０に接触しているｐ型層２２２と、を含む。
【０３１４】
ステップＳ１０２の後では、ｐ型層２２２は、ｐ型層２２０上にありｐ型層２２０に接触しているリッジである。
【０３１５】
ステップＳ１０６の後では、ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型層２２２上にありｐ型層２２２に接触している。ｎ型コンタクト金属２２６は、ｐ型コンタクト金属２２４とは反対側の基板の表面に接触している。
【０３１６】
図２０は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、垂直接合で横方向に連結していて、両方ともにＤＢＲレーザーである。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、を示す。
【０３１７】
各ＤＢＲレーザー中の活性領域は、マルチ量子井戸領域（ＭＱＷ）を含む。ＭＱＷ領域は複数の量子井戸層を含む。ＤＢＲレーザーが１.５５ｕｍ動作のために構成される実施形態では、ＭＱＷ領域は、例えば、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの複数の材料が交互に重なった層を含む。これらの層はすべてＩｎＰ基板と格子整合する。
【０３１８】
デバイスは基板１８４７を含む。基板の１つの表面上にはｎ型コンタクト２２６がある。バッファ層１９５１は、反対側の基板１８４７の表面上にありこの表面に接触している。基板１８４７およびバッファ層１９５１の両方はｎ型層である。あるいは、基板１８４７がｐ型層であるように、構造は逆にされることができる。これらの層はｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｎ型層１９５３は、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している。ｎ型層１９５３はｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。第１の導波路材料２１０ａは、ｎ型層１９５３のストリップ上にありこのストリップに接触している。ＭＱＷ層２１２は、第１の導波路材料２１０ａ上にあり第１の導波路材料に接触している。第２の導波路材料２１０ｂは、ＭＱＷ層２１０上にありＭＱＷ層２１０に接触している。ｐ型材料２１６は、ストリップの一側面にあり、さらに、ｎ型材料１９５３上にありｎ型材料１９５３に接触している。ｐ型材料２１６はｐ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｎ型層２１８は、ｐ型層２１６上にありｐ型層２１６に接触しており、ｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｐ型層２２０は、第２の導波路層２１０ｂおよびｎ型層２１８上にあり第２の導波路層２１０ｂおよびｎ型層２１８に接触しており、ｐ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｐ型コンタクト層２２２は、ｐ型層２２０上にありｐ型層２２０に接触している。一実施形態では、ｐ型コンタクト層２２２は、高濃度にドープされたＩｎＰであり、すなわち、層２２０よりも高いドーパント濃度を有する。ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型コンタクト層２２２の一部分上にありこの部分に接触している。
【０３１９】
側面図に示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びる。ＭＱＷストリップの一部上に第１のｐ型コンタクト層２２４ａがある。光が放出される方向に沿って第１のｐ型コンタクト２２４ａの下のストリップの部分の片側において、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはマスター光源１８０４を形成する。第２のｐ型のコンタクト２２４ｂは、ＭＱＷストリップの第２の部分上に形成され、それは、マスター光源１８０４からデバイスの長さに沿ったところにある。光が放出される方向に第２のｐ型コンタクト２２４ｂの下のストリップの部分の片側において、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはスレーブ光源１８０１を形成する。
【０３２０】
電流は、マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて光を生成するために、第１のｐ型コンタクト２２４ａとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、ｐ型層２１６によって横方向に制限され、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流は、第２のｐ型コンタクト２２４ｂとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。光は、このデバイス内の導波路領域においてマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。
【０３２１】
図２１は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、垂直接合で横方向に連結していて、両方ともＤＦＢレーザーである。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、を示す。
【０３２２】
このデバイスの構造は、図２０に示されるデバイスに似ている。しかしながら、図２１は、回折格子が導波路領域２１０ｂの表面上に全体構造に沿ってある２つのＤＦＢレーザーを示す。ＤＦＢレーザーは個々のミラーを有さず、代わりに、回折格子は活性領域上に分配された光フィードバックを提供し、光は回折格子によって反射される。これは、個々のミラーがレーザーの端部の回折格子によって形成され、活性領域および回折格子が離れている図２０とは異なる。
【０３２３】
マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間にギャップがある。ギャップは、光が放出される方向に垂直な方向においてデバイス全体にわたって延在することができる。ギャップはバッファ層１９５１まで下に延びる。光は、ギャップ中の自由空間を通じてマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。ギャップはデバイスの製造中にエッチングされる。
【０３２４】
図２２は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、垂直接合で横方向に連結されていて、両方ともにリッジレーザーまたはストライプレーザーである。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面を示す。
【０３２５】
一実施形態では、リッジレーザーは明確な面を有する導波路である。材料構造は、ＩｎＰ基板１８４７と格子整合するクラッド材によって囲まれたコアを含む。一実施形態では、例えば、クラッド材はＩｎＰであり、コアはＡｌＩｎＧａＡｓである。ＡｌＩｎＧａＡｓはＩｎＰと比較して高い屈折率を有するので、ＡｌＩｎＧａＡｓが使用されることができる。
【０３２６】
デバイスは基板１８４７を含む。基板の１つの表面にはｎ型コンタクト２２６がある。バッファ層１９５１は、反対側の基板１８４７の表面上にありこの表面に接触している。基板１８４７およびバッファ層１９５１の両方はｎ型である。あるいは、デバイスは、基板１８４７がｐ型である逆構造を有していてもよい。ｎ型のクラッド層１９５３は、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している。第１の導波路材料２１０ａは、ｎ型層１９５３上にありｎ型層１９５３に接触している。ＭＱＷ層２１２は、第１の導波路材料２１０ａ上にあり第１の導波路材料２１０ａに接触している。第２の導波路材料２１０ｂは、ＭＱＷ層２１０上にありＭＱＷ層２１０に接触している。ｐ型のクラッド層２２０は、第２の導波路層２１０ｂ上にあり第２の導波路層２１０ｂに接触している。クラッド層はＩｎＡｌＡｓであることができる。ｐ型材料２２２のリッジは、ｐ型層２２０上にありｐ型層２２０に接触している。ｐ型コンタクト金属２２４は、リッジ２２２上にありリッジ２２２に接触している。一実施形態では、ｐ型コンタクト層２２２はＩｎＧａＡｓである。
【０３２７】
側面図に示されるように、マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間にギャップがある。ギャップは、光が放出される方向に垂直な方向においてデバイス全体にわたって延びることができる。ギャップは基板１８４７まで下に延びる。
【０３２８】
電流は、光を生成するために、ｐ型コンタクト２２４ａとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。レーザーモードは、エッチングされたストライプ、すなわち、図２２の層２２２の下に導かれる。光は、ギャップ中の自由空間を通じてマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流はｐ型コンタクト２２４ｂとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。
【０３２９】
図２３は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部であって、垂直接合でモノリシックに集積されたマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の成長および製造の方法のフローチャートを示す。方法は、異なるタイプである、あるいは、同じタイプであるが横方向に連結されていてさらなるデバイスと組み合わされるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１を有する光学デバイスを製造するために使用されることができる。方法は、図２４または２５に関して説明されるようなデバイスを製造するために使用されることができる。
【０３３０】
この方法によって製造されたデバイスでは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の両方は、基板上にモノリシックに集積される。実施形態では、基板はｎ型ＩｎＰ基板である。例えば、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１のうちの一方はＤＦＢレーザーであることができ、他方はストライプレーザーであることができる。あるいは、この方法は、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の両方が同じタイプである場合に使用されてもよいが、さらなる要素がデバイスに含まれる。
【０３３１】
ステップＳ２０１「０レベルグロース」では、バッファ層１９５１は基板１８４７上で成長され、活性領域構造、例えば、ＭＱＷ領域２１２がそれに続く。一実施形態では、バッファ層１９５１は２００ｎｍである。バッファ層はｎ型ＩｎＰ層であることができる。
【０３３２】
ステップＳ２０２では、サンプルは「０レベル製造」のために成長機構から取り出される。このステップは、例えばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２層であり得る誘電体ハードマスクの堆積を含む。この誘電体層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。次に、フォトレジストはスピン処理され、ストリップが光リソグラフィによって規定される。現像後に、レジストに規定されたストリップパターンは、ＣＦ４かＣＨＦ３化学に基づいたドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストは、レジストリムーバー溶液中であるいはＯ２プラズマ灰化によって除去される。次に、半導体ドライエッチングが実行される。Ｃｌ２に基づいた化学は、良質の垂直側壁を設けるために使用されることができる。これは、例えばＤＦＢレーザーであり得るマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１のうちの一方の「ボディ」を形成する。ＤＦＢレーザーに関しては、図１９に関して説明されたようなｐ型層２１６およびｎ型層２１８を成長するためのステップは含まることができる。このステージでは、トレンチは、エッチングでＭＱＷ領域を選択的に除去することによって形成される。
【０３３３】
サンプルはそのときステップＳ２０３「１レベルオーバーグロース」の準備ができる。誘電体ハードマスクはストリップ領域に残されている。これはデバイス活性領域上で局所的なオーバーグロースを防止する。このステップで、例えばストライプレーザーであり得るマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の他方の「ボディ」は、成長され、続いて平坦化される。第２のレーザー構造は、ステップＳ２０２において形成された予め規定されたトレンチ内で成長される。
【０３３４】
マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１が同じタイプである場合、両方はステップＳ２０２において成長される。その後に、異なるタイプのさらなるコンポーネント、例えば、導光領域は、ステップＳ２０３で成長されることができる。
【０３３５】
ステップＳ２０４「１レベル製造」では、誘電体ハードマスクは除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたはドライエッチングを含む。ＤＦＢレーザーに関しては、回折格子は、電子線リトグラフィーレジストでサンプルをスピン処理し、電子線リトグラフィーで回折格子パターンを規定することによって、このステージで形成されるべきである。回折格子の寸法はレーザー出力波長に依存することができる。現像後に、パターンはウェットまたはドライシャローエッチングによって転写される。
【０３３６】
次に、光学レジストをスピン処理することと、ｎ型コンタクト２２６を規定することと、を含む製造は、実行される。レジストの現像後に、ｎ型金属は、堆積され、リフトオフされ、アニールされる。同様の手順はｐ型コンタクト２２４を規定するために適用される。
【０３３７】
ストライプレーザーに関しては、垂直トレンチは、エンドミラーを設けるために、ストライプレーザーの一端部にエッチングされるべきである。
【０３３８】
同様のデバイスは、２つの独立した実行で製造され、ダイスカットされ、他のプラットフォーム上にフリップチップ実装されて整列される。例えば、２つのＩｎＰに基づいたレーザーは、共通のＳｉキャリア基板上に実装されることができる。
【０３３９】
図２４は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４はＤＦＢレーザーであり、スレーブ光源１８０１はストライプレーザーであり、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は垂直接合で横方向に連結されいてる。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、を示す。
【０３４０】
ＤＦＢレーザーは、図２１に関して説明された構造を有する。ストライプレーザーは、図２２に関して説明された構造を有する。マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間にギャップがある。ギャップは、光が放出される方向に垂直な方向にデバイス全体にわたって延在することができる。ギャップは基板１８４７まで下に延びる。光は、ギャップ中の自由空間を通じてマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。
【０３４１】
図２５は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、垂直接合で横方向に連結されていて、両方ともにＤＦＢレーザーであり、この光源は、複数の導光領域を含む。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、を示す。
【０３４２】
ＤＦＢレーザーは、図２１に関して説明された構造を有する。マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間に導光領域２２１がある。マスター光源１８０４と導光領域２２１との間にギャップがあり、さらに、導光領域２２１とスレーブ光源１８０１との間にギャップがある。第１の導光領域２２１とは反対側のスレーブ光源１８０１の面側に位置する第２の導光領域２２３がある。スレーブ光源１８０１と第２の導光領域２２３との間にギャップがある。ギャップは、光が放出される方向に垂直な方向にデバイス全体にわたって延在することができる。ギャップは、バッファ層１９５１まで下に延びる。光は、ギャップ中の自由空間および導光領域２２１を通じてマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。
【０３４３】
導光領域は、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している第１の層２８０と、第１の層２８０上にあり第１の層２８０に接触している導波路領域と、導波路領域上にあり導波路領域に接触している第２の層２８２と、を含む。光は、導波路領域において垂直方向および横方向に制限される。第１の層２８０および第２の層２８２は、例えば、ＩｎＰであることができる。導波路領域は、ＩｎＡｌＡｓクラッド領域を有するＩｎＧａＡｓ層を含むことができる。
【０３４４】
図２６（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部であって、横接合でモノリシックに集積されたマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の成長および製造の方法のフローチャートを示す。この方法は、横方向に連結されていて同じタイプであるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１を有する光学デバイスを製造するために使用されることができる。方法は、図２７に関して説明されるようなデバイスを製造するために使用されることができる。
【０３４５】
この方法によって製造されたデバイスでは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の両方は、基板、例えば、Ｓｉ−ＩｎＰ基板上にモノリシックに集積される。Ｓｉ−ＩｎＰ基板は、電流がすべて横のｎ型およびｐ型コンタクト間で流れる横接合を作るために使用される。
【０３４６】
ステップＳ３０１では、バッファ層１９５１は成長され、活性領域構造がそれに続く。一実施形態では、バッファ層の厚さは２００ｎｍである。一実施形態では、バッファ層は半絶縁性のＩｎＰである。活性領域構造は、前の図に関して説明されたようなマルチ量子井戸（ＭＱＷ）構造を含むことができる。このステップは「０レベルグロース」と呼ばれる。
【０３４７】
その後、ステップＳ３０２「０レベル製造」において、サンプルは成長機構から取り出される。これは、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２層であり得る誘電体ハードマスクの堆積を含む。この誘電体層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。次に、フォトレジストはスピン処理され、ｎ型トレンチ領域は光リソグラフィによって規定される。現像後に、レジストに規定されたパターンは、例えばＣＦ４またはＣＨＦ３化学に基づいたドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストは、レジストリムーバー溶液中であるいはＯ２プラズマ灰化によって除去される。次に、半導体ドライエッチングは実行される。Ｃｌ２に基づいた化学は、良質の垂直壁面を設けるために使用されることができる。
【０３４８】
サンプルは、そのときステップＳ３０３「１レベルオーバーグロース」の準備ができている。誘電体ハードマスクは、ｎ型トレンチを除いた領域上に残される。これは選択的領域成長を提供する。ｎ型層２２８はｎ型トレンチにおいて成長され、エッチングされた領域は平坦化される。ｎ型層２２８は、例えば、ＩｎＰであることができる。
【０３４９】
ステップＳ３０４「１レベル製造」では、誘電体ハードマスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたはドライエッチングを含む。このポイントでは、ドライエッチングのための新しいハードマスクとして働く新しい誘電体層が堆積される。この場合もやはり、この層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。フォトレジストは、光リソグラフィによってｐ型トレンチ領域を規定するためにスピン処理され、現像される。パターンは、例えばＣＨＦ３またはＣＦ４化学に基づいて、ドライエッチングによって誘電体層に転写される。その後、前述のものと同様に、レジストは除去される。続いて、ｐ型トレンチ領域は、Ｃｌ２化学に基づいてドライエッチングされる。
【０３５０】
ステップＳ３０５「２レベルオーバーグロース」は、エッチングされたｐ型トレンチ領域の上にエピタキシャルｐ型層２３０を成長することを含む。ｐ型層２３０は、例えば、ＩｎＰであることができる。前の成長ステップにおいて残された誘電体層は、選択領域エピタキシーを可能にする。
【０３５１】
ステップＳ３０６「２レベル製造」は、ＨＦへの浸漬またはドライエッチングによって誘電体ハードマスクを除去することを含む。ＤＦＢレーザーに関しては、続いて、新たな誘電体層は、堆積され、その後にレジストと回折格子パターンでパターン化された電子ビームとでスピン処理される。これは、次にドライまたはウェットエッチングされて誘電体領域になる。
【０３５２】
最終ステップでは、ｎ型およびｐ型コンタクトは、光リソグラフィによってｎ型およびｐ型トレンチの上にそれぞれ規定される。ｎ型およびｐ型コンタクトに適している金属は、堆積され、リフトオフされ、アニールされる。
【０３５３】
同様のデバイスは、２つの独立した実行で製造され、ダイスカットされ、他のプラットフォーム上にフリップチップ実装されて整列される。例えば、２つのＩｎＰに基づいたレーザーは、共通のＳｉキャリア基板上に実装されることができる。
【０３５４】
図２６（ｂ）は、２つのＤＦＢレーザーを有する光学デバイスに関して、図２６（ａ）のステップの後のサンプルの構造を示す。
【０３５５】
ステップＳ３０１の後では、サンプルは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している層２３２と、層２３２上にあり層２３２に接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にあり第１の導波路層２１０ａに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありＭＱＷ層２１２に接触している第２の導波路層２１０ｂと、を含む。
【０３５６】
ステップＳ３０２の後では、誘電体ハードマスク２１４と、第２の導波路層２１０ｂと、ＭＱＷ層２１２と、第１の導波路層２１０ａと、を含むプラトー（plateau）は、層２３２の一部分上にありこの部分に接触している。
【０３５７】
ステップＳ３０３の後では、ｎ型層２２８は、プラトーに隣接していて、層２３２上にあり層２３２に接触しており、誘電体ハードマスク２１４は、除去されている。
【０３５８】
ステップＳ３０４の後では、プラトーは、ｎ型層２２８およびスタック上にありｎ型層２２８およびスタック（stack）に接触している誘電体ハードマスク２１４を含み、このスタックは、第２の導波路層２１０ｂと、ＭＱＷ層２１２と、第１の導波路層２１０ａと、を含む。プラトーは、層２３２の一部分上にありこの部分に接触している。
【０３５９】
ステップＳ３０５の後では、ｎ型層２２８と、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２および第１の導波路層２１０ａを含むスタックと、ｐ型層２３０とは、層２３２上にあり層２３２に接触している。ｎ型層２２８はスタックの片側に隣接し、ｐ型層２３０はスタックの反対側に隣接している。
【０３６０】
ステップＳ３０６の後では、回折格子は、第２の導波路層２１０ｂ上に形成されている。ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型層２３０上にありｐ型層２３０に接触している。ｎ型コンタクト金属２２６は、ｎ型層２２８上にありｎ型層２２８に接触している。
【０３６１】
図２７は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、横接合で横方向に連結されていて、両方ともにＤＢＲレーザーである。あるいは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、ＤＦＢレーザーであってもよい。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、上方からデバイスを見た、すなわち、層の積層方向における上面図と、を示す。
【０３６２】
デバイスは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している層２３２と、を含む。層２３２は、バッファ層の拡張である。ｎ型層２２８と、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２および第１の導波路層２１０ａを含むスタックと、ｐ型層２３０とは、層２３２上にあり層２３２に接触している。スタックは、ｎ型層２２８とｐ型層２３０との間にある。ｎ型層２２８はスタックの片側に隣接し、ｐ型層２３０はスタックの反対側に隣接している。ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型層２３０上にありｐ型層２３０に接触している。ｎ型コンタクト金属２２６は、ｎ型層２２８上にありｎ型層２２８に接触している。
【０３６３】
側面図および上面図に示されるように、ＭＱＷストリップは、デバイスの長さに沿って延びている。第１のｐ型コンタクト２２４ａおよびｎ型コンタクト２２６ａは、光の放出の方向に垂直な方向に、ＭＱＷストリップの一部の片側にある。光の放出の方向におけるストリップの一部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはマスター光源１８０４を形成する。第２のｐ型コンタクト２２４ｂおよびｎ型コンタクト２２６ｂは、光の放出の方向に垂直な方向にＭＱＷストリップの第２の部分の片側にあり、それは、マスター光源１８０４からデバイスの長さに沿ったところにある。光の放出の方向におけるストリップの第２の部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはスレーブ光源１８０１を形成する。
【０３６４】
平面図は、光の放出に垂直な方向において、ストリップの片側に第１のｐ型コンタクト２２４ａがあり、ストリップの反対側に第１のｎ型コンタクト２２６ａがあることを示す。これらのコンタクトは、マスター光源１８０４の一部を形成する。光の放出に垂直な方向におけるストリップの片側の第２のｐ型コンタクト２２４ｂおよびストリップの反対側の第２のｎ型コンタクト２２６ｂは、スレーブ光源１８０１を形成する。
【０３６５】
電流は、マスター光源において光を生成するために、第１のｐ型コンタクト２２４ａと第１のｎ型コンタクト２２６ａとの間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、ｐ型層２３０およびｎ型層２２８によって横方向に制限され、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流は、スレーブ光源１８０１の第２のｐ型コンタクト２２４ｂおよび第２のｎ型コンタクト２２６ｂ間に適用される。
【０３６６】
図２８（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、横接合でイオンインプランテーションによってモノリシックに集積されたマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の成長および製造の方法のフローチャートを示す。方法は、横方向に連結されていて同じタイプであるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１を有する光学デバイスを製造するために使用されることができる。方法は、図２９に関して説明されるようなデバイスを製造するために使用されることができる。
【０３６７】
この方法によって製造されたデバイスでは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１デバイスの両方は、基板上にモノリシックに集積される。実施形態では、基板はＳｉ−ＩｎＰである。
【０３６８】
ステップＳ４０１では、バッファ層が成長され、それに活性領域構造が続く。実施形態では、バッファ層は２００ｎｍである。実施形態では、バッファ層はＳｉ−ＩｎＰである。活性領域構造は、図２０に関して上述したようなマルチ量子井戸（ＭＱＷ）構造であることができる。このステップは「０レベルグロース」と呼ばれる。
【０３６９】
その後、サンプルは、ステップＳ４０２「０レベル製造」において成長機構から取り出される。これは、例えばＳｉ３Ｎ４かＳｉＯ２層であり得る誘電体ハードマスクの堆積を含む。この層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。次に、フォトレジストがスピン処理され、ｎ型トレンチ領域およびｐ型トレンチ領域が光リソグラフィによって規定される。現像後に、レジストに規定されたパターンは、例えばＣＦ４またはＣＨＦ３化学に基づいて、ドライエッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストは、レジストリムーバー溶液中であるいはＯ２プラズマ灰化によって除去される。次に、半導体ドライエッチングが実行される。Ｃｌ２に基づいた化学は、良質の垂直壁面を設けるために使用されることができる。エッチングの深さは活性領域の厚さに依存することができる。
【０３７０】
サンプルは、そのときステップＳ４０３「１レベルオーバーグロース」の準備ができる。誘電体ハードマスクは、デバイス領域上に残されている。これは選択領域成長を提供する。半絶縁層が成長され、エッチングされた領域が平坦化される。半絶縁層は、例えば、ＩｎＰであることができる。
【０３７１】
ステップＳ４０４「１ａレベル製造」では、誘電体ハードマスクは除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたはドライエッチングを含む。このポイントにおいて、ドライエッチングのための新たなハードマスクとして働く新たな誘電体層が堆積される。この場合もやはり、この層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。フォトレジストは、光リソグラフィによってｐ型トレンチ領域を規定するためにスピン処理され、現像される。パターンは、ＣＨＦ３かＣＦ４化学に基づいたドライエッチングによって誘電体層に転写される。これは誘電体マスクの選択領域エッチングである。その後に、レジストが除去される。その後に、ｐ型トレンチ領域はイオンでインプラントされ、イオンはその後に半絶縁層中にｐドーピングを生じさせるために活性化される。マスクが除去されると、イオンは半絶縁層へインプラントされる。マスクが残る場合、イオンはインプラントされないだろう。
【０３７２】
ステップＳ４０５「１ｂレベル製造」では、誘電体ハードマスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたはドライエッチングを含む。このポイントにおいて、ドライエッチングのための新たなハードマスクとして働く新たな誘電体層が堆積される。この場合もやはり、この層の厚さは、成長された活性領域の厚さおよびドライエッチング選択比に依存することができる。フォトレジストは、光リソグラフィによってｎ型トレンチ領域を規定するためにスピン処理され、現像される。パターンは、ＣＨＦ３またはＣＦ４化学に基づいたドライエッチングによって誘電体層に転写される。その後に、レジストは除去される。その後に、ｎ型トレンチ領域はイオンでインプラントされ、イオンはその後に半絶縁層中にｎドーピングを生じさせるために活性化される。
【０３７３】
ステップＳ４０６「２レベル製造」は、ＨＦへの浸漬またはドライエッチングによって誘電体ハードマスクを除去することを含む。ＤＦＢレーザーの製造に関しては、新たな誘電体層が堆積され、それはその後にレジストと回折格子パターンでパターン化された電子ビームとでスピン処理される。その後に、これは、ドライまたはウェットエッチングされて誘電体領域になる。
【０３７４】
最終ステップでは、ｎ型およびｐ型コンタクトは、光リソグラフィによって適宜にｎ型およびｐ型トレンチ上に規定される。ｎ型およびｐ型コンタクトに適している金属は、堆積され、リフトオフされ、アニールされる。
【０３７５】
同様のデバイスは、２つの独立した実行で製造され、ダイスカットされ、他のプラットフォーム上にフリップチップ実装されて整列される。例えば、２つのＩｎＰに基づいたレーザーは、共通のＳｉキャリア基板上に実装されることができる。
【０３７６】
図２８（ｂ）は、図２８（ａ）に関して説明された方法の製造段階を示す。
【０３７７】
ステップＳ４０１の後では、サンプルは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している層２３２と、層２３２上にあり層２３２に接触している第１の導波路層２１０ａと、第１の導波路層２１０ａ上にあり第１の導波路層２１０ａに接触しているＭＱＷ層２１２と、ＭＱＷ層２１２上にありＭＱＷ層２１２に接触している第２の導波路層２１０ｂと、を含む。
【０３７８】
ステップＳ４０２の後では、誘電体ハードマスク２１４ａ、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２および第１の導波路層２１０ａは、層２３２上にあり層２３２に接触しているリッジである。
【０３７９】
ステップＳ４０３の後では、半絶縁層２３６は、リッジの両側において層２３２上にあり層２３２に接触している。
【０３８０】
ステップＳ４０４の後では、第２の誘電体ハードマスク２１４ｂは、リッジとリッジの片側にある半絶縁層２３６とリッジの反対側にある半絶縁層２３６の一部との上にありこれらに接触している。上に誘電体ハードマスク２１４ｂがない半絶縁層２３６の部分にｎドーピングの領域がある。
【０３８１】
ステップＳ４０５の後では、第３の誘電体ハードマスク２１４ｂは、リッジとリッジの片側にあるｎドーピングを有する半絶縁層２３６とリッジの反対側にある半絶縁層２３６の一部との上にありこれらに接触している。上に誘電体ハードマスク２１４ｃがない半絶縁層２３６の部分にｐドーピングの領域がある。
【０３８２】
ステップＳ４０６の後では、ｐ型コンタクトは、半絶縁層２３６中のｐドーピング領域上にありこれに接触している。ｎ型コンタクトは、半絶縁層２３６中のｎドーピング領域上にありこれに接触している。
【０３８３】
図２９は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、両方ともにＤＢＲレーザーであり、横接合で横方向に連結されていてイオンインプランテーションによって製造される。あるいは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、ＤＦＢレーザーであってもよい。図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図と、光が放出される方向に垂直な方向での断面と、上方からデバイスを見た、すなわち、層の積層方向における上面図と、を示す。
【０３８４】
デバイスは、基板１８４７と、基板１８４７上にあり基板１８４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している層２３２と、を含む。半絶縁層２３７と、第２の導波路層２１０ｂ、ＭＱＷ層２１２および第１の導波路層２１０ａを含むスタックと、半絶縁層２３７とは、層２３２上にあり層２３２に接触している。スタックは、半絶縁層２３６と半絶縁層２３７との間にある。半絶縁層２３６はスタックの一側面に隣接し、半絶縁層２３７はスタックの反対側の側面に隣接している。半絶縁層２３６はｎインプラント領域２４０を含み、半絶縁層２３７はｐインプラント領域２３８を含む。ｐ型コンタクト金属２２４は半絶縁層２３７上にあり半絶縁層２３７に接触している。ｎ型コンタクト金属２２６は半絶縁層２３６上にあり半絶縁層２３６に接触している。
【０３８５】
側面図および上面図に示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びる。第１のｐ型コンタクト２２４ａおよびｎ型コンタクト２２６ａは、光の放出の方向に垂直な方向において、ＭＱＷストリップの一部の片側にある。光の放出の方向におけるストリップの部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはマスター光源１８０４を形成する。第２のｐ型コンタクト２２４ｂおよびｎ型コンタクト２２６ｂは、光の放出の方向に垂直な方向において、ＭＱＷストリップの第２の部分の片側にある。それは、マスター光源１８０４からデバイスの長さに沿ったところにある。光の放出の方向におけるストリップの第２の部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはスレーブ光源１８０１を形成する。
【０３８６】
上面図は、光の放出に垂直な方向においてストリップの片側にあるｐ型コンタクト２２４ａおよびストリップの反対側にあるｎ型コンタクト２２６ａを示す。これらのコンタクトは、マスター光源１８０４の一部を形成する。光の放出に垂直な方向においてストリップの片側にあるｐ型コンタクト２２４ｂおよびストリップの反対側にあるｎ型コンタクト２２６ｂは、スレーブ光源１８０１を形成する。
【０３８７】
電流は、マスター光源１８０４において光を生成するために、第１のｐ型コンタクト２２４ａと第１のｎ型コンタクト２２６ａとの間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、半絶縁層２３６および２３７によって横方向に制限され、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流は、スレーブ光源１８０１の第２のｐ型コンタクト２２４ｂと第２のｎ型コンタクト２２６ｂとの間に適用される。
【０３８８】
図３０は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、基板３０４７上に集積される。マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、垂直キャビティレーザーである。光は、層の面から離れる方向、すなわち、層の積層方向に垂直な方向に放出される。
【０３８９】
光学デバイスは、基板３０４７上にさらに集積された調整素子を随意的に含むことができる。調整素子は、マスター光源３００４とスレーブ光源３００１との間に配置されることができる。
【０３９０】
マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、基板３０４７の第１の表面上に集積される。マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、基板３０４７の第１の表面に実質的に垂直な第２の面において互いに対して配置される。光は、第２の面内でマスター光源３００４およびスレーブ光源３００１から放出される。マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、マスター光源３００４から放出された光がスレーブ光源３００１のアパーチャに入るように構成される。スレーブ光源３００１はマスター光源３００４上に積層されている。言い換えると、マスター光源３００４はスレーブ光源３００１と基板３０４７との間にある。
【０３９１】
図３０に示されるような構造はＭＯＶＰＥによって成長されることができる。ＭＯＶＰＥは、プロセス中の多数のオーバーグロースステップがあるものに適している。デバイスは、モノリシックに集積するアプローチを使用して成長されることができる。
【０３９２】
一実施形態では、基板はＩｎＰである。
【０３９３】
１以上の電気コンタクトは、マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１に形成されることができる。ＡｕＧｅＮｉはｎ型コンタクト金属として使用されることができ、ｐ型コンタクト金属はＰｄＺｎＡｕ、ＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕおよびＡｕＢｅのうちのいずれか１つであることができる。ｎ型電極はｎ型コンタクトを含んで形成され、ｐ型電極はｐ型コンタクトを含んで形成される。
【０３９４】
ＩｎＰベースの材料のウェットエッチングは、ＡｒまたはＮ２で薄められた高温でのＣｌ２に基づいたエッチング、ＣＨ４に基づいたエッチング、またはＳｉＣｌ４Ａｒに基づいたエッチングを使用して実行されることができる。誘電体ドライエッチングは、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２を使用して形成された誘電体ハードマスクを用いて、ＣＨＦ３またはＣＦ４に基づいた化学を使用して実行されることができる。デバイス製造の方法のさらなる詳細は後述される。
【０３９５】
マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１の様々な横方向形状が形成されることができる。マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１の断面は、例えば、円であることができる。
【０３９６】
光学デバイスは、例えば人造ダイヤモンドであり得る集積されたヒートシンクを含むことができる。
【０３９７】
一実施形態、マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１の少なくとも一方はＶＣＳＥＬである。
【０３９８】
レーザーは回折格子を含むことができる。回折格子領域は活性領域と離れていてもよく、あるいは、活性領域は回折格子を含んでいてもよい。活性領域と回折格子が離れているレーザーはＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）レーザーと呼ばれる。ＶＣＳＥＬはＤＢＲレーザーの一種である。
【０３９９】
図３１（ａ）は、実施形態に係る干渉システムを製造する方法の一部である、垂直接合でモノリシックに集積されたマスター光源３００４およびスレーブ光源３００１の成長および製造の方法のフローチャートを示す。方法は、垂直方向に連結していて両方ともにＶＣＳＥＬであるマスター光源および利得スイッチレーザーを有する光学デバイスを製造するために使用されることができる。方法は、図３２に関して説明されるようなスレーブ光源３００１がマスター光源３００４上に垂直に積層されたデバイスを製造するために使用されてもよい。
【０４００】
デバイスは、ステップＳ５０１でモノリシックに成長される。成長フェーズであるステップＳ５０１は、ステップＳ５０２中のいずれかの製作スタートの前に完了する。
【０４０１】
実施形態では、基板３０４７はｐ型のＩｎＰである。基板３０４７はバッファ層でオーバーグローされる（overgrown）。実施形態では、バッファ層の厚さは２００ｎｍである。実施形態では、バッファ層はｐ型層である。その後に、ｐ型にドープされた分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２４６が成長される。ＤＢＲ２４６は、様々な屈折率を有する材料を交互に並べた複数の層を含む。材料は、例えば、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓであることができ、これらはすべてＩｎＰと格子整合する。ＤＢＲ２４６がデバイスの「下部」に位置する、すなわち、基板３０４７に最も近いので、一実施形態では、それは９５％より高い反射率を有するように構成される。その後に、Ａｌ含有量が高い材料の層２５０が成長される。一実施形態では、材料は６０％より高いＡｌ含有量を有する。この材料は、例えば、ＡｌＡｓであることができる。その後に、下部活性領域２４７の層が成長される。下部活性領域２４７はＭＱＷ構造を含んでいてもよい。その後に、Ａｌ含有量が高い材料の第２の層２５２が成長される。次に、ｎ型ＤＢＲ２４８が成長される。このｎ型ＤＢＲ２４８は、下部ｐ型ＤＢＲ２４６より低い反射率を有する。このようにして、下部活性領域２４７は、プロセス中に選択領域酸化に使用されるＡｌ含有量が高い材料の２つの層、例えば、ＡｌＡｓ層２５０および２５２によってＤＢＲから隔てられている。次に、最も低い反射率を有するｐ型のＤＢＲ２５６が後続する上部活性領域２５４が成長される。
【０４０２】
実施形態では、３つのＤＢＲに関する反射率関係は下記の関係になる。  
Ｒ（下部ｐ型ＤＢＲ２４６）＞Ｒ（ｎ型ＤＢＲ２４８）＞Ｒ（上部ｐ型ＤＢＲ２５６）
製造ステップＳ５０２は、ウエハの後部の、すなわち、バッファ層１９５１に対する基板３０４７の反対側のｐ型コンタクト２６０の堆積で始まる。その後に、レジストが、上部ｐ型コンタクト２６１を光学的に規定するために、ウエハの上にスピン処理される。レジスト現像後に、ｐ型金属が堆積されてリフトオフされる。上部ｐ型コンタクト２６１はｐ型ＤＢＲ層２５６上にある。その後に、ｐ型コンタクトは両方同時にアニールされる。
【０４０３】
その後に、誘電体層が堆積され、この誘電体層は例えばＳｉ３Ｎ４かＳｉＯ２層であることができる。この層はエッチングのためのハードマスクとして働く。次に、光学レジストがデバイスの上端形状／サイズを規定するためにスピン処理される。現像後に、ハードマスクは、例えばＣＨＦ３またはＣＦ４化学に基づいてエッチングされる。その後に、残りのレジストは、例えばレジストリムーバー溶液中で、除去される。その後に、半導体ウエハは深さｘまでエッチングされる。深さｘは、上部活性領域２５４より下でｎ型ＤＢＲ層２４８の下端より上にある。言い換えると、ウエハはｎ型ＤＢＲ層２４８の途中までエッチングされる。エッチングはＣｌ２化学に基づいていてもよい。その後に、誘電体マスクは、例えばＨＦによって、除去される。
【０４０４】
その後に、光学レジストがスピン処理され、ｎ型コンタクト領域が規定されて現像される。次に、ｎ型金属が、堆積され、リフトオフされ、アニールされる。ｎ型コンタクト２６２は、ｎ型ＤＢＲ層２４８のエッチングされた表面上にある。
【０４０５】
次に、他の誘電体層が堆積され、この誘電体層は例えばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２層であってもよい。誘電体層はエッチングのためのハードマスクとして働く。光学レジストがスピン処理され、下端形状が規定される。現像後に、誘電体マスクがドライエッチングされ、それに続けて下部ｐ型ＤＢＲ２４６の途中まで半導体エッチングがなされる。これはポイントｘからの深さｙである。その後に、誘電体ハードマスクは除去される。このエッチングは、層２４８にｎ型コンタクトを設けるために平坦な表面を作るために実行される。
【０４０６】
その後に、サンプルはウェット酸化される。このプロセスは、ＡｌＡｓ選択ウェット酸化領域を、デバイス中の電流フローを制限する誘電体層に変える。湿式炉はサンプルを酸化させるために使用されることができる。ＡｌＡｓ層は、側面から次第にデバイスの内部へ酸化される。プロセス期間は、酸化された材料のリングのサイズを制御する。
【０４０７】
図３１（ｂ）は、２つのＶＣＳＥＬレーザーを有する光学デバイスに関して、図３１（ａ）のステップの後のサンプルの構造を示す。
【０４０８】
ステップＳ５０１の後では、サンプルは、基板３０４７と、基板３０４７上にあり基板３０４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触しているｐ型ＤＢＲ２４６と、ｐ型ＤＢＲ２４６上にありｐ型ＤＢＲ２４６に接触しているＡｌＡｓ層２５０と、ＡｌＡｓ層２５０上にありＡｌＡｓ層２５０に接触している下部活性層２４７と、下部活性層２４７上にあり下部活性層２４７に接触しているＡｌＡｓ層２５２と、ＡｌＡｓ層２５２上にありＡｌＡｓ層２５２に接触しているｎ型ＤＢＲ２４８と、ｎ型ＤＢＲ２４８上にありｎ型ＤＢＲ２４８に接触している上部活性層２５４と、上部活性層２５４上にあり上部活性層２５４に接触しているｐ型ＤＢＲ２５６と、を含む。
【０４０９】
次の図はｐ型コンタクト２６０および２６１が堆積された後のデバイスを示す。バッファ層１９５１とは反対側の基板３０４７の表面に接触しているｐ型金属コンタクト２６０があり、さらに、ｐ型ＤＢＲ２５６上にありｐ型ＤＢＲ２５６に接触している２つのｐ型金属メタルコンタクト２６１がある。
【０４１０】
次の図は、深さｘまでのエッチングおよびｎ型コンタクトの堆積の後のデバイスを示す。ｐ型ＤＢＲ２５６と上部活性領域２５４とｎ型ＤＢＲの一部とによって形成されたリッジがある。２つのさらなるｎ型金属コンタクト２６２は、リッジの両側にｎ型ＤＢＲ２４８の表面に接触している。
【０４１１】
次の図は、深さｙまでのエッチング並びにＡｌＡｓ層２５０および２５２の酸化の後のデバイスを示す。デバイスは、「階段」形状を有し、基板３０４７とバッファ層１９５１とｐ型ＤＢＲ層２４６の一部分とがデバイスの第１の「段」を形成し、ｐ型ＤＢＲ層２４６の他の部分とＡｌＡｓ層２５０と下部活性層２４７とｎ型ＤＢＲ層２４８の一部分とがデバイスの第２の「段」を形成し、ｎ型ＤＢＲ層２４８の他の部分と上部活性領域２５４とｐ型ＤＢＲ２５６とがデバイスの第３の「段」を形成する。
【０４１２】
図３２は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源３００４およびスレーブ光源３００１は、垂直接合で垂直方向に連結していて、両方ともにＶＣＳＥＬである。図は層を通る断面を示す。
【０４１３】
デバイスは、基板３０４７と、基板３０４７上にあり基板３０４７に接触しているバッファ層１９５１と、バッファ層１９５１上ありバッファ層１９５１に接触しているｐ型ＤＢＲ２４６と、ｐ型ＤＢＲ２４６上にありｐ型ＤＢＲ２４６に接触しているＡｌＡｓ層２５０と、ＡｌＡｓ層２５０上にありＡｌＡｓ層２５０に接触している下部活性層２４７と、下部活性層２４７上にあり下部活性層２４７に接触しているＡｌＡｓ層２５２と、ＡｌＡｓ層２５２上にありＡｌＡｓ層２５２に接触しているｎ型ＤＢＲ２４８と、ｐ型ＤＢＲ２５６上にありｐ型ＤＢＲ２５６に接触している上部活性層２５４と、上部活性層２５４上にあり上部活性層２５４に接触している上部活性層２５４と、を含む。
【０４１４】
バッファ層１９５１と反対側の基板３０４７の表面に接触しているｐ型金属コンタクト２６０があり、２つのさらなるｐ型金属コンタクト２６１がｐ型ＤＢＲ２５６上にありｐ型ＤＢＲ２５６に接触している。
【０４１５】
デバイスは、「階段」形状を有し、基板３０４７とバッファ層１９５１とｐ型ＤＢＲ層２４６の一部分とがデバイスの第１の「段」を形成し、ｐ型ＤＢＲ層２４６の他の部分とＡｌＡｓ層２５０と下部活性層２４７とｎ型ＤＢＲ層２４８の一部分とがデバイスの第２の「段」を形成し、ｎ型ＤＢＲ層２４８の他の部分と上部活性領域２５４とｐ型ＤＢＲ２５６とがデバイスの第３の「段」を形成する。２つのｎ型金属コンタクト２６２は、第３の段の両側においてｎ型ＤＢＲ２４８の表面に接触している。
【０４１６】
電流は、マスター光源３００４において光を生成するために、ｐ型コンタクト２６０とｎ型コンタクト２６２との間に適用される。マスター光源３００４の下部活性領域２４７において生成された光は、ｎ型ＤＢＲ層２４８を経由して、層の積層方向に放出される。光は、スレーブ光源３００１の上部活性領域２５４に入る。時間変化電流は、スレーブ光源３００１のｐ型コンタクト２６１とｎ型コンタクト２６２との間に適用される。光は、酸化されたＡｌＡｓ層２５０および２５２によって横方向に制限される。
【０４１７】
図３３は、実施形態に係る干渉システムの一部である光源の概略図を示し、この光源では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、横方向に連結されていて、共通の基板１８４７にフリップチップ接続された個別のチップである。
【０４１８】
この例では、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１はＤＦＢレーザーである。しかしながら、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の少なくとも一方は、例えば、ストライプレーザーであってもよい。
【０４１９】
マスター光源１８０４は、図１９（ａ）に関して上述したように製造される。２つのレーザーではなく単一のＤＦＢレーザーが形成されるように、回折格子が形成される。マスター光源１８０４は、例えば、ＩｎＰ基板上に形成されることができる。図１９（ａ）に関して上に上述したように、この場合もやはり、スレーブ光源１８０１は独立して製造される。この場合もやはり、２つのレーザーではなく単一のＤＦＢレーザーが形成されるように、回折格子が形成される。スレーブ光源１８０１は同様に、例えば、ＩｎＰ基板上に形成されることができる。これらのプロセスの結果物は、ＤＦＢレーザーに基づいた２つの個別のＩｎＰである。
【０４２０】
その後に、各ＤＦＢレーザーは、ダイスカットされ、他のプラットフォーム上にフリップチップ実装され整列される。他のプラットフォームは、シリコン基板であることができる。各ＤＦＢレーザーウエハはダイスカットされ、個々のＤＦＢレーザーの各々は他の基板上に配置される。ＤＦＢレーザーは正確に整列される。デバイスは、プラットフォームに熱接合または加圧接合される。接着は、例えば、金属間接合を使用して金属層によって提供されることができる。
【０４２１】
図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図を示す。
【０４２２】
デバイスは基板１８４７を含む。基板の１つの表面上にｎ型コンタクト２２６がある。バッファ層１９５１は、基板１８４７の反対側の表面上にありこの表面に接触している。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触している。バッファ層１９５１上にありバッファ層１９５１に接触しているマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１の表面の層３３５５は、ＩｎＰである。
【０４２３】
側面図に示されるように、マスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間にギャップがある。ギャップは、光が放出される方向に垂直な方向にデバイス全体にわたって延在することができる。ギャップはバッファ層１９５１まで下に延びる。
【０４２４】
電流は、光を生成するために、マスター光源１８０４上のｐ型コンタクト２２４ａとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、ギャップ中の自由空間を介してマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流は、スレーブ光源１８０１上のｐ型コンタクト２２４ｂとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。
【０４２５】
図３４は、例えば、図８に関して説明したように、実施形態に係る干渉システムの一部である、周波数フィルタ３４５７を含む光源の概略図を示す。
【０４２６】
図３４に示されるデバイスでは、マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は、例えば、図２０に関して説明したように、垂直接合で横方向に連結されていて、両方ともにＤＢＲレーザーである。しかしながら、図示される波数フィルタ３４５７は、図１８から図３３に示されるデバイスのいずれか１つと結合されることができる。
【０４２７】
図は、デバイスの長さに沿った、すなわち、光が放出される方向に沿った側面図を示す。
【０４２８】
各ＤＢＲレーザー中の活性領域は、マルチ量子井戸（ＭＱＷ）領域を含む。ＭＱＷ領域は複数の量子井戸層を含む。ＤＢＲレーザーが１.５５ｕｍ動作用に形成される実施形態では、ＭＱＷ領域は、例えばＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＡｌＩｎＡｓ、またはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの、複数の材料を交互に重ねた層を含む。これらの層はすべてＩｎＰ基板と格子整合する。
【０４２９】
デバイスは基板１８４７を含む。基板の１つの表面上にｎ型コンタクト２２６がある。バッファ層１９５１は、基板１８４７の反対側の表面上にあり、この表面に接触している。基板１８４７およびバッファ層１９５１は両方ともにｎ型層である。あるいは、基板１８４７がｐ型層であるように、構造は逆にされることができる。これらの層は、ｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｎ型層１９５３は、バッファ層１９５１上にあり、バッファ層１９５１に接触している。ｎ型層１９５３は、ｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。第１の導波路材料２１０ａは、ｎ型層１９５３のストリップ上にあり、このストリップに接触している。ＭＱＷ層２１２は、第１の導波路材料２１０ａ上にあり、第１の導波路材料２１０ａに接触している。ＭＱＷ層２１０は、第２の導波路材料２１０ｂ上にあり、第２の導波路材料２１０ｂに接触している。ｐ型材料２１６（図示せず）は、ストリップの両側でｎ型材料１９５３上にあり、ｎ型材料１９５３に接触しており、ｐ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｎ型層２１８（図示せず）は、ｐ型層２１６上にあり、ｐ型層２１６に接触しており、ｎ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｐ型層２２０は、第２の導波路層２１０ｂおよびｎ型層２１８上にあり、第２の導波路層２１０ｂおよびｎ型層２１８に接触しており、ｐ型にドープされたＩｎＰであることができる。ｐ型コンタクト層２２２は、ｐ型層２２０上にあり、ｐ型層２２０に接触している。一実施形態では、ｐ型コンタクト層２２２は、高濃度にドープされたＩｎＰであり、すなわち、層２２０よりも高いドーパント濃度を有する。ｐ型コンタクト金属２２４は、ｐ型コンタクト層２２２の一部分上にあり、この部分に接触している。
【０４３０】
側面図に示されるように、ＭＱＷストリップはデバイスの長さに沿って延びる。ＭＱＷストリップの一部分上に第１のｐ型コンタクト層２２４ａがある。光が放出される方向に沿って第１のｐ型コンタクト２２４ａの下のストリップの部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはマスター光源１８０４を形成する。第２のｐ型のコンタクト２２４ｂは、マスター光源１８０４からデバイスの長さに沿ったところにあるＭＱＷストリップの第２の部分上に形成される。光が放出される方向における第２のｐ型コンタクト２２４ｂの下のストリップの部分の片側に、第２の導波路材料中に回折格子がある。これはスレーブ光源１８０１を形成する。
【０４３１】
第２の導波路材料中のさらなる回折格子は、周波数フィルタ３４５７を形成する。したがって、周波数フィルタ３４５７は、チップ上に直接に形成されたさらなるＤＢＲ回折格子を含む。さらなる回折格子は、スレーブ光源１８０１から、ある距離をあけて配置されている。スレーブ光源１８０１は、周波数フィルタ３４５７とマスター光源１８０４との間にある。
【０４３２】
さらなる回折格子は、同様に、電子線リトグラフィーレジストでサンプルをスピン処理して電子線リトグラフィーで回折格子パターンを規定することを含む随意のステップＳ１０４ａにおいて、製造される。回折格子の寸法は、フィルタの所望の帯域幅に依存することができる。現像後に、パターンは、ウェットまたはドライシャローエッチングによって転写される。回折格子は、導波路層２１０ｂの一部をエッチングすることによって、例えば、導波路層２１０ｂにおいてトレンチをエッチングすることによって、形成される。トレンチは、溝形のパターンを有することができる。回折格子の寸法は、フィルタの所望の帯域幅に従って算出される。寸法は、いくつかのファクター、例えば、動作波長、材料、温度および入射角に依存し、この材料は、例えば、ｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、あるいは、ＡｌＩｎＧａＡｓ組成またはＩｎＧａＡｓＰ組成に関するＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰであることができる。１.５５μｍの周期性の回折格子は、例えば、１−１０μｍであることができる。
【０４３３】
デバイスの動作中に、電流は、マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて光を生成するために、第１のｐ型コンタクト２２４ａとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。マスター光源１８０４のＭＱＷストリップにおいて生成された光は、ＭＱＷ層に沿って放出される。光は、ｐ型層２１６によって横方向に制限され、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、スレーブ光源１８０１のＭＱＷ層に入る。時間変化電流は、第２のｐ型コンタクト２２４ｂとｎ型コンタクト２２６との間に適用される。光は、このデバイス内の導波路領域中でマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。
【０４３４】
スレーブ光源１８０１のＭＱＷストリップにおいて生成されたシード光（seeded light）は、ＭＱＷ層に沿って放出される。この光は、ｐ型層２１６によって横方向に制限され、導波路層２１０ａおよび２１０ｂによって垂直方向に制限される。光は、周波数フィルタ３４５７のＭＱＷ層に入る。光は、このデバイス内の導波路領域中でスレーブ光源１８０１と周波数フィルタ３４５７との間を移動する。周波数フィルタ３４５７において、特定の波長が選択されることができる。
【０４３５】
図３５は、例えば図８に関して説明したように、実施形態に係る干渉システムの一部である、周波数フィルタ３５５７を含む光源の概略図を示す。図は、デバイスの平面図を示す。
【０４３６】
デバイスは基板１８４７を含む。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は基板上に集積される。例えば、図１８から図２９に示されるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１のいずれかが集積されることができる。マスター光源１８０４で生成された光はスレーブ光源１８０１に入る。光は、このデバイス内の導波路領域中でマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。スレーブ光源１８０１で生成されたシード光は、第２の導波路領域に沿って放出され、周波数フィルタ３５５７に入る。
【０４３７】
周波数フィルタ３５５７は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）周波数フィルタである。周波数フィルタ３５５７は、複数の導波路Ｌ１、…、Ｌｎを含み、これらはすべて第２の導波路領域に接続される。複数の導波路Ｌ１、…、Ｌｎおよび第２の導波路領域は、例えば、自由空間の領域によって接続されることができる。このようにして、第２の導波路領域に沿ってスレーブ光源１８０１から放出された光は、複数の導波路Ｌ１、…、Ｌｎに入る。導波路Ｌ１、…、Ｌｎは、異なる長さを有し、したがって、導波路の出口で異なる位相シフトを適用する。導波路の出口は出力カプラ（out coupler）３５５９に接続される。出力カプラ３５５９は、例えば、自由空間の領域であることができる。導波路を出る光は、出力カプラ３５５９を横切る。複数の出口導波路α１、…、αｎは出力カプラ３５５９に接続される。出力カプラ３５５９を横切った光は、各出力チャネルが特定の周波数の光だけを受信する方法で、出口導波路α１、…、αｎの入口で干渉する。所望の周波数に対応する出口導波路αｉは、干渉装置に接続されることができる。このようにして、ＡＷＧ周波数フィルタ３５５７において、異なる導波路パスＬ１〜Ｌｎにより、出力信号は周波数フィルタリングされる。
【０４３８】
導波路Ｌ１、…、Ｌｎおよび出口導波路α１、…、αｎは、ドライエッチングプロセスによってエッチングされたＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波路であることができる。ドライエッチングプロセスは、「垂直」側壁、すなわち、基板に垂直な側壁を有する導波路をエッチングするために使用されることができる。導波路のコアの基板の上の高さは、マスターレーザー１８０４およびスレーブレーザー１８０１の活性領域の高さと合わされる。マスターレーザー１８０４およびスレーブレーザー１８０１構造に依存して、導波路Ｌ１、…、Ｌｎおよび出口の波路α１、…、αｎは、例えば、選択領域エピタキシー成長ステップにおいて、すなわち、図１９（ａ）のステップＳ１０３において製造されもよい。導波路の幅は、例えば、動作波長、温度、材料、および組成に依存することができる。
【０４３９】
実施形態では、図８に関して説明した他のフィルタ８２６のような他のフィルタが基板上にさらに集積される。例えば、偏光子が基板上にさらに集積されていてもよい。偏光子は偏光ビームスプリッタを含むことができる。偏光ビームスプリッタは、例えば、導波路中に複屈折性を有するマッハツェンダー干渉計を製造することによって、基板上に製造されることができ、すなわち、導波路内部の屈折率は、光の偏光に依存する。干渉計の出力ビームスプリッタにおいて、１つの偏光モードは強め合って干渉し、他のモードは弱め合って干渉し、これは、これら２つのモードが複屈折に起因して不等な位相差を有するためである。それにより、１つの偏光モードは１つのアームにおいて出力ビームスプリッタを出て、第２の偏光モードは第２のアームにおいて出力ビームスプリッタを出る。出力ビームスプリッタの１つのアームだけが接続される場合、そのようなデバイスは偏光子として働く。
【０４４０】
図３６は、実施形態に係る、干渉装置３６６１を含む干渉システムの概略図を示す。図は平面図を示す。
【０４４１】
デバイスは基板１８４７を含む。マスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１は基板１８４７上に集積される。例えば、図１８から図２９に示されるマスター光源１８０４およびスレーブ光源１８０１のいずれかが基板上に集積されることができる。マスター光源１８０４で生成された光はスレーブ光源１８０１に入る。光は、このデバイス内の導波路領域中でマスター光源１８０４とスレーブ光源１８０１との間を移動する。スレーブ光源１８０１で生成されたシード光は、第２の導波路領域に沿って放出され、干渉装置３６６１に入る。
【０４４２】
干渉装置３６６１は、入力ビームスプリッタＡを含む。入力ビームスプリッタＡの第１の入力は第２の導波路に接続される。第２の導波路領域に沿って放出された光は、エバネセントビーム結合によって入力ビームスプリッタＡで分割される。入力ビームスプリッタＡの第１の出力は、干渉計の第１のアームを形成する第３の導波路領域に接続され、入力ビームスプリッタＡの第２の出力は、干渉計の第２のアームを形成する第４の導波路領に接続される。干渉計の第１のアームは、導波路のセクションＸを含む。導波路のセクションＸは、導波路のより長いセクションであることができ、これは、第１のアームが干渉計の第２のアームより長い光路長を有することを意味する。あるいは、導波路のセクションＸは、位相変調器であってもよく、これは、位相シフトが第１のアームに沿って移動する光に適用されることを意味する。あるいは、導波路のセクションＸは、振幅変調器であってもよい。
【０４４３】
第３の導波路は出力ビームスプリッタＢの第１の入力に接続され、第４の導波路は出力ビームスプリッタＢの第２の入力に接続される。
【０４４４】
導波路は、ドライエッチングプロセスによってエッチングされたＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波路であることができる。ドライエッチングプロセスは、「垂直」側壁、すなわち、基板に垂直な側壁を有する導波路をエッチングするために使用されることができる。導波路のコアの基板の上の高さは、マスターレーザー１８０４およびスレーブレーザー１８０１の活性領域の高さと合わされる。マスターレーザー１８０４およびスレーブレーザー１８０１構造に依存して、導波路は、例えば、選択領域エピタキシー成長ステップにおいて、すなわち、図１９（ａ）のステップＳ１０３において製造されてもよい。この場合、干渉装置およびスレーブレーザー１８０１の良好にエッチングされた端面は、良好な光結合を提供するために達成されることができる。導波路の幅は、動作波長、温度、材料およびその組成に依存することができる。
【０４４５】
干渉装置３６６１は、図９に関して説明された干渉装置に似ている。しかしながら、例えば図２、図１０、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２または図１３に関して上述されたような干渉装置は、同様の方法で基板上に集積されることができる。
【０４４６】
１以上の可変または固定ビームスプリッタ、スペクトルフィルタ、位相変調器、強度変調器および低速減衰器は、同様に、マスター光源およびスレーブ光源とともに半導体基板上に集積されることができる。
【０４４７】
減衰器は、マッハツェンダー干渉計を製造することによって製造されることができる。位相を調整することによって、出力ビームスプリッタの選択された出力からの光結合の量は変えることができる。位相調整は、マッハツェンダー干渉計の１つのアームの温度を調整することで得られるものと同じように遅い。
【０４４８】
リン化インジウムに基づいた位相変調器は、基板上に集積されることができる。リン化インジウムに基づいた位相変調器での位相シフトは、マルチ量子井戸構造における「量子閉じ込めシュタルク効果」によって引き起こされる。リン化インジウムに基づいた位相変調器では、電圧は、屈折率を変更するために適用され、それは、位相変調器を通過する光に位相シフトをもたらす。
【０４４９】
さらに、１以上の検出器、サーキュレータ、アイソレータ、高速位相変調器または強度変調器、偏光変調器、偏光ローテータ、スプリッタまたはコンバイナは、同様に、マスター光源およびスレーブ光源とともに半導体基板上に集積されることができる。
【０４５０】
偏光ローテータ、スプリッタまたはコンバイナは、ＩｎＰ基板上に製造されることができる。例えば、偏光ローテータは、「コンバータ」とも呼ばれ、「垂直」側壁、すなわち、基板に垂直な側壁と、１つの傾斜側壁、すなわち、基板に対して９０度以外の角度の１つの側壁と、を有する導波路を含んでいてもよい。これは、例えば、傾斜をエッチングすることによって製造されることができる。偏光ローテータを製造する他の方法は、周期的にロードされた導波路セクションまたは統合された屈曲を製造することを含む。偏光変調器は、入力および出力に偏光ローテータを有する、２つの偏光モード間に位相シフトを導入する位相変調器を製造することによって製造されることができる。スプリッタまたはコンバイナは、可変ビームスプリッタと同様の方法でマッハツェンダー干渉計を製造することによって製造されることができる。
【０４５１】
検出器は、ウエハ上に当該検出器を製造し、その後に他のコンポーネントが集積されている基板上にそれをフリップチップ接続することによって、基板上に集積されることができる。検出器は、例えば、絶縁基板の側面にフリップチップ接続されることができる。
【０４５２】
図１８から図３６に関して上述されたような半導体基板上に集積されたマスター光源およびスレーブ光源は、例えば図１０に関して説明されたようなＱＫＤシステムにおいて、または、例えば図１３に関して説明されたような測定装置無依存ＱＫＤシステムにおいて、使用されることができる。また、それは、光量子情報システムのための符号器において使用されてもよい。図１８から図３６に関して上述されたような半導体基板上に集積されたマスター光源およびスレーブ光源は、位相ランダム化量子および古典光学干渉アプリケーションにおいて使用されることができる。
【０４５３】
図１８から図３６に関して上述されたような半導体基板上に集積されたマスター光源およびスレーブ光源は、コンパクトなデバイスであり、それは、製造するおよび組み立てるのに低コスト且つ迅速である。
【０４５４】
デバイスは、単一の集積チップからレーザーパルスを発生させることができ、それは、小型で、安価で、製造容易で、従来の半導体プロセスを使用する大量製造に適している。デバイスは、向上したビジビリティ、時間分解能およびスペクトル分解能を提供し、小型のオンチップ光源である。
【０４５５】
デバイスは、共通の半導体基板を共有する２つの光学的に結合されたレーザーを含む。第１のレーザーは、第２のレーザーをシードするために使用される。これは、スレーブレーザーの自然放出に関連する時間ジッタを低減する。さらに、第２のレーザーの周波数モードは第１のレーザーによって定められ、それにより、第２のレーザーの周波数チャープを低減する。
【０４５６】
マスター光源およびスレーブ光源を含む集積チップは、時間ジッタ低減、すなわち、スレーブ光パルスの時間ジッタがマスター光パルスの時間ジッタよりも小さく、マスター光パルスの注入で生成されたスレーブ光パルスの時間ジッタがマスター光パルスの注入なしで生成された光パルスの時間ジッタよりも小さいこと、並びに、周波数チャープ低減、すなわち、シーディングによって生成された光パルスの帯域幅がシーディングなしで生成された場合のものよりも小さいことを可能にする。
【０４５７】
周波数フィルタは、光源と同じチップに集積されることができ、それにより、デバイスのサイズをさらに小さくすることができる。
【０４５８】
低時間ジッタおよび低周波数チャープの光源は、干渉実験装置において良好なビジビリティを得るために使用されることができる。光パルスの位相ランダム化がある光源は、ＱＫＤとＭＤＩ−ＱＫＤシステムにおいてセキュリティを保証するために使用されることができる。上述された光源は、低時間ジッタおよび低周波数チャープを備えたコンパクトなオンチップ光源である。
【０４５９】
ＱＫＤシステム、ＭＤＩ−ＱＫＤシステムまたは干渉実験装置のための送信機は、半導体基板上に集積された１以上のレーザーダイオード、位相変調器、強度変調器、カプラ／コンバイナ、ファイバー遅延線、偏光ビームスプリッタおよび減衰器のようなコンポーネントを使用して構築されることができる。
【０４６０】
図１８から図３６に関して上述されたような半導体基板上に集積されたマスター光源およびスレーブ光源は、単一の集積チップからランダム位相エンコードされた低時間ジッタ・低周波数チャープレーザーパルスを出力し、それは、小型で、安価で、製造容易で、従来の半導体プロセスを使用する大量製造に適している。
【０４６１】
マスター光源およびスレーブ光源が基板上に集積される干渉システムは、小型でコンパクトであることができる。干渉システムは、低い時間ジッタを有し、それは、干渉または正確なタイミングに基づいたアプリケーションを可能にする。スレーブ光パルスから放出された光パルスはランダムな位相関係を有する。隣接するパルス間の位相のこの自動ランダム化は、例えば、ＱＫＤ関連アプリケーションにおいてセキュリティに利益をもたらす。
【０４６２】
マスター光源およびスレーブ光源が基板上に集積される干渉システムは、量子乱数発生器（ＱＲＮＧ）の一部として使用されることができる。図２に示されるシステムは、例えば、ＱＲＮＧとして使用されることができる。図２に示されるコンポーネントのすべては、基板上に集積されていてもよい。マスター光源２０３および２０４並びにスレーブ光源２０１および２０２が単一のチップ上に集積される、図２に示されるようなＱＲＮＧは、コンパクトなＱＲＮＧを提供する。スレーブ光源２０１および２０２から放出された光パルスは、低い時間ジッタを有し、そのため、短い光パルスが生成されることができ、それは、なおもビームスプリッタ２０６で良好な時間的オーバーラップをもたらす。これは、ビームスプリッタ２０６での良好な干渉を確実にするために長い光パルスを生成する必要がなくなるので、ＱＲＮＧが高速であることを意味する。
【０４６３】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際、ここに説明される新規な方法および装置は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここに説明される方法および装置の形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付された特許請求の範囲とその均等は、発明の範囲および意図に含まれる変形を含むように意図される。
【図１】
2016042694.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016042694.tif 000009
【図６】
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【図７】
2016042694.tif 000011
【図８】
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【図９】
2016042694.tif 000013
【図１０】
2016042694.tif 000014
【図１１（ａ）】
2016042694.tif 000015
【図１１（ｂ）】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図１９（ｃ）】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2016042694.tif 000032
【図２６（ａ）】
2016042694.tif 000033
【図２６（ｂ）】
2016042694.tif 000034
【図２７】
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【図２８（ａ）】
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【図２８（ｂ）】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１（ａ）】
2016042694.tif 000040
【図３１（ｂ）】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
2016042694.tif 000045
【図３６】
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【外国語明細書】
2016042694000001.pdf