(57)【要約】【課題】信号光の波形劣化を抑制した、短パルス信号光の電磁波誘起透過方法及びその装置を提供すること。【解決手段】実施形態１に係る、中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓ（＜Δｆｚ）の短パルス信号光の電磁波誘起透過方法は、ステップＳ５０１で、第１の光源４０６から光周波数ｆｐの第１の制御光を、光学遷移周波数が中心周波数をＦＯとしてΔＦＯの分布幅を有しているガラス媒体４０１に入力する。中心周波数ｆｓは分布幅ΔＦＯの範囲内に入るように設定し、光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚに設定する。次いでステップＳ５０２で、第２の光源４０７から光周波数ｆｈの第２の制御光をガラス媒体４０１に入力する。第２の制御光の光周波数ｆｈは、短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲を覆うようにｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２の範囲で掃引される。最後にステップＳ５０３で、第１の制御光および短パルス信号光をガラス媒体４０１に入力する。【選択図】図５
2009036902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光の電磁波誘起透過方法であって、
複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであって、前記中心周波数ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体を、数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、
冷却された前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値がｆｚであり、分布幅がΔｆｓより大きいΔｆｚであるゼーマン分裂を生じさせる磁場印加ステップと、
光周波数ｆｐの第１の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ０からＴ１まで入力する第１の制御ステップであって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の制御ステップと、
光周波数ｆｈの第２の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ１からＴ２まで入力する第２の制御ステップであって、前記光周波数ｆｈは時間Ｔ１からＴ２までの間に、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２までの範囲にわたり掃引される第２の制御ステップと、
前記第１の制御光および前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に時間Ｔ２からＴ３まで入力して、前記短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現ステップと
を含むことを特徴とする電磁波誘起透過方法。
【請求項２】
搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する短パルス信号光の電磁波誘起透過方法であって、
複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであって、前記搬送波成分ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体を、数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、
冷却された前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値ｆｚおよび分布幅ΔｆｚがΔｆｍより小さいゼーマン分裂を生じさせる磁場印加ステップと、
搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ０からＴ１まで入力する第１の制御ステップであって、前記搬送波成分ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の制御ステップと、
搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ１からＴ２まで入力する第２の制御ステップと、
前記第１の制御光および前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に時間Ｔ２からＴ３まで入力して、前記短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現ステップと
を含むことを特徴とする電磁波誘起透過方法。
【請求項３】
前記ガラス媒体は、光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波誘起透過方法。
【請求項４】
中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光の電磁波誘起透過装置であって、
複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであるガラス媒体であって、中心周波数ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体と、
前記ガラス媒体を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置と、
前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値がｆｚであり、分布幅がΔｆｓより大きいΔｆｚであるゼーマン分裂を生じさせる磁場印加装置と、
光周波数ｆｐの第１の制御光を前記ガラス媒体に入力する第１の光源であって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の光源と、
光周波数ｆｈの第２の制御光を前記ガラス媒体に入力する第２の光源と、
前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に入力する入力ポートと、
前記ガラス媒体を伝搬した前記短パルス信号光を出力する出力ポートと、
前記第１の光源を時間Ｔ０からＴ１までオンにする第１の制御手段と、
前記第２の光源を時間Ｔ１からＴ２までオンにする第２の制御手段であって、前記光周波数ｆｈを、時間Ｔ１からＴ２までの間に、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２までの範囲にわたり掃引する第２の制御手段と、
前記短パルス信号光の入力に同期して、前記第１の光源を時間Ｔ２からＴ３までオンにし、前記短パルス信号光の光周波数スペクトル全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現手段と
を備えることを特徴とする電磁波誘起透過装置。
【請求項５】
搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する短パルス信号光の電磁波誘起透過装置であって、
複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであるガラス媒体であって、搬送波成分ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体と、
前記ガラス媒体を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置と、
前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値ｆｚおよび分布幅ΔｆｚがΔｆｍより小さいゼーマン分裂を生じさせる磁場印加装置と、
搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の光源であって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の光源と、
搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光を前記ガラス媒体に入力する第２の光源と、
前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に入力する入力ポートと、
前記ガラス媒体を伝搬した前記短パルス信号光を出力する出力ポートと、
前記第１の光源を時間Ｔ０からＴ１までオンにする第１の制御手段と、
前記第２の光源を時間Ｔ１からＴ２までオンにする第２の制御手段と、
前記短パルス信号光の入力に同期して、前記第１の光源を時間Ｔ２からＴ３までオンにし、前記短パルス信号光の光周波数スペクトル全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現手段と
を備えることを特徴とする電磁波誘起透過装置。
【請求項６】
前記ガラス媒体は、光ファイバであることを特徴とする請求項４または５に記載の電磁波誘起透過装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波誘起透過方法及びその装置に関し、より詳細には、短パルス信号光の電磁波誘起透過方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波誘起透過（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ＩｎｄｕｃｅｄＴｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）技術は、物質中を伝搬する信号光が物質と強く相互作用している場合でも、周波数および強度について所定の条件を満たすように制御光を入射することで、物質との強い相互作用と低損失光伝搬という背反する要求を同時に満たすことを可能にするものである。ＥＩＴは、自然現象として興味深いだけでなく、物質を介した光と光との強い相互作用の実現や、反転分布の形成を必要としない効率的な光増幅など、量子エレクトロニクスの分野において数多くの技術的応用が期待されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
特に近年では、ＥＩＴにより、物質の分散特性の共鳴周波数付近において著しい変調が生じることを利用して、伝搬する光の速度を極度に遅くしたり、速度ゼロの極限として光の状態をその位相情報を損なうことなく一時的に物質中に記憶して後から読み出すという実験結果も報告されている。これは光の量子力学的な状態の記憶をも可能にするものとして大きな期待をもたれている。
【０００４】
以下、ＥＩＴの物理的な原理を簡単に説明する。図１は、信号光が伝搬する物質を構成する個々の原子またはイオンに属する電子のエネルギー凖位を示している。ここで凖位１と凖位２は２つの異なる基底状態であり、凖位３は励起状態である。凖位１と凖位３および凖位２と凖位３は、光学遷移によりそれぞれ結びついている。凖位１と凖位２とのエネルギー差は光学遷移周波数（数百ＴＨｚ）に比べてはるかに小さい（１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚ）ため、充分に低温（数ケルビン程度）であれば電子は凖位１および凖位２にほぼ等確率で分布し、凖位３にいることはない。凖位１および凖位２としては、１つのエネルギー凖位が超微細構造相互作用（電子と原子核の電磁気的モーメントとの間の相互作用）や磁場によるゼーマン効果（電子の磁気モーメントと外部磁場との間の相互作用）によって複数の凖位に分裂したものを用いることが多い。
【０００５】
信号光の光周波数ｆｓを、凖位２と準位３との間の光学遷移周波数Ｆ２３に共鳴するように設定すると、電子は、信号光との相互作用によって凖位２と凖位３との間を周期的に往復する。平均すると凖位３に電子を見出す確率が増加するため、共鳴条件下では信号光は少なからぬ吸収を被る。
【０００６】
こうした信号光の吸収を抑制するために、光周波数ｆｐが凖位１と凖位３との間の光学遷移周波数Ｆ１３に共鳴するように設定された制御光を入射する。ここで、凖位１、凖位２、および凖位３の電子の量子状態（波動関数）をそれぞれ｜１＞、｜２＞、および｜３＞と表し、制御光中に光周波数ｆｐの光子がＮ個含まれている光の量子状態を｜Ｎ＞phと表すことにする。電子と制御光との相互作用によって、物質と制御光とからなる系は２つの量子状態｜１＞｜Ｎ＞phと｜３＞｜Ｎ−１＞phの間を往復することになる。後者は、電子が光子を１つ吸収して凖位１から準位３へ遷移した状態である。これら２つの状態のエネルギーは等しいが、両者が光−電子相互作用を介して結合しているため、系の量子状態は、
｜Ａ＞＝（｜１＞｜Ｎ＞ph＋｜３＞｜Ｎ−１＞ph）／√２，
｜Ｂ＞＝（｜１＞｜Ｎ＞ph−｜３＞｜Ｎ−１＞ph）／√２
によって記述される異なるエネルギー凖位ＥAおよびＥBをそれぞれ有する２つの複合状態（「ドレスド状態」と呼ばれる。）に分離することになる（非特許文献２参照）。ドレスド状態は、図２に示すように、凖位３のエネルギー凖位が制御光との相互作用によってＥAとＥBにわずかに上下に等しく分離したものとも見做せる。
【０００７】
この状態で、信号光の光周波数ｆｓを光学遷移周波数Ｆ２３と共鳴するように設定して入射すると、信号光に対する吸収が消失する。なぜならば、状態｜２＞から状態｜Ａ＞への光学遷移の確率振幅と、状態｜２＞から状態｜Ｂ＞への光学遷移の確率振幅とが互いに大きさが等しく逆符号になっていて打ち消し合うためである。凖位２と凖位１との間の光学遷移の確率は極めて小さく無視できる。
【０００８】
このように、制御光を入射してドレスド状態を生じさせることによって、共鳴条件下であるにもかかわらず信号光に対する吸収をゼロにする又は抑制することが可能である。換言すると、制御光と信号光を物質に同時に入射する際に、信号光の周波数ｆｓを、凖位２と凖位３との間の共鳴周波数とし、制御光の周波数ｆｐと信号光の周波数ｆｓとの差（ｆp−ｆs）を、凖位１と凖位２との間のエネルギー差に対応する周波数差Ｆ１２（＝Ｆ１３−Ｆ２３）に一致させるのがＥＩＴを発現するための条件（これを「ＥＩＴ条件」と呼ぶ。）である。なお、状態｜Ａ＞や｜Ｂ＞から｜１＞への光学遷移が禁制になるわけではないことに注意されたい。
【０００９】
図３に、信号光の吸収透過特性α（複素屈折率の虚数部）および分散特性Δｎ（複素屈折率の実数部）を、信号光の光周波数ｆｓの凖位２−３間の共鳴周波数からのずれδｆｓの関数として示す。ＥＩＴ条件下では、共鳴周波数付近において吸収が急激にゼロになるとともに屈折率の周波数依存性が顕著になる。これらの特性を利用して、光の伝搬速度を制御したり損失を抑制したまま非線形相互作用を増強するなど、信号光と物質を強く相互作用させることができる（非特許文献３および４参照）。
【００１０】
実際にＥＩＴを実現するためには、信号光を伝搬させる物質として、アルカリ原子を封入した気体セル、レーザー冷却によって自由運動を抑制した冷却アルカリ原子集団、または希土類イオンを多数ドープしたイオン性結晶を用いることが多い。特に希土類イオンドープ結晶は、ＥＩＴを起こすイオンの空間密度が数桁高いこと、イオンが空間的に固定されており拡散がないこと、固体であり扱いが容易であることから最近よく用いられるようになっている（非特許文献５および６参照）。
【００１１】
【非特許文献１】S.E. Harris, “Electromagnetically induced transparency,” Physics Today, June, p.36, 1997
【非特許文献２】P. Meystre and M. Saegent III, “Elements of Quantum Optics,” Chapter 13, Springer-Verlag, 1991
【非特許文献３】S.E. Harris et al., “Nonlinear optical processes using electromagnetically induced transparency,” Physical Review Letters., 64, p.1107, 1990
【非特許文献４】L. Hau et al., “Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas,” Nature, 397, p.594, 1999
【非特許文献５】市村厚一、「固体での電磁波誘起透明化」、光学29巻8号、2000
【非特許文献６】A.V. Turukhin et al., “Observation of Ultraslow and Stored Light Pulses in a Solid,” Physical Review Letters, 88, 023602, 2002
【非特許文献７】V.S. Zapasskii, “Optical detection of Spin-System Magnetization in Rare-Earth-Activated Crystals and Glasses,” chapter 12 in Spectroscopy of Solids Containing Rare Earth Ions edited by A.A. Kaplyanskii and R.M. Macfarlane, Elsevier Science Publishers B.V., 1987
【非特許文献８】鈴木博之、光永正治、「超高分解能分光法とその応用−スペクトルホールバーニングとフォトンエコー」、電子情報通信学会編、p.57、1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、信号光が、連続光や比較的時間幅の長いパルス光ではなく、短パルス光の場合、従来のＥＩＴ技術では低損失光伝搬を十分に実現できない。時間軸上に多くの情報をのせて高速に処理するためには、信号光のパルス時間幅を少なくとも１ｎ秒程度に短くすることが望まれ、これは周波数帯域幅では１ＧＨｚに相当する。この場合、光スペクトルでみると信号光はパルス時間幅の逆数で定義される「光周波数拡がり」を持つ。ＥＩＴは光周波数に敏感な物理現象であるため、ある光周波数においてＥＩＴ条件を満たしていても、光周波数スペクトルに含まれる他の光周波数では吸収が生じ、信号光の波形が劣化してしまう。
【００１３】
原子気体セルやレーザ冷却原子、または希土類ドープ結晶等を利用した現状の方法では、ＥＩＴの周蓮帯域幅をここまで拡げるのは極めて困難であると考えられる。ＥＩＴの可能な周波数帯域幅は現状では最大でも数ＭＨｚ程度であり、これは時間幅に直すとμ秒の程度である。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号光の波形劣化を抑制した、短パルス信号光の電磁波誘起透過方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光の電磁波誘起透過方法であって、複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであって、前記中心周波数ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体を、数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、冷却された前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値がｆｚであり、分布幅がΔｆｓより大きいΔｆｚであるゼーマン分裂を生じさせる磁場印加ステップと、光周波数ｆｐの第１の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ０からＴ１まで入力する第１の制御ステップであって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の制御ステップと、光周波数ｆｈの第２の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ１からＴ２まで入力する第２の制御ステップであって、前記光周波数ｆｈは時間Ｔ１からＴ２までの間に、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２までの範囲にわたり掃引される第２の制御ステップと、前記第１の制御光および前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に時間Ｔ２からＴ３まで入力して、前記短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現ステップとを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２に記載の本発明は、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する短パルス信号光の電磁波誘起透過方法であって、複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであって、前記搬送波成分ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体を、数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、冷却された前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値ｆｚおよび分布幅ΔｆｚがΔｆｍより小さいゼーマン分裂を生じさせる磁場印加ステップと、搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ０からＴ１まで入力する第１の制御ステップであって、前記搬送波成分ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の制御ステップと、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光を、前記ガラス媒体に時間Ｔ１からＴ２まで入力する第２の制御ステップと、前記第１の制御光および前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に時間Ｔ２からＴ３まで入力して、前記短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現ステップとを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または２において、前記ガラス媒体は、光ファイバであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４に記載の本発明は、中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光の電磁波誘起透過装置であって、複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであるガラス媒体であって、中心周波数ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体と、前記ガラス媒体を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置と、前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値がｆｚであり、分布幅がΔｆｓより大きいΔｆｚであるゼーマン分裂を生じさせる磁場印加装置と、光周波数ｆｐの第１の制御光を前記ガラス媒体に入力する第１の光源であって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の光源と、光周波数ｆｈの第２の制御光を前記ガラス媒体に入力する第２の光源と、前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に入力する入力ポートと、前記ガラス媒体を伝搬した前記短パルス信号光を出力する出力ポートと、前記第１の光源を時間Ｔ０からＴ１までオンにする第１の制御手段と、前記第２の光源を時間Ｔ１からＴ２までオンにする第２の制御手段であって、前記光周波数ｆｈを、時間Ｔ１からＴ２までの間に、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２までの範囲にわたり掃引する第２の制御手段と、前記短パルス信号光の入力に同期して、前記第１の光源を時間Ｔ２からＴ３までオンにし、前記短パルス信号光の光周波数スペクトル全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現手段とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項５に記載の本発明は、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する短パルス信号光の電磁波誘起透過装置であって、複数個の希土類イオンがドープされ、光学遷移周波数が中心周波数ＦＯ、分布幅ΔＦＯであるガラス媒体であって、搬送波成分ｆｓが前記分布幅ΔＦＯの範囲内であるガラス媒体と、前記ガラス媒体を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置と、前記ガラス媒体に磁場を印加して、前記複数個の希土類イオンのそれぞれの４ｆ電子系のエネルギー準位に、平均値ｆｚおよび分布幅ΔｆｚがΔｆｍより小さいゼーマン分裂を生じさせる磁場印加装置と、搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の光源であって、前記光周波数ｆｐはｆｓ＋ｆｚである第１の光源と、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光を前記ガラス媒体に入力する第２の光源と、前記短パルス信号光を前記ガラス媒体に入力する入力ポートと、前記ガラス媒体を伝搬した前記短パルス信号光を出力する出力ポートと、前記第１の光源を時間Ｔ０からＴ１までオンにする第１の制御手段と、前記第２の光源を時間Ｔ１からＴ２までオンにする第２の制御手段と、前記短パルス信号光の入力に同期して、前記第１の光源を時間Ｔ２からＴ３までオンにし、前記短パルス信号光の光周波数スペクトル全範囲においてＥＩＴ条件を充足させる電磁波誘起透過発現手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項４または５において、前記ガラス媒体は、光ファイバであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複数個の希土類イオンがドープされたガラス媒体に対する第１および第２の制御光による半永続的ホールバーニングを利用して、短パルス信号光の光周波数スペクトル全範囲においてＥＩＴ条件を充足させることにより、信号光の波形劣化を抑制した、短パルス信号光の電磁波誘起透過方法及びその装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明するが、まず、本発明の原理の説明を行い、次いで実施形態１および２について述べる。
（本発明の原理）
本発明では、短パルス信号光を伝搬させる物質として、希土類イオンをドープしたガラス媒体を用いる。固体中に希土類イオンをドープすると、周辺の局所的な分子電場の微妙な相違に起因して、ゼーマン効果によるエネルギー分裂の大きさδＥｚが希土類イオン毎に異なる。ゼーマン効果によるエネルギー分裂は、印加した磁場の強さをＨ、比例係数をＧとして
δＥｚ＝Ｇ・Ｈ
と表されるが、比例定数Ｇに分布が生じることになる。固体の中でも特に原子やイオンが不規則な構造を有するガラス媒体中に希土類イオンをドープすると、４ｆ電子の軌道角運動量やスピン（あるいは軌道角運動量とスピンを合成した合成角運動量）の振る舞いが周辺の局所的な分子電場の影響を強く受ける。この場合、エネルギー分裂δＥｚに対応する周波数の平均値ｆｚと統計的な分布幅Δｆｚが同程度の大きさになることが実験により知られている（非特許文献７参照）。平均値ｆｚの値は磁場の強さによってほぼ任意に調整可能である。平均値ｆｚが変化するに伴い分布幅Δｆｚも変化する。
【００２３】
図１に示したようにゼーマン分裂した２つの基底状態を凖位１および凖位２として用いると、希土類イオンをドープしたガラス媒体では、準位１−２間のエネルギー差がΔｆｚの分布幅を有する。したがって、制御光の光周波数ｆｐをある値に固定しても、ＥＩＴ条件を満たす信号光の光周波数ｆｓに±Δｆｚ／２の幅が許容される。分布幅Δｆｚは磁場の強さＨによって数ＧＨｚ程度まで調整できるので、周波数帯域幅が１ＧＨｚ程度である短パルスの信号光であっても信号光の光周波数スペクトルの全範囲にわたってＥＩＴ条件を充足することが可能になる。
【００２４】
希土類イオンをドープしたガラス媒体ではなく従来の物質であると、エネルギー分裂δＥｚの分布幅Δｆｚがガラス媒体のようには大きくならず、パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲にわたってＥＩＴ条件を満たすことができないので、信号光の波形が劣化する。
【００２５】
（実施形態１）
図４は、実施形態１に係る電磁波誘起透過方法を実施するための装置を示している。装置４００は、複数個の希土類イオンをドープしたガラス媒体４０１と、ガラス媒体４０１を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置４０２と、ガラス媒体４０１に磁場を印加する磁場印加装置４０３と、中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光をガラス媒体４０１に入力する入力ポート４０４と、ガラス媒体４０１を伝搬した短パルス信号光を外部に出力する出力ポート４０５と、光周波数がｆｐである第１の制御光をガラス媒体４０１に入力する第１の光源４０６と、光周波数がｆｈである第２の制御光をガラス媒体４０１に入力する第２の光源４０７と、第１の光源４０６および第２の光源４０７を同期制御する同期制御部４０８とを備える。
【００２６】
ガラス媒体４０１の光学遷移周波数は、中心周波数をＦＯとしてΔＦＯの分布幅を有している。これは、上述したゼーマン分裂の分布のように希土類イオン毎に局所的な環境が微妙に異なることによる。中心周波数ＦＯは数百ＴＨｚであり、分布幅ΔＦＯは数ＴＨｚである。磁場を印加すると、ガラス媒体４０１中のゲストイオンのそれぞれについてゼーマン分裂が生じるが、光学遷移周波数の分布をほとんど変化させない。短パルス信号光の中心周波数ｆｓは、分布幅ΔＦＯの範囲内に入るように設定する。
【００２７】
冷却装置４０２は、たとえば液体ヘリウムによるクライオスタットとすることができる。同期制御部４０８は、以下に説明するステップを実行する手段として機能する。
【００２８】
以下、図５〜８を参照して本実施形態に係る電磁波誘起透過方法を説明する。  
まず、ガラス媒体４０１を数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、ガラス媒体４０１に磁場を印加する磁場印加ステップを実行する。
【００２９】
ガラス媒体４０１にドープされた希土類イオン（以下、ドープされた希土類イオンを「ゲストイオン」と呼ぶ。）の４ｆ電子系の基底状態および励起状態を考える。基底状態は、磁場印加装置４０３により印加された磁場により準位１と準位２にゼーマン分裂する。励起状態の凖位３もゼーマン効果によって分裂するが、説明の簡素化のため最低エネルギーの凖位のみを凖位３とみなす。本発明の原理において説明したように、準位２は、準位１−２間のエネルギー差に対応する周波数の平均値ｆｚと同程度の大きさの分布幅Δｆｚで分布している（図６（ａ））。磁場の大きさＨは、分布幅Δｆｚが光周波数拡がりΔｆｓより大きくなるように設定する。
【００３０】
ステップＳ５０１（第１の制御ステップに対応）で、時間Ｔ０からＴ１にわたって、第１の光源４０６から光周波数がｆｐである第１の制御光をガラス媒体４０１に入力する。光周波数ｆｐは、ｆｓ＋ｆｚに設定する。図６は、ステップＳ５０１の間に起こる現象を示している。
【００３１】
第１の制御光を入力すると、凖位１−３間の光学遷移の共鳴周波数Ｆ１３が光周波数ｆｐに一致する一群のゲストイオン群Ａが光学的に励起される（図６（ａ））。時間Ｔ１まで第１の制御光の入力を続けると、ゲストイオン群Ａの準位１に存在する電子は、凖位３への励起とその後の脱励起をへて、凖位１から凖位２へ移行する（図６（ｂ））。同時に、凖位２−３間の光学遷移の共鳴周波数Ｆ２３が光周波数ｆｐに一致するような別の一群のゲストイオン群Ｃにおいては、電子分布が凖位２から準位１へ移行する（図６（ｃ））。
【００３２】
こうして電子分布の移行が完了すると、光周波数ｆｐの光を共鳴条件で吸収できる電子がいなくなるため、ガラス媒体４０１は、周波数ｆｐの光に対して光学活性を失う。背景技術で述べたように、凖位１および凖位２の電子状態は数ケルビンの温度では安定であるため、この状態はしばらくの間持続する。適切な温度は、使用するガラス媒体に応じて異なる。このように、いわば吸収スペクトル上に光学活性の消失に伴う吸収ゼロのホールが空いて、かつホールが長時間持続することを「半永続的ホールバーニング」という（非特許文献８参照）。例えばガラス媒体中にドープしたエルビウム（Ｅｒ）イオンでは、安定時間が数１０秒から数分に及ぶと試算される。
【００３３】
次いでステップＳ５０２（第２の制御ステップに対応）で、時間Ｔ１からＴ２にわたって、第２の光源４０７から光周波数がｆｈである第２の制御光をガラス媒体４０１に入力する。図７は、ステップＳ５０２の間に起こる現象を示している。
【００３４】
第２の制御光の光周波数ｆｈは、短パルス信号光の光周波数スペクトルの全範囲を覆うように、最小値ｆｓ−Δｆｓ／２から最大値ｆｓ＋Δｆｓ／２の範囲で連続的に掃引される（図５）。この操作によって、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２の範囲に凖位２−３間の光学遷移の共鳴光周波数を有する一群のゲストイオン群Ｂでは、凖位３への光学励起と続く脱励起を経て電子の分布が凖位２から凖位１へ移行する（図７（ａ））。同様に、上記の周波数範囲に凖位１−３間の光学遷移の共鳴光周波数を有する別の一群のゲストイオン群Ｄでは、電子の分布が凖位１から凖位２へ移行する（図７（ｂ））。こうして電子分布の移行が完了すると、ｆｓ−Δｆｓ／２からｆｓ＋Δｆｓ／２の光周波数の光を共鳴条件で吸収できる電子がいなくなるため、ガラス媒体は上記の範囲の光周波数を有する光の入力に対して光学活性を失う。ゲストイオン群Ａとゲストイオン群Ｂの共通部分集合をなす一群のゲストイオン群ＡＢを考えると、第２の制御光の照射によって凖位２から凖位１へ電子分布が移行し、光周波数ｆｐの第１の制御光に対する光学活性が復活する（図８）。図５では、ステップＳ５０２の掃引がｆｓ＋Δｆｓ／２からｆｓ−Δｆｓ／２に向かってなされるように示してあるが、このような態様に制限する意図ではない。
【００３５】
最後にステップＳ５０３（電磁波誘起透過発現ステップに対応）で、時間Ｔ２からＴ３にわたって、光周波数ｆｐの第１の制御光および中心周波数ｆｓ、光周波数拡がりΔｆｓの短パルス信号光をガラス媒体４０１に入力する。第１の制御光の入力により、ゲストイオン群ＡＢに限って凖位１と凖位３が結合してドレスド状態が形成される。短パルス信号光は、その光周波スペクトルの全範囲において第１の制御光とＥＩＴ条件を充足しているので、信号光の波形劣化を抑制した、短パルス信号光の電磁波誘起透過が実現できる。
【００３６】
一方で、他のゲストイオン群では、依然として第１の制御光のみならずパルス信号光に対しても光学的に不活性のままであり、制御光と電子との相互作用およびパルス信号光と電子との相互作用はオフになっている。そのためＥＩＴ条件から外れているゲストイオン群による余計な光吸収は生じない。このようにＥＩＴ発現のための理想的な状況が実現される。
【００３７】
同期制御部４０８は、ステップＳ５０１およびＳ５０２の実行にあたり第１の光源４０６および第２の光源４０７のオン・オフを同期制御する。ステップＳ５０３では、短パルス信号光の入力に同期して第１の光源４０６のオン・オフを行う。ＥＩＴ発現のための理想的な状況が実現されているステップＳ５０３の状態が持続する時間は、ゲストイオンの凖位１と凖位２の安定継続時間τによって制限されるが、実際にはτよりやや短い時間で周期的にステップＳ５０１〜Ｓ５０３を繰り返すような使用を想定している。
【００３８】
ガラス媒体４０１として、光ファイバを利用することで、ＥＩＴ条件を満たしたまま比較的長い距離を伝搬させて、伝搬遅延の効果や非線形光学効果の実施的な増強を図ることができる。
【００３９】
また、レーザー光の光周波数の設定確度には誤差があり、従来の電磁波誘起透過方法ではＥＩＴ条件を充足させることが一般に困難であるが、本実施形態に係る電磁波誘起透過方法によれば、印加する磁場の大きさＨを調整することによりＥＩＴが生じる光周波数の範囲（帯域）を十分に広くとれる。
【００４０】
なお、以上では本実施形態に係る電磁波誘起透過方法に関して説明をしたが、同期制御部４０８はステップＳ５０１〜Ｓ５０３を実行する手段として機能するので、本発明は、同期制御部４０８がそのように機能する電磁波誘起透過装置を包含することが意図されている。
【００４１】
（実施形態２）  
実施形態２に係る電磁波誘起透過方法は、繰り返し周期を有する短パルス信号光の電磁波誘起透過方法である。
【００４２】
たとえば、繰り返し周期Ｔ＝０．１ｎｓ、パルス時間幅ΔＴ＝１０ｐｓとすると、この信号光の光周波数スペクトルは、繰り返し周期Ｔにわたる短パルス信号光の強度の平均値に相当する搬送波成分ｆｓを中心として、両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ。Δｆｍはこの場合１／Ｔ＝１０ＧＨｚ程度であり、光周波数拡がりΔｆｓは１／ΔＴ＝１００ＧＨｚ程度である。このような信号光は、各々を単色スペクトルとみなせる変調周波数成分の集合として捉えることができる（図９（ａ）参照）。
【００４３】
実施形態１に係る電磁波誘起透過方法では、本発明の原理において上述したように印加した磁場の強さＨの調整により数ＧＨｚ程度まで光周波数拡がりΔｆｓを許容することができる。しかしながら、信号光の繰り返し周期Ｔが１ｎｓ未満になりΔｆｍが１０ＧＨｚ程度もしくはそれ以上となると、磁場の強さＨの調整により２つ以上のスペクトル成分についてＥＩＴ条件を充足させることができなくなる。
【００４４】
そこで、本実施形態に係る電磁波誘起透過方法は、短パルス信号光の光周波数スペクトル成分（搬送波成分および変調周波数成分）毎にＥＩＴ条件を充足させるために、第１の制御光および第２の制御光として、信号光とスペクトル形状が相似であり、繰り返し周期を有する短パルス光を利用する。
【００４５】
図９（ｂ）は、第１の制御光の光周波数スペクトルを示している。第１の制御光は、短パルス信号光の光周波数スペクトルをｆｚだけ正の方向にずらしたものであり、搬送波成分ｆｐが、ｆｓ＋ｆｚである。ｆｚおよびΔｆｚの値は基本変調周波数Δｆｍより小さくなるように磁場の強さを調整する。仮に、ｆｚおよびΔｆｚが周波数間隔Δｆｍを超えると、信号光の各変調束帯波成分に対するホールバーニングが有効に機能しなくなってしまう。なぜならば準位２−３間遷移がｆｓ＋ｋΔｆｍ（ｋは整数）に共鳴すると同時に準位１−３間遷移が周波数ｆｓ＋（ｋ＋１）Δｆｍに共鳴してしまうような希土類イオンが用意されてしまうからである。この場合、周波数ｆｓ＋（ｋ＋１）Δｆｍを有する変調束帯波成分に対する吸収は消失しない。このことはすべてのｋの値について当てはまるので、信号光の各変調周波数成分に対するホールバーニングの効率が著しく低下してしまう。第２の制御光は、短パルス信号光と全く同じものを利用すれば充分である。
【００４６】
このようにして、光周波数スペクトル成分毎にＥＩＴ条件を満たすようなゲストイオン群だけを光学活性にすることにより、繰り返し周期を有する短パルス信号光に対するＥＩＴが可能になる。以下、より詳細に説明する。
【００４７】
図１０は、実施形態２に係る電磁波誘起透過方法を実施するための装置を示している。装置１０００は、複数個の希土類イオンをドープしたガラス媒体４０１と、ガラス媒体４０１を数ケルビンの温度まで冷却する冷却装置４０２と、ガラス媒体４０１に磁場を印加する磁場印加装置４０３と、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する短パルス信号光をガラス媒体４０１に入力する入力ポート１００４と、ガラス媒体４０１を伝搬した短パルス信号光を外部に出力する出力ポート１００５と、搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の制御光をガラス媒体４０１に入力する第１の光源１００６と、搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光をガラス媒体４０１に入力する第２の光源１００７と、第１の光源１００６および第２の光源１００７を同期制御する同期制御部１００８とを備える。
【００４８】
ガラス媒体４０１の光学遷移周波数は、中心周波数をＦＯとしてΔＦＯの分布幅を有している。中心周波数ＦＯは数百ＴＨｚであり、分布幅ΔＦＯは数ＴＨｚである。磁場を印加すると、ガラス媒体４０１中のゲストイオンのそれぞれについてゼーマン分裂が生じるが、光学遷移周波数の分布をほとんど変化させない。短パルス信号光の搬送波成分ｆｓは、分布幅ΔＦＯの範囲内に入るように設定する。分布幅ΔＦＯは数ＴＨｚと大きいので、多くの変調周波数成分を包含できる。
【００４９】
冷却装置４０２は、たとえば液体ヘリウムによるクライオスタットとすることができる。同期制御部１００８は、以下に説明するステップを実行する手段として機能する。
【００５０】
以下、図１０および１１を参照して本実施形態に係る電磁波誘起透過方法を説明する。
【００５１】
まず、ガラス媒体４０１を数ケルビンの温度まで冷却する冷却ステップと、ガラス媒体４０１に磁場を印加する磁場印加ステップを実行する。磁場の大きさＨは、ゼーマン分裂に対応する周波数の平均値ｆｚおよび分布幅Δｆｚが基本変調周波数Δｆｍより小さくなるように設定する。Δｆｍがあまり小さいと、準位１−２間のエネルギー差が十分にない希土類イオンの占める割合が多くなり、ホールバーニングの効果が低下してしまうと予想されるので、概ね１／１０程度を下限とする。
【００５２】
ステップＳ１１０１で、（第１の制御ステップに対応）で、時間Ｔ０からＴ１にわたって、第１の光源１００６から搬送波成分ｆｐを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第１の制御光をガラス媒体４０１に入力する。搬送波成分ｆｐは、ｆｓ＋ｆｚに設定する。第１の制御光を入力すると、実施形態１において説明したのと同様の原理でホールバーニングが生じて、ガラス媒体４０１が光周波数ｆｐ±ｋΔｆｍ（ｋは整数）の光に対して光学活性を失う。
【００５３】
次いでステップＳ１１０２（第２の制御ステップに対応）で、時間Ｔ１からＴ２にわたって、第２の光源１００７から搬送波成分ｆｓを中心として両側に変調周波数成分がΔｆｍの間隔で並ぶ、繰り返し周期を有する第２の制御光をガラス媒体４０１に入力する。第２の制御光を入力すると、実施形態１において説明したのと同様の原理でホールバーニングが生じて、ガラス媒体４０１が光周波数ｆｓ±ｋΔｆｍ（ｋは整数）の光に対して光学活性を失い、ステップＳ１１０１において準位１−３間の光学活性を失った原子群では第１の制御光に対する光学活性が復活する。
【００５４】
最後にステップＳ１１０３（電磁波誘起透過発現ステップに対応）で、時間Ｔ２からＴ３にわたって、第１の制御光および短パルス信号光をガラス媒体４０１に入力する。第１の制御光の入力によりドレスド状態が形成され、短パルス信号光はその光周波スペクトルの全範囲において第１の制御光とＥＩＴ条件を充足する。したがって、信号光の波形劣化を抑制した、短パルス信号光の電磁波誘起透過が実現できる。
【００５５】
同期制御部１００８は、ステップＳ１００１およびＳ１００２の実行にあたり第１の光源１００６および第２の光源１００７のオン・オフを同期制御する。ステップＳ１００３では、短パルス信号光の入力に同期して第１の光源１００６のオン・オフを行う。ＥＩＴ発現のための理想的な状況が実現されているステップＳ１００３の状態が持続する時間は、ゲストイオンの凖位１と凖位２の安定継続時間τによって制限されるが、実際にはτよりやや短い時間で周期的にステップＳ１００１〜Ｓ１００３を繰り返すような使用を想定している。
【００５６】
ガラス媒体４０１として、光ファイバを利用することで、ＥＩＴ条件を満たしたまま比較的長い距離を伝搬させて、伝搬遅延の効果や非線形光学効果の実施的な増強を図ることができる。
【００５７】
なお、以上では本実施形態に係る電磁波誘起透過方法に関して説明をしたが、同期制御部１００８はステップＳ１００１〜Ｓ１００３を実行する手段として機能するので、本発明は、同期制御部１００８がそのように機能する電磁波誘起透過装置を包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】信号光が伝搬する物質を構成する個々の原子またはイオンに属する電子のエネルギー凖位を示す図である。
【図２】ドレスド状態を説明するための図である。
【図３】信号光の吸収透過特性αおよび分散特性Δｎを、信号光の光周波数ｆｓの凖位２−３間の共鳴周波数からのずれδｆｓの関数として示す図である。
【図４】実施形態１に係る電磁波誘起透過方法を実施するための装置を示す図である。
【図５】実施形態１に係る電磁波誘起透過方法のステップの流れを説明するための図である。
【図６】第１の制御ステップを説明するための図である。
【図７】第２の制御ステップを説明するための図である。
【図８】第２の制御ステップを説明するための図である。
【図９】実施形態２に係る短パルス信号光および第１の制御光を説明するための図である。
【図１０】実施形態２に係る電磁波誘起透過方法を実施するための装置を示す図である。
【図１１】実施形態２に係る電磁波誘起透過方法のステップの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
４００  電磁波誘起透過装置
４０１  ガラス媒体
４０２  冷却装置
４０３  磁場印加装置
４０４  入力ポート
４０５  出力ポート
４０６  第１の光源
４０７  第２の光源
４０８  同期制御部（第１の制御手段、第２の制御手段、および電磁波誘起透過発現手段に対応）
１０００  電磁波誘起透過装置
１００４  入力ポート
１００５  出力ポート
１００６  第１の光源
１００７  第２の光源
１００８  同期制御部（第１の制御手段、第２の制御手段、および電磁波誘起透過発現手段に対応）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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