要旨
本稿では、捕捉されたベリリウムイオンを用いた量子情報処理の用途に適した 235nm 及び 313nmの紫外光を生成する 2 台の VECSEL システム（垂直外部共振器型面発光レーザー）を紹介する。
どちらのレーザーも、小型・単一周波数・CW 出力で VECSEL 技術を駆使した設計になっており、数 10 ナノメートルにわたる近赤外域で波長可変できる高出力光を得ることができる。まず一方のシステムは、半導体材料として GaAs（砒化ガリウム）基板上により大きな格子定数である GaInAs（砒化ガリウムインジウム）を交互に積層する量子井戸構造をベースにした利得ミラー（半導体多層膜反射鏡）を用いると、波長 940 nm において 2.4W の出力を生成することができるが、これを波長変換すると出力 54mW の 235nm 紫外光を発生させることができる。もう一方のシステムは、
GaAs 上 GaInAs に窒素を 1%程度導入する GaInNAs 材料を用いる量子井戸構造をベースにした
画期的な利得ミラー（半導体多層膜反射鏡）を用いており、GaAs 半導体層における格子歪を緩和させて長波長化することができる。このレーザーは、波長 1252 nm において 1.6W の出力を生成することができ、波長変換することで出力 41mW の 313nm 紫外光を発生させることができるので、レーザー冷却した 9Be+イオンの捕捉や量子状態の準備及び検出に用いることができる。313nm
紫外光レーザーはさらに忠実度の高い量子ゲート（量子演算回路）動作にも適しており、より広く言えば、本研究は VECSEL システムが原子・分子・光物理学研究におけるアプリケーションにも適した装置として、その機能拡張性を実現することを確認するものである。

VECSEL システムでトラップしたベリリウムイオンを用いた量子情報処理の研究
S. C. Burd1,2, J.-P. Penttinen3,4, P.-Y. Hou1,2, H. M. Knaack1,2, S. Ranta3,4, M. Maki3,4, E.
Kantola3,4, M. Guina3,4, D. H. Slichter1, D. Leibfried1, and A. C. Wilson1,*
1.

はじめに

現在、原子物理学に基づいた量子情報処理（QIP）技術は、これまでの着実な研究から実用化の段階へと移行しつつある[1]。特定の量子情報処理向けのアプリケーションに適した原子構造を測定するシステムを選定する場合、原子自体の性質というよりも、むしろ各原子に適した光源を考慮し決定されることが多い。このことは、高価格、低発光効率になりがちな紫外光源を必要とする原子種を測定する際に特に顕著である。例えば、重要な一例として、量子処理情報の分野の研究に適したさまざまな性質を持つベリリウムイオン（ 9Be+）がある。ベリリウムイオン（9Be+）は低質量であるため、イオントラップに捕捉した状態を長時間維持することができ、周波数シフトの小さい遷移を持つことができる[2]。捕獲されたイオンは、イオン間の強力なクローン結合状態を維持しながら、
イオントラップの軸上で一個一個 配列をなすので[5, 6]、量子ゲートの高速化及びイオンの空間
1

的な輸送操作が可能になる[3,4]。同等の演算速度を有する忠実度の高い 2 量子ビットゲートは、
通常、質量がより大きいイオン種を測定するのに必要とされるレーザー強度よりも低い強度を持
つ光源を用いると実現可能である[7]。量子ゲートに より高い拡張性を備え[2,8–11]、最終的には誤り耐性動作を実現するためには、レーザー要件をなるべく抑えるのが重要だろう。ベリリウムイ
オン（9Be+）の他の優れた特長として、低価格で入手できるマイクロ波周波数発生機器や比較的シンプルな構造の光伝導アンテナを利用すると、基底状態における分割された超微細構造を準位
間隔（周波数遷移）が 1.3 GHz 以下で観測することができるということである。イオントラップに捕捉されたベリリウムイオン（9Be+）の量子ビットの状態を測定すると、コヒーレンス時間は数秒であり[12]、単一量子ビットゲート動作の精度は 2.0 (2) ×10-5 であった[13]。さらに、ベリリウムイオン（9Be+）の超微細構造における量子ビット間における 2 量子ビットゲートの操作は 8 (4) ×10-4 の精度で実現できることが実証されたが[14]、これは、これまで物理特性計測装置で得られた値の中で最も高精度である。

a) Continuum: 9Be 原子の連続帯軌道b) F, mF: 側帯波周波数, 変調指数
図 1: ベリリウムイオンを用いた量子情報処理に関連するエネルギーレベル。
a） 235nm 光を用いた光イオン化過程での中性 9Be のエネルギー準位。
b）

9Be+イオンのエネルギーレベル。313nm 付近の光（紫外光）を、レーザー冷却、量子状態の準備及び検出、再ポンピング、誘導ラマン遷移に基づく複数量子ビットゲートに用いた。分かりやすくするために、2S1/2|2,1〉 ↔ 2P1/2|2,2〉 遷移と共鳴する再ポンピング光は省略する。
ベリリウムイオン（9Be+）を用いた量子情報処理の実験では、通常、235 nm のレーザー光源を用いて中性原子の光イオン化を行い、313 nm のレーザー光源でレーザー冷却や量子状態の準備、量子ゲート操作、（量子状態の）計測を行う。ベリリウムイオン（ 9Be+）のエネルギー準位相関図を、
2

図 1 に示す。波長 235 nm の光は、励起用光源に発振波長 940 nm のチタンサファイアレーザー（パルス発振及び CW 発振の両方）や半導体レーザーなどを用いて非線形光学による波長変換を行い生成されることが多い[15]。313 nm 光の生成は、従来は励起光源に色素レーザーを用いて非線形周波数変換により行われていたが[16]、最近では、ファイバーレーザー[17]や半導体レーザー[18–20]を用いた非線形周波数変換により実現している。そしてさらにごく最近では、励起波
長を 313 nm 付近に調整した光周波数コムを用いて、ベリリウムイオンのレーザー制御が実現することが実証された[21]。
垂直外部共振器型面発光レーザー（VECSEL システム）は、別名 光励起半導体ディスクレーザ
ーとしても知られており、上記で挙げたようなレーザーの置き換えとして、非常に優れた性能を発揮する[22]。VECSEL システムは、外部共振器型の励起固体半導体レーザーの利点と量子井戸
構造半導体レーザーの利点を組み合わせた光源で、過去 10 年の間で著しい進歩を遂げてきた[23]。高安定な外部共振器により、光帰還を繰り返してレーザー発振に至ったときの光子寿命は利得媒質のレーザー上準位状態の寿命に比べてはるかに長い。さらには、共振器により増幅自然放出光を抑制するので、一般に、ファイバーレーザーや半導体レーザー、テーパー型増幅器を用いた場合にみられる、スペクトル広がりによる増幅自然発光光は、VECSEL システムの場合にはみられない[24]。VECSEL システムの優れた外部共振器構造により、小型設計で回折限界に近い高いビーム品質を維持し、高出力な単一周波数発振が可能である。利得媒体である半導体
素子は、各システムに応じた波長可変光源として利用でき、幅広い波長可変範囲からカスタマイズも可能である。さらに、利得媒質のポンピングに用いられるレーザー光源として、通常、固体レーザーは吸収帯幅が狭いが、VECSEL システムは広い吸収帯を持っている。VECSEL システム
は、高出力かつビーム質が優れているので非線形光学効果を用いた高効率な波長変換により近赤外から可視及び紫外領域の光を出力することができる。以前の研究では、VECSEL システムにより捕捉されたマグネシウムイオンの生成と操作が可能であることを実証した[25]。本研究では、
235nm 及び 313nm の紫外光を生成する VECSEL 技術に基づいた 2 台のレーザーシステムを用いて、捕捉されたベリリウムイオンの生成と操作を行い、この 2 台のレーザーが さらに高い機
能拡張性を備えることを確認することにする。
2.

VECSEL システム（垂直外部共振器型面発光レーザー）の基本構成とその特徴

2.1. 半導体利得ミラー成長技術とパッケージング技術
本研究で用いた 2 台の VECSEL システムは、どちらも 分布ブラッグ反射鏡（DBR: Distributed
Bragg Reflector）と、歪み補償層・量子井戸（QW）層・障壁層／スペーサー層・窓層を形成する活性領域とで構成された利得ミラーを含んでいる。図 2 a は、この構造を模式的に表したものである。
励起光子（青色で図示。半導体のバンド構造において障壁層のバンドギャップ Eg よりもエネルギ
3

ーが大きな = 波長が短い 光子）はこの多層薄膜構造で吸収され、価電子帯及び伝導帯で、電荷キャリア（電子と正孔）ペアを生成する。このような半導体の電気伝導を担う電子と正孔を総称
して「キャリア」と呼ぶ。これらのキャリアが半導体中で「拡散」と高速での熱的なエネルギー「緩和」
を伴うことで量子井戸に捕獲され、再結合し、その結果、低エネルギーの信号光子（電磁波）として放出される（赤色で図示）。活性領域のウィンドウ層が障壁層よりも大きなバンドギャップを有するため、半導体表面における光照射を免れた電子－正孔間の再結合を防ぐが、しかしながら、引張歪みの補償層が、量子井戸層の累積する圧縮歪みを抑制する。DBR（分布ブラッグ反射鏡）は、特定の波長信号光のみを選択的に反射させるように設計されており、利得ミラー内にこの電界波形の位相をロックする。多層膜中の電界強度分布を、図 2 a の下段にプロット図で示す（バンドギャップ近傍のバンド構造を示した図の下）。量子井戸構造を伴う半導体レーザーの利得は電界強度に比例するので、レーザー発振する際の共振器モードの電場強度が大きな位置（すなわち、共振器内で生じる「定在波」の腹の位置）に量子井戸層は配置される。この配列構造は「周期的共鳴利得」（RPG）と呼ばれ、利得ミラーの光学利得を最大化することができる。VECSEL システムの利得ミラー（半導体多層膜反射鏡）技術 や 半導体材料の積層構造について、さらに詳しい情報を得たい場合は、参考文献の欄の[23, 26]で記されている例を参照されたい。本研究で用いられた 2 台の VECSEL システム （1 台は励起波長 940nm から 235nm 光を生成、もう 1 台は励起波
長 1252nm から 313nm 光を生成） にそれぞれ設けられた利得ミラーは、両方とも、分子線エピタ
キシー法（MBE）により成長させ、GaIn(N)As 量子井戸層を GaAs 障壁層に埋め込む構造を取っている。Vexlum 社は、このような半導体材料の導入により、波長領域 900nm - 1200nm にて出力
1W 以上の発振が可能なレーザー光源の開発に成功した。

a) Conduction band profile: 伝導帯
Valence band profile: 価電子帯
Band gap: バンドギャップ
4Strain compensation layer: 歪み補償層
Quantum well: 量子井戸
Vertical optical distance: 垂直光学距離
Lasing cavity mode: レーザー発振する際の共振器モード（定在波）b) Visible doubler: 可視光を生成する周波数逓倍器
UV doubler: 紫外光を生成する周波数逓倍器
図 2: VECSEL 技術に基づいて実現した紫外領域レーザーシステムの基本構成
a) VECSEL 利得ミラーの半導体バンドギャップエネルギーの構造模式図。
b) 2 段階の周波数逓倍回路を外部にもつ VECSEL 共振器の構成。
本研究で提示した 2 台の VECSEL システムの波長域は大きく異なるため、利得ミラー（半導体多層膜反射鏡）の設計においても、半導体層の構造が異なる。940nm の波長をもつ VECSEL シス
テムの活性領域は、利得ミラー内における定在波の腹に位置する 24 層の量子井戸から構成されている。この 24 層というのは、1 つの腹の位置に 2 つの量子井戸層をもつ定在波を計算した値である（2 層の量子井戸層が 12 個）。この場合、GaAs 障壁層で成長する GaInAs 量子井戸層のインジウム含有量は少ないので、量子井戸層の総数は比較的多くなる。GaInAs/GaAs 系を用いた（940nm の）VECSEL システムでは、発振波長を広帯域化する際に、各量子井戸層へのキャリア（電子や正孔）の光閉じ込めの低下及びその結果生じる発光効率の低下が短波長発振を実現す
る上での主な機械的限界となっている[27]。
他方、1252nm VECSEL システムの利得ミラーには、希釈窒化物半導体である GaInNAs 量子井
戸層が 10 層しか形成されていない。940nm VECSEL システムと同様に、定在波の 1 つの腹の位
置に 2 つの量子井戸層があり、その定在波を計算すると求められる値である（2 層の量子井戸層が 5 個）。1252nm VECSEL システムの場合、高インジウム含有量を有する量子井戸層へのキャリア（電子や正孔）の閉じ込め率は高いので、940nm VECSEL システムよりも量子井戸層の数を必要としない。しかし、定在波の腹となる領域の数、すなわち 1252nm VECSEL システムの利得ミ
ラーでは量子井戸層の数が 5 層なのに対して 940nm VECSEL システムの利得ミラーでは 12 層であるが（比率にすると 940nm VECSEL システムの量子井戸量は 1252nm VECSEL システムの2.4 倍）、これらの数は光吸収係数にさらに依存し、各量子井戸層をもつ 2 種類の異なる活性領域の物理的な厚さ（幅）は（940nm VECSEL システムにおける厚さが 1252nm VECSEL システムの1.4 倍）、発振波長に依存するために同程度になる。量子井戸に窒素が含まれていない場合（GaInAs）、1252nm VECSEL システムにおける量子井戸層のインジウム含有量は高いので、量子井戸層と GaAs 障壁層の間の格子不整合に由来した格子歪みが生じ、結晶品質が低下する。
しかし、量子井戸層に数%の窒素を導入すると、格子不整合は直接緩和され、バンドギャップエネ
ルギーも減少するので結晶成長が可能となり、より低濃度でインジウムを使用することができる。
5

結晶の品質が悪いと優れた光学特性は得られないので、（基板よりも格子定数の小さい材料である）GaInAs/GaAs 系を用いた（1252nm の）VECSEL システムによって長波長化を実現するには、蓄積された格子歪の問題をいかに克服するかが非常に重要である [23]。希釈窒化物半導体では波長域の拡大は可能であるが、結晶の成長は技術的に困難である[28]。それゆえ、以下に示
すように 1252nm の利得ミラーでは、対象とする波長である 1252nm よりも 1231nm においてほぼ2 倍の単一周波数出力を得ることができ、今後、さらなる出力特性改善の可能性が示唆されている。
VECSEL システムを適切に動作させるには、利得ミラーの温度を安定化させ、励起レーザーの光放出による熱を除去する必要がある。VECSEL システムを適切に動作させるには、利得ミラーの温度を安定化させ、励起子の光放出による熱を除去する必要がある。940nm VECSEL システムの利得ミラーには、活性領域から分布型ブラッグ反射鏡（DBR）領域を介してヒートスプレッダへ熱を拡散させる標準的なフリップチップ型の冷却方式を採用した。940nm VECSEL システムにおける利得ミラーの成長過程の順序は、次の通りである。まず、利得ミラーを、GaAs 基板上の活性領域で成長させた後に GaAs / AlAs 分布型ブラッグ反射鏡（DBR）を成長させた。次に、利得ミラー
を 2.5×2.5 mm2 サイズのチップにさいの目上に切り分け、裏面上に成膜された DBR を高い熱伝導性を有する 3×3×0.3 mm3 サイズの合成多結晶ダイヤモンド半導体へ結合させた。結合後、機械研磨とウェットエッチング処理により GaAs 基板を除去した。そして、この利得ミラー裏面の表面（厚さ約 5μm）にイオンビームスパッタリング法(IBS)という反射防止（AR）コーティングを施し、励起波長と発振波長両方による反射率を低減し、利得チップの表面に保護膜を形成した。最後に、効率的な放熱を行うために、ダイヤモンドの裏面を 金メッキを施した銅製の放熱板へはんだ付けした。
1252nm VECSEL システムの利得ミラーに関しては、半導体材料の結晶成長が困難な長波長材料を用いているため、この利得ミラーに適した冷却用の放熱構造を導入した。活性領域（共振器内で利得を生じさせる領域）と DBR 領域を含む構造の 1252nm VECSEL システムの利得ミラー
は、まず最初に、3×3 mm2 サイズのチップにさいの目上に切り分け、それぞれの活性領域の表面を、液体毛細管の方式で、透明なヒートスプレッダに結合させる。このいわゆる内部共振器型の冷却構造により、低い熱伝導率を有する DBR が、温度上昇する活性層とヒートスプレッダの間の伝熱路には位置しないことが大きな利点である。逆に、共振器内部で往復するビームはヒートスプレ
ッダを介して通過するのでこの光学素子は高品質なものでなければならない。本研究では、
3×3×0.25 mm3 サイズの合成単結晶ダイヤモンド基板であるヒートスプレッダの各カット面（ファセット）を 2%の平面度で研磨加工し、不要な光反射によるエタロン効果を低減した。そして、共振器
内のビームが利得ミラーで高放熱性を得ることができるように、ダイヤモンドの表面を銅製ヒートシンクの開口部にはんだ付けした。最後に、共振器内の損失やエタロン効果を最小限に抑えるた
めに、ダイヤモンドの表面にイオンビームスパッタリング法(IBS)を用いて AR コーティングを施した。
6

実験の結果、フリップチップ実装による放熱構造を有する利得ミラーよりも、共振器内部に放熱構造を有する利得ミラーの方が 1252nm VECSEL システムにおいて高い放熱効果を得ることができた。940nm VECSEL システムの利得ミラーに関しては、多結晶ダイヤモンドのヒートスプレッダの方が単結晶ダイヤモンドのヒートスプレッダよりも入手しやすく低コストなために用いられることが多いフリップチップ実装のデバイスのみをテストした。
どちらの VECSEL システムも、共振器の構成として利得ミラーと出力結合鏡（Output Coupler,
Layertec 社製, 透過率 2 %以下, 曲率半径 200mm, 外径 12.7 mm）が備えられている（図 2 b 参照）。2 枚の反射鏡の間における光路長は約 125mm であり、これは自由スペクトル領域で表すと最大 約 1.2 GHz となる。単一周波数発振と広範囲での波長領域の調整を実現させるために、共振器内に入射光に対してブリュースター角になるように構成されている複屈折フィルタ（BRF：
Birefringent Filter、単一波長対応の石英波長板、厚さ 3 mm、New Light Photonics 社製、型番
BIR0030）及び エタロン（基板材料：YAG 単結晶 /イットリウム・アルミニウム・ガーネット, 厚さ 1mm, Light Machinery 社製, 型番 OP-3167-1000）を設けた。これらの光学素子はどちらも能動的に温度安定化を図っている。VECSEL システムから発振する出力周波数の微調整と安定化制御を行うために、小型の出力鏡をリング状の圧電トランスデューサ（ピエゾ系, CTS 社製多層セラミッ
クアクチュエータ, 型番 NAC2123-A01）に取り付けているので、共振器長の調整が可能である。
利得ミラーへの光ポンピングは、発光波長 808nm 付近の高出力マルチモード半導体レーザーを用いて行い（一般に用いられるコヒーレント社製 型番 M1F2S22-807.3-40C-SS2.6T3 を使用）、出
力 光 の フ ァ イ バ ー カ ッ プ リ ン グ （ Oz Optics 社 製 , 型 番 LPF-D4-808-200/240-QM-2.2-126.2AS,13.9AS-35-5HPL-3A-1.5 を使用）によりビームウエスト半径が約 200μm のビームを生成して利得ミラーの表面に集光させた。利得材料の励起子吸収帯は非常に広範囲ではあるが、入手しやすく比較的低コストの発光波長 808 nm 付近・高出力ダイオードレーザーを用い、利得ミラー間での励起光の吸収長をレーザー条件に合わせて最適化した。利得ミラーに接合されたヒートシ
ンクは、温度制御による安定化を図るために TEC（ThermoElectric Cooler：熱電クーラー) に取り付ける。TEC（ThermoElectric Cooler：熱電クーラー) は、内蔵のマイクロチャネル熱交換器と低振動のチラー（狭線幅動作に欠かせない）によって排熱を水冷にて冷却する。VECSEL システムの共振器内の部品は、動作を安定化させるために O リングで密閉状態にした筐体内に設けたインバー（低熱膨張係数）の放熱基板に取り付ける。レーザー筐体内部には乾燥剤を用い、乾燥窒素ガスを供給することにより共振器内部における水蒸気を除去することで、水の吸収線がある波長領域において周波数安定化と高出力化を図ることができることが分かった。
励起光の光軸調整には、CMOS カメラと高倍率の対物レンズ（Thorlabs 社製, 型番 MVL7000）を用いて利得チップから生じる自然放出光と散乱光をイメージングし、必要に応じて ND(Neutral
Density / 中性濃度) フィルタを使って光を減衰させる。利得チップ上に焦点をもうける励起集光光学系と利得チップの間の距離を適切に調整して、目標とするビームのスポット径と強度分布を得7る。ガウスまたはスーパーガウス強度分布に対して、レーザーモード対励起スポットの関係は、シングルモード発振のレーザーのためには、典型的には 0.8 以上にしたい[29]。先ず、粗い位置合わせを行うために、出力鏡、複屈折フィルタ、エタロンをはずして、可視の外部共振器型レーザー
を利得チップの表面にあてて、そこから発生した再帰反射光を見ながら行う。次に、出力鏡を共振器内に配置し、出力鏡からの二次反射光が利得ミラーへ戻るように調整する。レーザー発振の条
件に必要な共振器の微調整は、高利得性を有する大面積フォトダイオード（Thorlabs 社製, 型番
PDA50B2）を用いて、出力鏡から放出される光出力を絶えずモニタリングすることで行うことができる。また、ロングパスフィルタをフォトダイオードの前に設置して自然放出光とレーザー出力光を伝搬しながら励起光の散乱光を強力に減衰させる。レーザー発振は、出力鏡を調整してフォトダ
イオードから出力される信号強度を上げることで可能になる。複屈折フィルタ及びエタロンを用いないでマルチモードレーザーの出力を最適化するには、励起光を効率良く集光するために出力鏡の傾きを調整するだけでなく、利得ミラーの設定温度も調整する必要がある。次に、共振器内にビームがブリュースター角で入射するように複屈折フィルタを配置し、出力鏡の角度を調整すること
で、ビームの位置のずれを補正し、再び安定したレーザー動作を得られるようにする（上述のフォトダイオードを用いた手法による）。最後に、共振器内にエタロンを挿入して角度調整を行うことで再発振させる。
本研究で扱ったシングルモード発振の VECSEL レーザーはどちらも、複屈折フィルタを回転させたり、温度を変えたりして(0.1 THz–1 THz range at ∼37 GHz/K)、広範囲の波長可変が可能である。
より狭い波長可変を行うためには、エタロンの角度と温度を調整することで可変できる(1 GHz–100
GHz range at ∼-3 GHz/K, ∼80 GHz FSR)。さらに微調整するためには、出力鏡に取り付けられているピエゾ素子(0.01 GHz–1 GHz, ∼30 MHz/V) を用いてレーザーの共振器長を調整することもできる。エタロンの温度と共振器長を同時調整することにより、共振器内にあるピエゾ素子の最大移動量が 3 μm に制限され、最大 7 GHz までの周波数領域においてモードホップのない波長可変が実現でき、これは共振器の FSR 値の 6 倍に相当する。
2.2. 235nm 光源発生
図 3 に、940 nm VECSEL レーザー光源の性能特性を示す。14.5W の出力で励起すると、単一周波数動作で最大 30 nm の波長可変領域と 27(1) %のスロープ効率（励起光源入力に対するVECSEL レーザー出力の効率）が得られた。励起に用いた VECSEL レーザー光の線幅がどの程度であるかを見積もるために、VECSEL レーザーの周波数を自由発振しているチタンサファイアレーザー（M-Squared Lasers 社製, 型番 SolsTiS, 線幅 linewidth <50 kHz）に周波数オフセットロッ
クし[30]、940 nm VECSEL システムからの出力とチタンサファイヤレーザーからの出力の間に生じたビート周波数を解析した。観測されたビート信号のスペクトル幅から、VECSEL システムの線幅は<100 kHz であることを確認した。つまり、VECSEL システムは狭線幅レーザー光源として、原子8遷移における線幅よりも狭く、後続する、周波数倍増段において、周波数の変動が出力変動に転換されない程度に狭いことが理解できる。

図 3:a) 14.5W の励起出力からの波長の関数としての 940 nm における単一周波数動作での出力特性。複屈折フィルタを回転させ、各波長でエタロンの温度を調整することにより得られた。
b) 940 nm 光の出力と 808nm 光の励起出力の強度比。データの線形近似により（実線）、27(1) %のスロープ効率が得られた。出力測定の不確かさは 5%, 波長精度の不確かさは 0.002 nmである。
940 nm VECSEL システムの出力は、高出力・偏波保持ファイバーへカップリングし、2 段階の第二高調波発生(SHG) システム構成による共振器内での光強度の増強において 1 段目の SHG 結晶
へカップリング光を入射させる。940nm 光から 470nm 光へ周波数を逓倍化した共振器は、PoundDrever-Hall 法（以下 PDH 法）を用いて VECSEL システムの単一周波数出力へロックする[31]。
Hsiang ら研究グループにより構成された逓倍回路[15]に基づく 470 nm への周波数逓倍は、非線形結晶である周期分極反転 チタン酸リン酸カリウム（KTiOPO4, KTP）結晶（イスラエル Raicol
Crystals 社製, 20 mm 長）を用いた。図 4 a に、VECSEL システムで周波数逓倍を行って得た 470
nm 光源の強度を示す。0.48(2)W の 940 nm 光を共振器に入射して、0.27(1)W の 470nm 光を得た。これは、本研究で必要とするのに十分過ぎる出力値ではあるが、ここで注目すべきことは、この 940 nm の周波数逓倍器によってさらに高出力化が可能であるということである。しかしながら、結晶内の熱レンズ効果により共振器のロックが不安定になることも考えられるので、0.5W 以上の
470 nm では高信頼性の共振器ロックを得られない[15, 32]。

9

図 4: 940 nm VECSEL システムにおける周波数逓倍にて得られた出力及び変換効率a) 940nm の入力に対する 470 nm 光の出力（青色点線）、及び 470 nm 光と 940 nm 光の出力強度比（橙色点線）。
b) 470nm の入力に対する 235 nm 光の出力（青色点線）、及び 235 nm 光と 470 nm 光の出力強度比（橙色点線）。すべての出力測定における不確かさは 5% である。
470nm 光から 235nm 光への周波数逓倍化である 2 段目においては、ブリュースターカットした
BBO 結晶により 313nm 光を生成する初期の設計[17]を用いて共振器内の光強度を増強させるための光学系[15]を構築した。図 4 b に、周波数逓倍により得られた 235 nm 光の強度を示す。
0.27(1)W の 470nm 光を共振器に入射すると、54(3) mW の 235nm 光が得られ、出力変換効率は最大で 約 20% であった。ちなみに、この時の共振器内の紫外光の出力は、通常 ベリリウム原子を光イオン化してイオントラップ内に蓄積するときに必要となる出力の約 50 倍の強度である。
2.3. 313nm 光源発生
図 5 に、紫外光を生成する前の光源である 1252 nm VECSEL システムの波長可変領域における出力特性を示す。マルチ縦モード動作では、複屈折フィルタ及びエタロンを用いない場合、図 5bにあるように、最大出力 3.5(1)W を有する 1231 nm 光と 15.8(3)% のスロープ効率（励起光源入力に対する VECSEL レーザー出力の効率）が得られた。複屈折フィルタ及びエタロンを配置した
単一周波数動作では、共振器内損失が大きくなることで、スロープ効率が 14.7(3)% に低下し最大出力 3.0(1)W の 1231 nm 光を測定した。そこで、測定対象とする波長を 1252 nm に変えたところ、スロープ効率 12.5(2)% 及び 最大出力 1.63(3)W を得ることができた。VECSEL システムの10波長掃引範囲は 50nm 以上を達成しているが、この波長掃引範囲は、半導体利得チップの温度冷却能力が十分ではなく、より短い発振波長では限界がある。ここで注目すべきことは、最大出力で励起光を入射しても出力のロールオーバー現象が発生しなかったことである。これは励起光であるレーザーの出力を上げることで可変波長にて高出力化を達成することができるということを示唆している。今後、活性層の幅（厚さ）、量子井戸層の数、量子井戸構造を適切に選ぶことにより、目的とする波長付近にピークを有する利得ミラーが生み出されていくことが期待される。

図 5:a) 40.3W の励起出力からの波長の関数としての、単一周波数動作をする 1252 nm VECSEL 光
源における出力特性。各波長で、複屈折フィルタを回転させ、エタロンを調整し、利得チップの温度を調整することで出力を最適化して得られた。
b) 808 nm 励起光源の入力に対する VECSEL レーザー出力を 3 つの異なる動作条件下にて測定した時の出力特性。スロープ効率は、データの線形近似により（実線）算出した。a) 及び b)の各データポイントにおける出力測定の不確かさは 3% である。
波長変換による 1252 nm 光から 626 nm 光の生成には、市販されているファイバー結合型・周期
分極反転ニオブ酸リチウム (LiNbO3) 導波路（NTT エレクトロニクス社製, 型番 WH-0626-000A-B-C）を用いた。光導波路の温度は、準位相整合の状態を保持するために電子冷却素子（ペルチェ素子）で制御した。この波長変換の段階において、VECSEL システムから 1.63(5) W の
1252nm 光を入射すると、最大出力 0.53(3) W の 626 nm 光が得られ、出力変換効率は 33(2)%11であった（光導波路-光ファイバー間の結合損失を含む）。626 nm における最大出力は、利用でき
る 1252 nm の出力によって制限される。ここで、光導波路を用いた同様な SHG 方式において、2.4W の 671nm 光を生成できたことに注目されたい[33]。
光導波路から出力された 626nm 光を、偏波保持ファイバーを用いて第二高調波発生用の外部共
振器増強の光学系に導いた。313nm 光を生成する波長変換用の非線形結晶には、ブリュースターカットした BBO 結晶を用いた。0.33(2)W の 626nm 光を共振器に入射して、41(2)mW の 313nmを得ている。
1252 nm VECSEL システムのスペクトル線幅がどの程度であるかを見積もるために、光導波路から出力された 626nm 光 と [17] で挙げたような非線形光学結晶を用いて波長変換を行う周波数
安定化ファイバーレーザー光源から出力される 626nm 光の間におけるビート信号を測定した。
940nm VECSEL 光源のときと同様の解析方法で、波長可変ファイバーレーザー光源に周波数オ
フセットロックを施し[30]、観測されたビート信号のスペクトル幅から、1252nm VECSEL システムの線 幅 は <110 kHz で あ る こ と を 見 積 も っ た 。 つ ま り 、 1252 nm VECSEL シ ステ ム の 場 合 も940nmVECSEL システムと同様、原子遷移における線幅よりもさらに狭く、共鳴増強構造により紫外光を発生させる周波数逓倍回路を有するので周波数変動は振幅変動に変換されないほど、ずっと狭い帯域幅を達成している。
3.

ベリリウムの原子とイオンでの試験

2 つの異なる実験系で、中性 9Be 原子及び 9Be+イオンを使用して VECSEL レーザーの試験を行った。
光イオン化過程を検証する手法として、VECSEL レーザーから生成した 235nm 光を用いた。熱処理した中性ベリリウム原子から中性粒子ビームを生成させた。その方法は、ある程度の長さを持つベリリウム線をタングステンワイヤーに螺旋状に巻き付け、電流を流して熱を得る抵抗加熱により、中性粒子ビームを生成させた。真空容器における 2.5 mm 径のビーム引出孔から出射された中性粒子ビームは発散光束が弱いコリメート光にし、そのすぐ後に、この原子ビーム（中性粒子ビーム）の伝播方向と垂直な方向に、基底準位（1S0）と励起準位（1P1）の間のエネルギー遷移とほぼ共鳴する 235 nm 光を照射させた。このとき、原子ビームの中心領域に入射された 235 nm 光の照射強度は、最大 80(20) kW/m2 であった。ちなみに、この基底準位（1S0）と励起準位（1P1）の間の遷移における飽和強度は、最大 8.7 kW/m2 である[34]。イオンは、2 光子励起過程を経ることで生成される（図 1 a 参照）。2 光子での共鳴準位への励起には、第 1 の光子により中性原子を励起準位（1P1）状態に励起させ、第 2 の光子により 電子が連続的な値となって励起される。この 2 光子励起により発光するイオンの検出は、最大 1.7 kV のバイアス電圧を印加したチャンネルトロン
12

（CEM）電子増倍管（Photonis 社製, 型番 Magnum 5901）を用いて行い、イオンカウントとして出力される。
中性粒子ビームを一定の流速に保ったまま、イオンのカウントレートを VECSEL レーザーから出力される周波数の関数として導出し、光イオン化の曲線を得た（図 6 参照）。光イオン化率は
VECSEL レーザーの周波数が 319.0200(6) THz のときに最大となるが、これは紫外領域における
1,276.080(2) THz に対応しており、基底準位（1S0）と励起準位（1P1）の間の遷移における現在の精密な計測値と一致している[34]。光イオン化曲線の中心部分には、87(5) MHz [34]の自然幅 ・
最大 2.4(3)倍の出力の広がり ・そして、中性粒子ビームが完全にコリメートされていないために起きる 1.3(2) GHz の残留ドップラー広がりが存在する[35]。中心部分にのみ着目すると、形状をモデル化するフォークト関数[35]によく近似する弱い非共鳴におけるイオンの生成（曲線の両翼の裾の部分である「ペデスタル成分」） に関しては、本稿では研究対象外とする。

規格化されたイオンカウントレート / 紫外光の周波数離調
図 6： 1,276.080(2) THz から離調した、4 逓倍させた VECSEL（紫外光出力）周波数の関数として導出したイオンのカウントレート。チャンネルトロン（CEM）電子増倍管にて検出。
ピークを有するカウントレートの中心部分は、フォークト関数にて得られるピーク強度と重ね合わせできる。カウントレートの不確かさは、4% と推定される。
313 nm 光源を用いて すでに確立されているイオントラップ装置で、ドップラー冷却、共鳴の検出、再ポンピングを行った。この光学系については、参考文献の欄にある[36]の論文で詳しく説明されている。便宜上、周波数逓倍化により VECSEL レーザーから得られた 626 nm 光を、イオントラッ
プ装置光学系に組み込まれているファイバーレーザーから出力される 626nm 光に安定化させた[17]。313 nm 光源は、トラップ内に蓄積された単一のベリリウムイオン（9Be+）をドップラー冷却する13

ために用いた。次に、313 nm に 4 逓倍させた光に、音響光学変調器（AOM）を用いて、基底準位
2S1/2|2,2〉↔ 励起準位 2P3/2|3,3〉間のサイクリング遷移を、波長を調整して観察した。
原子からの蛍光を光学イメージングシステムに集光し、電子増倍管を用いてカウントを行った。その結果、得られたスペクトルを図 7 a に示す。波長変換にて生成した VECSEL 光からの出力光を用いて得られた曲線の形状は、ファイバーレーザー光源を組み込んだイオンカウント装置で得られた曲線の形状と一致する。
蛍光カウント数 / 周波数離調

2S1/2|2,2〉準位におけるイオンの測定誤差確率 / 再ポンピング時間
図 7：a) 313 nm VECSEL 光源から出力した紫外光を用いて得られた 2S1/2|2,2〉↔ 2P3/2|3,3〉間のサ
イクリング遷移の分光データ。各データポイントは、それぞれ 330 µs 間に 300 回発光強度を繰り返し計測した実験結果を平均化した値。実線はローレンツ関数で実験データをフィットす
ることにより. 描かれている。
b) 313 nm VECSEL 光源から出力した紫外光を用いて 2S1/2 |1,1〉準位状態から再ポンピングを行った後に得られた 2S1/2 |2,2〉準位状態の測定誤差確率。実線は、指数関数的に描いた近似曲線。各データポイントは、実験で 300 回発光強度を繰り返し計測した実験結果を平均化した値。a) と b)におけるエラーバーは、平均値に対する標準偏差を示す。
VECSEL 光源を用いた再ポンピングを評価するため、9Be+ の 2S1/2 ↔ 2P1/2 遷移に共鳴するよ14

うにレーザー光を調整する（図 1 b 参照）。原子の遷移過程に対応するように、音響光学素子（AOM）を用いて周波数を掃引した。本実験では、基底状態である |1,1〉の単一原子イオンを、最初に |2,2〉励起準位状態に光ポンピングし、|2,2〉↔|1,1〉遷移に共鳴するマクロ波 π パルスを印加した。次に、再ポンピングした光の時間幅を制御し、理想的には、イオンを |2,2〉準位状態に再ポンピングして 2S1/2|2,2〉 ↔ 2P3/2|3,3〉間のサイクリング遷移に共鳴する光を用いて 2 次的に放射された蛍光を検出する（図 1 b 参照）。各光学系の実験結果から、イオンの蛍光検出は 2 進法で表されることが分かる。イオンは著しく蛍光を発するか、全く蛍光を発しないかのどちらかである。
閾値点を 10 カウントに設定することで、特定の実験結果に 0 または 1 のいずれかを割り当てることができる。| 2,2〉の母集団は、実験を 300 回繰り返し行うことで得られる各測定結果の平均を計算して決定される。再ポンピングの時間 τ= 0.55（4）μs は、t が再ポンピング光のパルス幅である
ときの 1 −e−t /τ の指数関数を図 7 b のデータに当てはめることによって決定される。レーザー強度の違いを考慮すると、VECSEL システムを用いて得られた再ポンピングは、当社のファイバーレー
ザー光源を使用して得られたものと区別がつかない。
まとめ
本研究では、9Be+イオンなどのイオントラップを用いた量子情報処理の実験的検証を可能にするアプローチとして、VECSEL 技術に基づく幅広い波長可変領域を実現した 2 台のレーザー光源を使用した。一方のシステムは 波長 940 nm における出力が最大 2.4W の単一周波数光源であり、周波数を 2 倍にする過程を 2 回繰り返すことで波長が 235nm の光（紫外光）を発生させ、中性 Be
原子の光イオン化を行った。もう一方のシステムは 波長 1252 nm での出力が最大 1.6W であり、2 段階の周波数逓倍により 313nm の光（紫外光）を得ることができるので、捕捉された 9Be+イオンのドップラー冷却や検出、再ポンピングに用いることができる。ここで注目すべきことは、本研究で用いた幅広い波長可変範囲を実現した 940nm・VECSEL システム（垂直外部共振器型面発光レーザー）が、第 3 高調波発生により、313nm 付近の光（紫外光）の生成を実現させたことである[20]。
VECSEL システムは、本質的に出力の拡張性を有しているので高出力ビームを発生させることができる[22]。 このことは、ピークから大きくずらした誘導ラマン遷移を使用することで、量子論理ゲートに伴う自然放出エラーを軽減させるのに望ましい[7]。内部共振器型第 2 高調波発生により、本システムの全体的な変換効率をさらに向上させることもできる[37]。以前に発表した
VECSEL システムを用いてトラップされたマグネシウムイオンの運動を解析したことを実証しただ
けでなく[25]、これらのシステムに幅広い赤外周波数領域に対応した光源を提供することができ、今後、さらに高安定・高効率の波長変換レーザーの技術と組み合わせた場合、VECSEL シス
テムが 紫外光源を必要とする原子種をベースとした量子情報処理技術を促進してゆくと考えられる。

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