量子もつれ光子対発生装置
【課題】 一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく高純度な量子もつれ光子対を発生できる量子もつれ光子対発生装置を提供する。
【解決手段】 偏波分離合波モジュールを両端とする偏波保持のループ光路を有し、このループ光路に２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質が介在されている。入力励起光は互いに直交する２つの分波励起光に分岐され、ループ光路に、逆方向に入力される。２次非線形光学媒質は、入力方向を問わず、分波励起光に対し、ＳＨＧ変換及びＳＰＤＣ変換を実行し、自然パラメトリック下方変換光を発生させる。両方向を伝播してきた２つの自然パラメトリック下方変換光は、偏波分離合波モジュールにおいて合波出力され、これ以降、シグナル光及びアイドラー光が分離抽出される。ループ光路には、上述した合波が実行されるように、少なくとも一部の光成分について偏波方向を操作する偏波面操作手段を備える。
【解決手段】 偏波分離合波モジュールを両端とする偏波保持のループ光路を有し、このループ光路に２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質が介在されている。入力励起光は互いに直交する２つの分波励起光に分岐され、ループ光路に、逆方向に入力される。２次非線形光学媒質は、入力方向を問わず、分波励起光に対し、ＳＨＧ変換及びＳＰＤＣ変換を実行し、自然パラメトリック下方変換光を発生させる。両方向を伝播してきた２つの自然パラメトリック下方変換光は、偏波分離合波モジュールにおいて合波出力され、これ以降、シグナル光及びアイドラー光が分離抽出される。ループ光路には、上述した合波が実行されるように、少なくとも一部の光成分について偏波方向を操作する偏波面操作手段を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子もつれ光子対発生装置に関し、例えば、量子暗号、量子コンピュータなど、光子の量子力学的相関を利用した量子情報通信システムに適用し得るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子暗号、量子コンピュータなど、量子力学レベルでの物理現象を利用した量子情報通信技術が注目を浴びている。中でも量子暗号は、暗号化鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムとして注目を浴びており、特に活発な研究開発がなされている。
【０００３】
量子力学的相関を有する光子対、すなわち、量子もつれ光子対は、光子の非局所性を応用した高度な量子情報通信システムを実現するための重要な要素である。
【０００４】
従来より用いられてきた量子もつれ光子対を発生する手法の一つは、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換を用いる方法である。
【０００５】
特許文献１には、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶を用いた量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＢＢＯ結晶を直列に配置し、その中心に１／２波長板を配置する。これに直線偏波で波長３５１．１ｎｍの励起光（ポンプ光）を入力する。自然パラメトリック下方変換過程により、それぞれのＢＢＯ結晶から、励起光波長の２倍の波長（７０２．２ｎｍ）の相関光子対（シグナル光（信号光）、アイドラー光と呼ばれる）が出力される。励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が２つのＢＢＯ結晶の両方から同時に発生する確率は低く、どちらか一方から発生するとした場合、この装置から発生する相関光子対の状態は、一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態と、もう一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態との重ねあわせで与えられる。これら２つのＢＢＯ結晶から出力される相関光子対は、２つのＢＢＯ結晶の間に１／２波長板を配置し、励起光入力端に近い前段のＢＢＯ結晶から発生した相関光子対の偏波が装置出力端で９０°だけ回転する構成となっているために、偏波直交している。結果、このシステムから、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０００６】
上記と類似な構成で波長７００ｎｍ−８００ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生させた例が他にも多く報告されている。
【０００７】
一方、光ファイバの最小吸収損失波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生できれば、量子情報通信システムの長距離化が期待でき、非常に有用である。
【０００８】
特許文献２には、同じく２次非線形光学媒質の一種である、周期的分極反転ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３、以下、ＰＰＬＮと略する）導波路を用いた、波長１５５０ｎｍ帯での量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＰＰＬＮ導波路と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いたファイバーループ構造を有している。２つのＰＰＬＮ導波路は光学軸が直交するように配置されている。ＰＢＳを介して波長７７５ｎｍで４５°偏光した励起光（フェムト秒パルス）を入力する。特許文献１の場合と同様に、２つのＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５５０ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。さらにまた、特許文献１の場合と同様に、励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が、両方のＰＰＬＮ導波路から同時に発生せず、どちらか一方から発生すると、この装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０００９】
また、非特許文献１には、ＰＢＳと単一のＰＰＬＮ素子を用いた波長１５５０ｎｍ帯量子もつれ光子対発生装置について記載されている。ここでは、ＰＢＳとＰＰＬＮ素子を結ぶ偏波保持光ファイバにおいて、その一箇所で９０°光軸変換箇所が設けられている（これはファイバ融着などによって容易に実現できる）。ＰＢＳを介して波長７７６ｎｍで４５°偏光した励起光を入力する。ＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５４２ｎｍ及び１５６２ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。励起光強度が十分弱い場合、これら相関光子対はループを時計回りに伝播する励起光か、ループを反時計回りに伝播する励起光のどちらか一方からしか発生しないとすると、装置から発生する相関光子対の状態は、ループを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２２８０９１
【特許文献２】特開２００５−２５８２３２
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】”Ｓｔａｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｌｅｃｏｍ−ｂａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ， ｐｕｌｓｅ−ｐｕｍｐｅｄ， ｓｈｏｒｔ ＰＰＬＮ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ” Ｈ．Ｃ．Ｌｉｍ， Ａ．Ｙｏｓｈｉｚａｗａ， Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ， ａｎｄ Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， Ｎｏ，１７， ｐｐ．１２４６０−１２４６８， ２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術において、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、以下、ＳＰＤＣと略することもある）に基づいてシグナル光、アイドラー光の相関光子対を発生させ、また、それに基づいて量子もつれ光子対発生装置を構成しようとした場合、その装置構成上で、ＳＰＤＣ過程を生じさせる２次非線形光学媒質とともに、発生させるもつれ光子対の波長のおよそ半分の波長の励起光源が必須の構成要素であった。つまり、例えば、光ファイバ通信で利用されるのに適した波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対発生装置を実現しようとした場合、波長７７５ｎｍ帯の励起光源がその構成要素として必須であった。
【００１３】
この場合、下記のような課題がある。
【００１４】
特許文献２や非特許文献１に記載の方法において、量子もつれ光子対発生装置を実現する場合、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、波長７７５ｎｍ帯とその２倍波長の波長１５５０ｎｍ帯という、大きく異なる波長帯でともに動作する“特別に設計された”光部品である必要がある。
【００１５】
さらにまた、ＰＢＳやＰＰＬＮ素子、装置外部への光出力のための光ファイバなどの各種光部品の光結合のために、光学レンズなどの光結合部晶が必要となるが、これら光学レンズなどもまた、波長７７５ｎｍ帯及び１５５０ｎｍ帯の双方で光結合が得られるような焦点距離の設計など、特殊な部品設計が必要となる。また、反射防止のための無反射コートもその両波長で対応する必要が生じる。
【００１６】
すなわち、従来技術においては、波長がおおよそ２倍異なる励起光、相関光子対の両方で動作する特殊な光部品を用意する必要があった。このことは、装置の作製コストが増加する一因となる。
【００１７】
さらにまた、一般的に言えば、大きく波長の異なる光に対して同等な特性が得られる設計は、その一方にのみ最適化された設計ほどの良好な特性は期待できない。具体的に言えば、例えばＰＢＳにおける偏波消光比や、レンズ系の結合効率などで、一方の波長（例えば１５５０ｎｍ帯）で最適な特性が得られるように用意された設計に比べれば、特性的には劣ることになる。つまりその分、ＰＰＬＮ素子への励起光入力や、相関光子対の出力などにおいて、過剰損失の増加などを犠牲にした装置設計となる。
【００１８】
一方、量子もつれ光子対を用いた量子情報通信システムは、タイムスロット当りの平均光子（対）数が１以下の、ごく微弱光（単一光子（対）、あるいはそれ以下に近い状態）を扱うシステムであり、ゆえにこのような過剰損失等が多く見込まれるシステム構成は、システム性能を阻害し、好ましいものではない。
【００１９】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、その目的とする所は、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の量子もつれ光子対発生装置は、（１）偏波保持のループ光路と、（２）第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、（３）上記ループ光路に介在された２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質であって、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、この第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させると共に、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第２の光第２高調波を発生させ、かつ、この第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させる２次非線形光学媒質と、（４）上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、（５）上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への合波出力を実行させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光の少なくとも一部について、偏波方向を操作する偏波面操作手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
従って、本発明の量子もつれ光子対発生装置は、上記第１及び第２の光第２高調波と、上記
第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光とが、上記ループ光路中に配置された上記２次非線形光学媒質において生成され、ループ光路外に生成箇所を持たない構成となっている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生できる、量子もつれ光子対発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図２】図１の偏波分離合成モジュールの第３入出力端からの励起光の偏波方向と、第１の１／２波長板の光軸方向との関係を示す説明図である。
【図３】図１の偏波分離合成モジュールからの出力光（の種類）の説明図である。
【図４】第１の実施形態を実証する確認実験結果を示す説明図（１）である。
【図５】第１の実施形態を実証する確認実験結果を示す説明図（２）である。
【図６】第１の実施形態に係る変形実施形態（１）の構成を示す構成要素の配置図である。
【図７】第１の実施形態に係る変形実施形態（２）の構成を示す構成要素の配置図である。
【図８】第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図９】図８の非相反偏波面変換部における構成要素の光学軸方向の関係を示す説明図である。
【図１０】第２の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１１】第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１２】図１１の第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板の光学軸方向の説明図である。
【図１３】第３の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１４】第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１５】第４の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１６】第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１７】第５の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【００２６】
図１において、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００は、偏波分離合成モジュール１０１と、偏波分離合成モジュール１０１の２つの入出力端とを含んで構成されるサニャック干渉計形の光ループＬＰと、この光ループＬＰの光路中に設置された第１の２次非線形光学媒質１０２及び第１の１／２波長板１０３とを少なくとも備えている、さらにまた、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００は、励起光を上記光ループＬＰの光路中に入力し、また、上記光ループＬＰから出力される所望とする量子もつれ光子対波長成分のみを選択的に抽出して出力するための光入出力用光部品として、光サーキュレータ１０４、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭ（波長分割多重化；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）フィルタ１０６を備えている。
【００２７】
光ループＬＰは、好ましくは偏波保持光学系で構成されるのが望ましい。そのために、光ループＬＰを構成する偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、第１の１／２波長板１０３の光学軸の関係は、後述するような特別の配慮を持って構成されている。
【００２８】
また、この光ループＬＰは、各光学部品を光結合レンズのみを用いて空間的に結合することで実現しても良く（すなわち、光ファイバを利用しないで実現しても良く）、また、偏波保持光ファイバが結合されて光モジュールとして提供されているものを用いて構成しても良い。また、偏波保持光ファイバではなく、通常の偏波保持性を有しない光ファイバが結合されている光モジュールを用いた場合でも、適宜偏波面コントローラなどの付加光部品を用いることで、擬似的に偏波保持光学系を構成することでも実現できる。
【００２９】
ここで、入力励起光波長をλｐであるとする（但し、λｐは真空中での波長である）。この波長λｐは、所望する量子もつれ光子対波長の近傍の波長とする。すなわち、所望する量子もつれ光子対波長帯が１５５０ｎｍであるならば、λｐは１５５０ｎｍ近傍の値である。
【００３０】
第１の２次非線形光学媒質１０２は、ＰＰＬＮなどの２次の非線形光学効果を有する非線形光学媒質であり、波長λｐの入力励起光を入力すると、その半分の波長（λｐ／２）の光第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ光、以下、ＳＨＧ光と略する）を発生し、かつ、このＳＨＧ光を種光としたＳＰＤＣ過程により波長λｓのシグナル光及び波長λｉのアイドラー光の相関光子対を同時空間的に発生するものである（但し、λｓ、λｉはいずれも真空中での波長である）。
【００３１】
入力励起光、シグナル光、アイドラー光の波長であるλｐ、λｓ、λｉは、（１）式のエネルギー保存則に相当する関係を満足する。
【数１】
【００３２】
偏波分離合成モジュール１０１は、光サーキュレータ１０４の第２出力端１０４−２と結合する第１入出力端１０１−１と、第１入出力端１０１−１に対向する側に第１の２次非線形光学媒質１０２の一端を結合する第２入出力端１０１−２と、第１の１／２波長板１０３の一端を結合する第３入出力端１０１−３と、第３入出力端１０１−３に対向する側に備えられた第４入出力端１０４−４を備えている。なお、第４入出力端１０１−４は、そこからの光の入出力を行うことはないので、例えば光ファイバピグテール、光コネクタなどの光信号の入出力インターフェイスのための光部品を接続する必要はない（後述する第３及び第５の実施形態も同様である）。その場合において、第４入出力端１０１−４は、後に詳細に述べる詳細な動作原理の説明のために専ら便宜上設けているだけのものであり、それ自体は第１の実施形態における必須構成要素ではない（なお、後述する第２及び第４の実施形態においては、第４入出力端１０１−４は必須構成要素である）。
【００３３】
図１では、偏波分離合成モジュール１０１が光ループＬＰへの分波入力機能と、光ループＬＰからの光の合波出力機能とを担っているが、これら機能を別の光学部品が担いようにしても良い。
【００３４】
光サーキュレータ１０４は、波長λｐの入力励起光を入力するための第１入出力端１０４−１と、第１入出力端１０４−１からの入力光を出力すると共に偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１と結合する第２入出力端１０４−２と、第２入出力端１０４−２からの入力光を出力する第３入出力端１０４−３とを備えている。
【００３５】
偏波分離合成モジュール１０１や光サーキュレータ１０４としては、波長λｐの近傍（λｓ、λｉを含む）でそれぞれ所望の動作を保証できるものを用いれば良い。すなわち、その半波長（λｐ／２）での動作は担保される必要はない。すなわち、波長λｐが例えば１５５０ｎｍであれば、１５５０ｎｍ帯用の偏波分離合成モジュール、光サーキュレータとして一般的に市販されている光部品で良く、特許文献２や非特許文献１で述べているような、λｐ、λｐ／２の両波長で動作するような“特殊な”偏波分離合成モジュール等である必要はない。
【００３６】
また、以下の説明の便宜のために、偏波分離合成モジュール１０１へ波長λｐの光が入射する場合、入射光の偏波分離合成モジュールの偏波面選択反射面に対する電場ベクトルの振動方向に対応する成分を次のように定義する。すなわち、偏波面選択反射面へ入射する入射光の入射面に平行な方向に電場ベクトルが振動する成分をｐ成分、入射光の入射面に垂直な方向に電場ベクトルが振動する成分をｓ成分と呼ぶこととする。
【００３７】
そして、偏波分離合成モジュール１０１においては、第１入出力端１０１−１から入力されたｐ偏波成分は、第２入出力端１０１−２に出力され、第１入出力端１０１−１から入力されたｓ偏波成分は、第３入出力端１０１−３に出力される。また、第２入出力端１０１−２から入力されたｐ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力され、第３入出力端１０１−３から入力されたｓ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力される。
【００３８】
なお、偏波分離合成モジュール１０１としては、例えば、市販されている偏光ビームスプリッタの中から好適なものを選んで利用することができる。あるいはまた、上記の説明で想定している薄膜を用いたタイプの偏光ビームスプリッタに限定されず、偏波分離合成モジュール１０１は、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いたものであっても良い。
【００３９】
波長λｐの入力励起光は、光サーキュレータ１０４の第１入出力端１０４−１に入力され、第２入出力端１０４−２から出力され、その後、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０ｌ−１へと入力され、ｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へと出力される。
【００４０】
第１の実施形態において、上記の偏波分離された入力励起光のｐ偏波成分とｓ偏波成分は、後述する理由によって同じ光強度でなければならない。そのため、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力される励起光は、ｐ偏波成分強度とｓ偏波成分強度の強度比が１：１であるように偏波調整されていなければならない。このように用意された入力励起光を、本願明細書では「４５°偏波の励起光」と呼ぶ。このような励起光を用意するには、例えば、光サーキュレータ１０４の第１入出力端１０４−１の手前に偏波面コントローラを用意し、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力される励起光の偏波状態を、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向から４５°だけ傾いた直線偏波となるように調整すれば良い。
【００４１】
第１の１／２波長板１０３は、波長λｐの光に対してその直交光軸間での光位相差がπとなる、いわゆる１／２波長板として動作するものである。以後、特に断りのない限り、「１／ｎ波長板」（ｎ＝２，３，４，…）と呼んだ場合の波長（λ）は励起光波長λｐのことを指す。
【００４２】
第１の１／２波長板１０３の光軸方向は、図２に示すように用意されている。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１において、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光の偏波方向（ｓ偏波）に対して、光軸方向が４５°だけ回転している。すなわち、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光は、第１の１／２波長板１０３を通過した後、偏波方向が９０°だけ回転してｐ偏波方向に一致するものとなる。
【００４３】
なお、１／２波長板１０３に代わる構成として、以下のような構成を挙げることができる。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１及び第１の２次非線形光学媒質１０２として、偏波保持光ファイバを光の入出力端として接続させた構成の部品を採用し、偏波分離合成モジュール１０１からの偏波保持光ファイバと、第１の２次非線形光学媒質１０２からの偏波保持光ファイバとを、本来第１の１／２波長板１０３を介して接続する箇所に、双方の偏波保持光ファイバの互いの光学軸（ｓｌｏｗ軸、ｆａｓｔ軸）を９０°だけ回転させて融着接続した構成とすることにより、１／２波長板１０３を使用しなくても、１／２波長板１０３を使用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
第１の実施形態（後述する第２〜第４の実施形態も同様）においては、第１の２次非線形光学媒質１０２に入出力する入力励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光は同一偏波方向の直線偏波光（直線偏光光）であると規定する。このようなことは、例えば、第１の２次非線形光学媒質１０２としてＰＰＬＮを用いた場合、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３３成分を、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用し、そのためにＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向に偏波した励起光を入力することで実現することができる。
【００４５】
光ローパスフィルタ１０５は、光サーキュレータ１０４の第３入出力端１０４−３からの出力光のうち、第１の２次非線形光学媒質１０２で発生したＳＨＧ光の波長成分（λｐ／２）を除去するものである。光ローパスフィルタ１０５の通過光の波長成分は、励起光波長成分（λｐ）、シグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー波長成分（λｉ）となる。
【００４６】
ＷＤＭフィルタ１０６は、ローパスフィルタ１０５の通過光のうち、少なくともシグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー波長成分（λｉ）を別々の光経路に切り分けて出力するものである。このようなＷＤＭフィルタ１０６としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ（ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。
【００４７】
ＷＤＭフィルタ１０６を通過したシグナル光波長成分及びアイドラー波長成分は、例えば、光ファイバ通信網などの光伝送路を経由した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ、受信者Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。
【００４８】
（Ａ−２）第１の実施形態の動作
以下では、第１の２次非線形光学媒質１０２としてＰＰＬＮ結晶を適用し、その２次非線形光学定数のうちｄ３３成分をＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用するとして、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００の動作を説明する。
【００４９】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２及び第３入出力端１０１−３から、それぞれｐ偏波、ｓ偏波で、同じ強度の励起光（波長λｐ）が出力される。ｐ偏波方向と、ＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向が一致するように、第１の２次非線形光学媒質１０２であるＰＰＬＮ結晶を配置する。
【００５０】
まず、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２からｐ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を説明する。
【００５１】
励起光を入力することで、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ光が発生する。すると、このＳＨＧ光を種光としてＳＰＤＣ過程により、同じＰＰＬＮ結晶内でシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。
【００５２】
ＰＰＬＮ結晶から出力される励起光、ＳＥＧ光、シグナル光、アイドラー光（これらは全て同じ偏波方向を有する）は、第１の１／２波長板１０３を通過する。この際、波長がλｐ近傍である励起光、シグナル光、アイドラー光は、偏波が９０°だけ回転してｓ偏波となって偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１にｓ偏波として出力される。
【００５３】
一方、波長がλｐ／２であるＳＨＧ光に対しては、第１の１／２波長板１０３は単に１波長分の位相差を与えるだけなので、偏波回転が生じない。従って、ＳＨＧ光はｐ偏波のままで偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１に出力されない。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール１０１の波長依存性が無視できるならば、ＳＨＧ光は偏波分離合成モジュール１０１の第１の実施形態では利用しない第４入出力端１０１−４に出力される。
【００５４】
つまり、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程がともに発現することにより、ｓ偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【００５５】
次に、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３からｓ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を説明する。
【００５６】
励起光はまず、第１の１／２波長板１０３を通過することで９０°だけ偏波回転が生じ、ｐ偏波光となる。
【００５７】
その後、第１の２次非線形光学媒質１０２としてのＰＰＬＮ結晶に入力するとき、励起光の偏波方向はＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向と一致する。このループＬＰ内を反時計回りに伝播する励起光が入力されることで、ループ内時計回りに伝播する励起光で生じたのと同様に、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程が順次生じることにより、ＳＰＤＣ相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が発生する。
【００５８】
また、第１の１／２波長板１０３での光損失を無視すると、このときＰＰＬＮ結晶に入力する励起光強度は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光がＰＰＬＮ結晶に入力するときの励起光強度と同じである。
【００５９】
ここで、ＰＰＬＮ結晶の前後から入力される時計回りの励起光及び反時計回りの励起光の偏波方向が同じで、強度も同じであることから、ＰＰＬＮ結晶が中心対称な構造であれば、ＰＰＬＮ結晶内で発生するＳＨＧ光とＳＰＤＣ相関光子の生成確率は、時計回りの励起光及び反時計回りの励起光に対して同じである。
【００６０】
反時計回りの励起光に対してＰＰＬＮ結晶から出力される励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光（これらは全て同じ偏波方向である）は、ｐ偏波として偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１にｐ偏波として出力される。
【００６１】
つまり、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程が順次発現することにより、ｐ偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【００６２】
非特許文献１の記載技術と同様に、励起光強度が十分弱い場合、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、シグナル光とアイドラー光の相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したｓ偏波の相関光子対か、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したｐ偏波の相関光子対のどちらか一方となる。すなわち、装置から発生する相関光子対の状態は、光ループＬＰを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまり、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００によって、偏波量子もつれ光子対が発生されている。
【００６３】
図３は、偏波分離合成モジュール１０１からの出力光（の種類）を説明する模式図である。図３（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、薄膜１０１Ｒを用いたタイプの偏光ビームスプリッタを用いた場合の各波長の光の入出力関係を模式的に表した図であり、図３（Ｂ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いた場合の模式図である。
【００６４】
偏光ビームスプリッタを用いた場合も偏光プリズムを用いた場合も、第１入出力端１０１−１からは、所望の偏波もつれ光子対成分（シグナル光、アイドラー光）と共に、光ループＬＰを時計回り及び反時計回りに伝播した入力励起光成分と、光ループＬＰを反時計回りに伝播した励起光によって発生したＳＨＧ光成分とが出力される。
【００６５】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力された各成分は、光サーキュレータ１０４の第２入出力端１０４−２に入力され、第３入出力端１０４−３に出力される。但し、ここでは、光サーキュレータ１０４の波長依存性を取りあえず無視して記載した。
【００６６】
光サーキュレータ１０４の第３入出力端１０４−３からの出力光は、光ローパスフィルタ１０５に入射され、光ローパスフィルタ１０５を経由することにより、波長λｐ／２のＳＨＧ光成分が除去される。
【００６７】
その後、ＷＤＭフィルタ１０６に入射され、シグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー光波長成分（λｉ）が別々の光経路に切り分けられて出力される。それぞれの光経路に入力励起光波長成分（λｐ）が混在しないように、ＷＤＭフィルタ１０６には十分な波長分離能力が必要となる。このようなＷＤＭフィルタ１０６としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー光波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。また、ブラッグ波長がλｐである回折格子型のフィルタ、例えば、ファイバブラッググレーティングなどと組み合わせて励起光波長成分を十分抑制した構造とすることもできる。
【００６８】
ＷＤＭフィルタ１０６を通過したシグナル光波長成分及びアイドラー波長成分はそれぞれ、光ファイバ通信網などの光伝送路を経由した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ及び受信者Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。
【００６９】
以上のように、第１の実施形態においては、ＳＰＤＣ過程の種光となる波長λｐ／２のＳＨＧ光は、光ループＬＰの光路の外部から供給する必要はなく、光ループＬＰの光路中に配置された第１の２次非線形光学媒質１０２内で自生する。そして、このＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２内以外では不要な光成分である。すなわち、第１の２次非線形光学媒質１０２以外の光部品では、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、偏波分離合成モジュール１０１や光サーキュレータ１０４などは、波長λｐ近傍で所望の動作を実行するもので良く、波長λｐ／２で動作する必要がないため、従来技術のような特殊な光部品を用いる必要がない。この点は、第１の２次非線形光学媒質１０２内へ励起光を入力するためのレンズ系などの結合光学系に関しても言え、すなわち、波長λｐ／２及び波長λｐの双方で動作する結合光学系である必要はなく、波長λｐでのみ動作する結合光学系で良い。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を実現することができる。
【００７０】
さらに言えば、波長λｐ／２のＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２内以外では不要な光成分であるため、偏波分離合成モジュール１０１や結合光学系で多大な光損失を受けてもなんら問題はなく、むしろその場合、後段の光ローパスフィルタ１０５で必要とされるＳＨＧ光成分除去のためのフィルタ透過特性への負荷が小さくなり、望ましい。
【００７１】
第１の２次非線形光学媒質１０２としては、所望の量子もつれ光子対の波長に応じて、ＬｉＮｂＯ３結晶やＰＰＬＮ結晶などのバルク結晶や、それに光導波路構造を作り込んだＰＰＬＮ導波路など様々な２次非線形光学媒質を利用できる。波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置の場合、前述の特許文献２や非特許文献１で記載されているようなＬｉＮｂＯ３結晶は、その代表的な例である。
【００７２】
一方、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００を実現するに当たっては、第１の２次非線形光学媒質１０２内でのＳＨＧ発生とＳＰＤＣ発生を高効率に実行することが、産業応用上特に重要である。そのためにはＳＨＧ発生過程とＳＰＤＣ発生過程のそれぞれにおける、入力励起光とＳＨＧ光との位相整合条件、さらには、ＳＨＧ光とシグナル光との位相整合条件、ＳＨＧ光とアイドラー光との位相整合条件が重要である。
【００７３】
バルク結晶を用いた場合、角度整合を用いた位相整合を用いるのが一般的であるが、この場合、特許文献１などにも示されるように、シグナル光とアイドラー光との空間的分離により、量子もつれ状態の純度が劣化することがある。
【００７４】
一方、強誘電体の周期的分極反転構造など、２次非線形光学係数が空間的に変調された構造を用いると、角度整合に依らず擬似的な位相整合条件を実現することができるメリットがある。
【００７５】
さらにまた、光導波路構造を作り込んだ２次非線形光学媒質では、上記のような空間分離による量子もつれ状態の純度劣化を改善できると共に、強い光閉じ込めによる実効的な２次非線形光学係数の増加により、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生確率を増加できるメリットがある。
【００７６】
上記の理由から、波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置１００を構成する第１の２次非線形光学媒質１０２としては、ＰＰＬＮ導波路が最適な一例である。
【００７７】
ＰＰＬＮ導波路におけるＳＨＧ発生過程、ＳＰＤＣ発生過程におけるエネルギー保存則、運動量保存則（すなわち、位相整合条件）は（２）式〜（５）式のようになる。波数及び波長は、ＰＰＬＮ導波路内での実効屈折率ｎを介して（６）式の関係がある。
【数２】
【００７８】
（２）式及び（４）式はエネルギー保存則に基づく各光成分の波長の関係を表している。すなわち、ＳＨＧ光は入力励起光の半分の波長であり、また、このＳＨＧ光を種光として生成するシグナル光、アイドラー光の光周波数（＝ｃ／λ、ｃは真空中での光速）の和は、ＳＨＧ光の光周波数に等しく、同時にまた入力励起光の光周波数の半分に等しいことを意味する。
【００７９】
（３）式及び（５）式が位相整合に関わる式である。励起光波長λｐと、ＰＰＬＮ導波路形状から実効屈折率ｎｐ、ｎＳＨＧが決定されれば、（３）式及び（６）式に基づいて分極反転周期Λが決定される。
【００８０】
シグナル光、アイドラー光の波長が異なるとした場合（λｓ≠λｐ、λｉ≠λｐ）、一般に（３）式及び（５）式は両立しない。つまり、ＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程の位相整合条件は一般には両立しない。
【００８１】
よく知られた非線形光学効果を記述する結合モード方程式の解から、位相不整合の場合、発生確率は｛ｓｉｎ２(δＬ／２)｝／(δＬ／２)２に比例して低下していくと考えられる。ここで、δは（７）式で表されるＳＰＤＣ過程における位相不整合量、ＬはＰＰＬＮ導波路長である。
【数３】
【００８２】
発生確率の低下が最大値（位相整合下の値）の５０％までを、仮に許容不整合量と仮定すると、｛ｓｉｎ２(δＬ／２)｝／(δＬ／２)２＝０．５から≒２．７８となる。これがＳＰＤＣ過程において生じる相関光子対の波長帯域を制限する。すなわち、相関光子対として発生するシグナル光及びアイドラー光の波長範囲を決定する。
【００８３】
また、実効屈折率の波長変化が励起光波長近傍でほぼ線形である場合、すなわち励起光波長近傍での実効屈折率が（８）式で表される範囲では、（４）式、（６）式及び（８）式を用いて、（９）式が得られ、すなわち、この範囲で位相整合条件の（３）式及び（５）式は両立する。
【数４】
【００８４】
以上の検討から、第１の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１００を実現するためには、まず、ＳＨＧ発生の位相整合条件である（３）式を満足するようにＰＰＬＮ導波路の分極反転周期Λを決定すれば良いことが分かる。その結果、（５）式で示すＳＰＤＣ発生過程における位相整合を満足するか、少なくとも許容範囲のうちの位相不整合量内にある波長組み合わせ（λｓ、λｉ）の相関光子対がＳＰＤＣ過程に基づいて発生し、その結果、所望する量子もつれ光子対が発生できるものと期待できる。
【００８５】
第１の実施形態を実証するための、基礎的な確認実験を行った。すなわち、ＰＰＬＮ導波路に１．５５ミクロン帯の励起光を入力したとき、ＳＨＧ発生過程とＳＰＤＣ発生過程が生じて、１．５５ミクロン帯のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生することを確認した。
【００８６】
実験に用いた素子は、ＭｇＯをドープした化学量論的組成のＬｉＮｂＯ３基板に、周期的分極反転構造を施し、またプロトン交換とダイシングによるリッジ形状加工により光導波路構造を形成したＰＰＬＮ導波路素子である。
【００８７】
素子の長さは６ｃｍ、またリッジ幅は約１０ミクロンとした。また、分極反転周期（Λ）は約１９．３ミクロンとした。この値は、（３）式のＳＨＧ光に対する位相整合を満足する励起光波長λｐ（以下、ＱＰＭ波長と呼ぶ）が１５５１ｎｍとなるような値として設計した。
【００８８】
素子の伝播ロスは、１５５０ｎｍ帯の光に対しておおよそ０．１ｄＢ／ｃｍであった。
【００８９】
実験は、上記のＰＰＬＮ導波路素子を、温度制御素子（ペルチェクーラー）や結合レンズ、光入出力のための光ファイバ等と共に光モジュール化したＰＰＬＮモジュールを用いて行った。モジュールの挿入損失は１５５０ｎｍ帯の光に対しておおよそ３．８ｄＢであった。
【００９０】
ＰＰＬＮモジュールに、波長１５５０ｎｍ近傍の連続光を入力し、モジュール入力前後での光スペクトルの変化を観測した。
【００９１】
図４（Ａ）に結果を示す。図４（Ａ）において、細い実線は入力時の光スペクトル、太い実線は出力時の光スペクトルを示す。この実験においては、素子温度が２９．２℃に一定になるように制御した。また、入力励起光波長は、この素子温度でのＱＰＭ波長に相当する、１５５０．９ｎｍとした。また、モジュールへの入力光強度は＋２１．３ｄＢｍとした。
【００９２】
図４（Ａ）の結果から分かるように、出力スペクトルにおいて、励起光波長（λｐ、今回の場合１５５０．９ｎｍ）周りに広がった連続的な光スペクトルが観測され、ＳＰＤＣ過程によるシグナル光、アイドラー光の発生が確認できた。スペクトルは励起光波長を中心に左右対称に広がっており、このことから、シグナル光、アイドラー光は同等にＰＰＬＮ導波路内に閉じ込められ、また、光取り出し口である光ファイバから出力されていることが分かる。
【００９３】
一方、図４（Ｂ）は、モジュールに入力する励起光の条件は変えずに、ＰＰＬＮ導波路素子の制御温度を３５．０℃一定に変化させたときのモジュールからの出力光スペクトルである。この場合、出力光スペクトルの形状は、入力光スペクトルの形状とほぼ同じであった。
【００９４】
この実験条件では、入力励起光波長は、素子のＱＰＭ波長からおおよそ０．８ｎｍ短波長側にずれており、すなわち、ＳＨＧ光に関する位相整合条件の（３）式から大きく乖離した状態にあり、すなわち、ＳＨＧ光がほとんど発生しない。
【００９５】
すなわち、図４（Ｂ）に示す結果は、ＳＨＧ発生の過程を経なくては、ＳＰＤＣ発生も生じないことを意味する。
【００９６】
逆に、図４（Ａ）に示す結果は、入力励起光波長がＱＰＭ波長と一致し、ＰＰＬＮ導波路素子内でＳＨＧが発生すれば、それを種光としてＳＰＤＣ過程が生じることを意味し、言い換えると、第１の実施形態で必要とする、２次非線形光学媒質中でＳＨＧが発生し、かつ、それを種光としてＳＰＤＣ過程によりシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する過程が確かに生じていることを意味する。
【００９７】
図４（Ａ）に示す結果から、ＳＰＤＣ相関光子対の発生帯域は、片側３ｄＢ幅で約３２ｎｍ（４ＴＨｚ）、片側１０ｄＢ幅で約５４ｎｍ（７ＴＨｚ）と見積もられ、広範囲なスペクトル形状が観測された。
【００９８】
また、光スペクトルを積分することにより、ＳＰＤＣ過程による発生光子数を見積もった。発生光子数は、シグナル光（又はアイドラー光）に相当する短波長側成分（１４９１ｎｍ−１５４９ｎｍ）で１．５４０×１０１１（／ｓ）、アイドラー光（又はシグナル光）に相当する長波長側成分（１５５２．８ｎｍ−１６１５．８ｎｍ）で１．４５４×１０１１（／ｓ）と見積もられた。両者の値はよく一致した。これは、導波路構造のために、生成したシグナル光、アイドラー光がともに漏れなくＰＰＬＮ導波路内に閉じ込められ、また、光取り出し口である光ファイバから出力されるためと考えられる。
【００９９】
図５は、図４（Ａ）と同じＰＰＬＮ導波路素子温度、励起光波長条件の元で測定した、ＰＰＬＮモジュールからのカスケード自然パラメトリック下方変換特性の実験結果を示す説明図である。図５（Ａ）は、波長７７５．４５ｎｍのＳＨＧ光強度の入力励起光強度依存性の実験結果を示し、図５（Ｂ）は、シグナル光（短波長成分）光子及びアイドラー光（長波長成分）光子の総光子数の入力励起光強度依存性の実験結果を示している。
【０１００】
両者は共に入力励起光強度の２乗に比例した結果を示した。これは以下のように理解できる。すなわち、ＳＨＧ光は、励起光（基本光）の減衰がない範囲では、その発生強度は基本光強度の２乗に比例する。また、ＳＰＤＣ過程の発生確率は、種光であるＳＨＧ光強度に比例し、すなわち、励起光強度の２乗に比例する。
【０１０１】
すなわち、図５に示す結果は、今回観測されたシグナル光、アイドラー光が、確かにＳＨＧ発生からＳＰＤＣ発生への過程を経て生じたものであることを意味している。
【０１０２】
なお、この実験で用いたＰＰＬＮモジュールで用いられている結合レンズ、入出力用光ファイバ等は、全て長波長（１．５ミクロン帯）用の光学部品であり、短波長（０．７８ミクロン帯）での用途には全く考慮したものではない。それゆえ、本実験の結果は、長波長用の光学部品で装置全体を構成できるという、本発明で目的とする効果をも実証している。
【０１０３】
すなわち、図４及び図５に示した基礎的な確認実験の結果から、ここで用いたようなＰＰＬＮ導波路素子を用いて図１に示す量子もつれ光子対発生装置１００を作製すれば、所望する波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を実現できることが明らかとなった。
【０１０４】
（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、従来技術と異なり、ＳＰＤＣ過程の種光となる波長λｐ／２のＳＨＧ光を、偏波分離合成モジュールを両端とする光ループ光路の外部から供給することなく、光ループ光路中に配置されＳＤＰＣ過程を生じさせる第１の２次非線形光学媒質１０２自身で発生させる。ここで発生させたＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２以外の光部品で不要な成分であり、すなわち、その他の装置構成部品において、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、装置を構成する、偏波分離合成モジュール、結合レンズなどの光学部品において、波長λｐ、λｐ／２での両方で動作する特殊な光部品を用いる必要がない。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を生成することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供できる。
【０１０５】
（Ａ−４）第１の実施形態の変形実施形態
第１の実施形態に対し、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態を変形した実施形態を種々上げることができる。
【０１０６】
図６は、光サーキュレータを用いない構成の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１０７】
図６に示す量子もつれ光子対発生装置１００Ａにおいては、ＷＤＭフィルタ１０６としてＡＷＧ（以下、この変形実施形態の説明においてＡＷＧに対して符号１０６を付与して説明する）を用いている。少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー波長（λｉ）及び励起光波長（λｐ）の３波長を透過波長成分として有するＡＷＧ１０６を用いている。
【０１０８】
ＡＷＧ１０６においては、その透過波長に相当する波長の光を入力する、複数の透過光入出力ポートと、それぞれの透過光入出力ポートに入力された光を合波出力する共通入出力ポートとを有する。逆に、共通入出力ポートに入力された光は、それぞれの波長に応じて分波され、それぞれの透過波長に相当する透過光入出力ポートへと分波出力される。
【０１０９】
ＡＷＧ１０６の上記のような特性を利用して下記のような構成をとる。すなわち、励起光波長を透過波長としている透過光入出力ポートへ励起光を入力し、共通入出力ポートからの出力光を偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力し、第１の実施形態の場合と同様にして、励起光を第１の２次非線形光学媒質１０２へ双方向に入力する。
【０１１０】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光は、ＡＷＧ１０６の共通入出力ポートへ入力され、シグナル光、アイドラー光がそれぞれ対応する透過光入出力ポートへ入力され、この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、ＳＨＧ波長成分を除去するために、必要であればシグナル光、アイドラー光の透過光入出力ポートに光ローパスフィルタ１０５−ｓ、１０５−ｉを接続して、ＳＫＧ光波長成分を除去する。
【０１１１】
図７は、光サーキュレータを用いない構成の他の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１１２】
図７に示す量子もつれ光子対発生装置１００Ｂにおいては、波長λｐの波長成分のみを選択的に透過（あるいは反射）する狭帯域な光バンドパスフィルタ１０８を用いる。ここで、シグナル光及びアイドラー光の波長は、光バンドパスフィルタ１０８の透過（又は反射）帯域に掛からないように、励起光波長λｐから十分離れているものとする。
【０１１３】
図７では、反射型光バンドパスフィルタ１０８を示している。光バンドパスフィルタ１０８の反射特性を利用して、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ波長λｐの励起光を入力する。偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光のうち、励起光波長成分は反射型光バンドパスフィルタ１０８で反射され、その透過ポートへは出力されない。この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、ＳＨＧ波長成分を除去するために、光ローパスフィルタ１０５を接続して、ＳＨＧ光波長分を除去する。その後、ＷＤＭフィルタ１０６に接続して、シグナル光、アイドラー光をそれぞれ分離出力する。
【０１１４】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１１５】
（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図８は、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１１６】
図８において、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃは、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０３に代えて、ファラデー回転子と１／２波長板とからなる２組の非相反偏波面変換部（光学部品のペア）２１１、２１２を用いている。第１の実施形態で用いた光サーキュレータ１０４は、この第２の実施形態では使用されていない。
【０１１７】
第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃは、第１の実施形態で述べた基本的な動作を実行できることを保証しつつ、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを、偏波分離合成モジュール１００のそれぞれ異なる入出力端を介して入出力し得るようにしたものである。
【０１１８】
第１の非相反偏波面変換部２１１は、第１のファラデー回転子２０７と第２の１／２波長板２０８とを縦続接続したものであり、第１の非相反偏波面変換部２１１は、光ループＬＰ上の偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３と第１の２次非線形光学媒質１０２との間の位置に介挿されている。第２の非相反偏波面変換部２１２は、第２のファラデー回転子２０９と第３の１／２波長板２１０とを縦続接続したものであり、第２の非相反偏波面変換部２１２は、光ループＬＰ上の偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第１の２次非線形光学媒質１０２との間の位置に介挿されている。
【０１１９】
各ファラデー回転子２０７、２０９はそれぞれ、波長λｐの励起光に対して４５°だけ偏波回転させるファラデー回転子であり、各１／２波長板２０８、２１０はそれぞれ、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０３と同様に、波長λｐの励起光に対していわゆる１／２波長板として動作するものである。
【０１２０】
第１の非相反偏波面変換部２１１及び第２の非相反偏波面変換部２１２は同一構成のものである。各非相反偏波面変換部２１１、２１２における構成要素の光学軸方向の関係は、図９に示すように調整されている。なお、図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１における構成要素の光学軸方向の関係を示しているが、第２の非相反偏波面変換部２１２においても同様である。
【０１２１】
第１の非相反偏波面変換部２１１において、第１のファラデー回転子２０７側あるいは第２の１／２波長板２０８側から、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力する。動作の項で詳述するが、この特定偏波方向は、偏波分離合成モジュール１０１におけるｐ偏波方向若しくはｓ偏波方向の一方に一致する。第２の１／２波長板２０８の光学軸は、この特定偏波方向（図９ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように調整されている。
【０１２２】
偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭフィルタ１０６は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。
【０１２３】
（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃの動作を説明する。
【０１２４】
第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１２５】
以下では、まず、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力され、光ループＬＰを反時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。
【０１２６】
偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。このときの第１の非相反偏波面変換部２１１内における偏波状態の変化を、図９（Ａ）を参考にして説明する。
【０１２７】
図９（Ａ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光を、右向きの矢印で表している。このｓ偏波励起光が第１のファラデー回転子２０７を通過する。第１のファラデー回転子２０７を通過することによって、図中反時計回りに４５°の偏波回転が生じる。その結果、第１のファラデー回転子２０７からの出力光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。このような偏波方向を有する第１のファラデー回転子２０７からの出力光が第２の１／２波長板２０８を通過する。第２の１／２波長板２０８の偏波方向（光学軸）は、特定偏波方向（ｐ偏波方向）と２２．５°の角をなしている。第２の１／２波長板２０８に入力する光の偏波方向は、ｐ偏波方向に対して４５°の傾きを有するため、第２の１／２波長板２０８の光学軸に対しては２２．５°の角を有し、その結果、第２の１／２波長板２０８からの出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。
【０１２８】
このことは、第２の１／２波長板２０８を通過して出力された励起光の偏波方向がｐ偏波方向となっていることを意味する。すなわち、第１の非相反偏波面変換部２１１内を、第１のファラデー回転子２０７、第２の１／２波長板２０８の順番で通過した励起光は、偏波方向が反時計回りに９０°だけ回転される。なお、このような偏波方向の回転は、第２の非相反偏波面変換部２１２でも同様である。このような回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。
【０１２９】
第１の非相反偏波面変換部２１１から出力された励起光は、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第１の実施形態の場合と同様に、励起光の偏波方向（ｐ偏波）と同じ直線偏波のＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１３０】
励起光、並びに、第１の２次非線形光学媒質１０２で発生されたＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第２の非相反偏波面変換部２１２に入力される。このとき、励起光、並びにそれと波長が近いＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過した場合と同様に、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過することで、偏波方向が反時計回りに９０°だけ回転される。この場合、入力状態はｐ偏波であったから、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過した後ではｓ偏波に変換されている。
【０１３１】
その後、光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、偏波状態がｓ偏波であることから、第４入出力端１０１−４へ出力される。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１に最初に励起光が入力された入出力端（１０１−１）とは異なる入出力端（１０１−４）から、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される。
【０１３２】
次に、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力され、光ループＬＰを時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。
【０１３３】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２を、第３の１／２波長板２１０、第２のファラデー素子２０９の順番に通過する。このときの偏波状態の変化を、図９（Ｂ）を参照しながら説明する。図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１について示しているが、上述したように、第２の非相反偏波面変換部２１２についても同様であり、図９における符号「２０７」を符号「２０９」と、符号「２０８」を符号「２１０」と置き換えて見れば、図９は、第２の非相反偏波面変換部２１２を表している図面と見ることができる。
【０１３４】
図９（Ｂ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光はｐ偏波であるから、図中上向きの矢印で表す。このｐ偏波励起光が第３の１／２波長板２１０を通過する。第３の１／２波長板２１０への励起光の偏波方向は、第３の１／２波長板２１０の光学軸と２２．５°の角をなしているため、その結果、第３の１／２波長板２１０の出力光の偏波方向は右斜め上４５°向き矢印の方向で表すことができる。次に、第２のファラデー回転子２０９を通過するとき、反時計回りに４５°だけ回転するため、その結果、第２のファラデー回転子２０９の出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。すなわち、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過してもｐ偏波のままである。
【０１３５】
以上のように、第２の非相反偏波面変換部２１２内を、第３の１／２波長板２１０、第２のファラデー回転子２０９の順番で通過した励起光は、偏波方向が回転されない。このような無回転は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも同様である。この無回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。
【０１３６】
以上から明らかなように、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過した励起光は、ｐ偏波の励起光として、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の実施形態と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ直線偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１３７】
励起光、並びに、発生されたＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。励起光、並びにそれと波長が近いＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過しても、偏波状態はそのままに（ｐ偏波）である。
【０１３８】
その後、この光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、偏波状態がｐ偏波であることから、第４入出力端１０１−４へ出力される。最初に励起光が入力された入出力端（１０１−２）とは異なる入出力端（１０１−４）から、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される。
【０１３９】
すなわち、第１の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０１４０】
光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される偏波分離合成モジュール１０１の入出力端（１０１−４）は、上述した光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される入出力端と同一である。一方、偏波分離合成モジュール１０１の第４の入出力端１０１−４から出力された光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向と、偏波分離合成モジュール１０１の第４の入出力端１０１−４から出力された光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向とは直交している。
【０１４１】
次に、第１の２次非線形光学媒質１０２において発生し、第１の２次非線形光学媒質１０２から出力されたＳＨＧ光が、第１の非相反偏波面変換部２１１、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過するときの偏波状態を説明する。第２及び第３の１／２波長板２０８及び２１０は、ＳＨＧ光に対しては１波長板であるので、この１／２波長板（２０８、２１０）を通過しても偏波回転も生じない。一方、第１及び第２のファラデー回転子２０７、２０９においては、波長が励起光の半分（λｐ／２）であるため、このファラデー回転子（２０７、２０９）を通過することによる偏波回転角は９０°となる。
【０１４２】
つまり、第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２は、ＳＨＧ光が、当該非相反偏波面変換部を構成しているファラデー回転子及び１／２波長板をどの順番で通過しても９０°だけ偏波回転を与える（図９（Ｃ）、（Ｄ））。
【０１４３】
図１０は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１０に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）とは異なるポート（ここでは第４入出力端１０１−４）から、光ループＬＰを時計回り及び反時計回りに伝播した入力励起光成分や、光ループＬＰを反時計回りに伝播した励起光によって発生したＳＨＧ光成分と共に出力される。
【０１４４】
その後、第１の実施形態と同様に、光ローパスフィルタ１０５、ＷＤＭフィルタ１０６で余分なＳＨＧ光成分や励起光波長成分を除去された上で、シグナル光、アイドラー光成分が分岐出力される。
【０１４５】
第２の実施形態の構成を、図１に示す第１の実施形態や、図６、図７に示す第１の実施形態に対する変形実施形態の構成と比べれば、次のような違いがある。すなわち、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはない。それ故、反射戻り光等による装置の不安定動作の懸念が小さくなる。さらには反射戻り光の懸念がある場合、その解消のための光アイソレータなどの光部品が必要となり、コスト増加や装置の光損失増加などがもたらされるが、それらを除去できる。
【０１４６】
（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはないため、反射戻り光等による装置の不安定動作の影響を除去でき、結果、コスト増や光損失増加による装置特性劣化を回避できる。
【０１４７】
（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第３の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１４８】
（Ｃ−１）第３の実施形態の構成
図１１は、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１４９】
図１１において、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄは、第１の実施形態と同様な構成に加え、偏波分離合成モジュール１０１と第１の２次非線形光学媒質１０２とを光学的に接続する２箇所の光路のうち、第１の１／２波長板１０３が挿入されない側の光路に、偏波面変換部３１４を設けたものである。偏波面変換部３１４は、第４の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第５の１／２波長板３１３を縦続接続したものである。
【０１５０】
第４の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第５の１／２波長板３１３の光学軸方向は、図１２に示すように選定されている。
【０１５１】
偏波面変換部３１４には、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力される。後述するように、この特定偏波方向とは、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向か、ｐ偏波方向の一方に一致する。第４の１／２波長板３１１及び第５の１／２波長板３１３の光学軸は、この特定偏波方向（図中ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように選定されている。一方、１／４波長板３１２の光学軸は、この特定偏波方向と４５°の角をなすように調整されている。
【０１５２】
偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、第１の１／２波長板１０３、光サーキュレータ１０４、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭフィルタ１０６は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。
【０１５３】
（Ｃ−２）第３の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄの動作を説明する。
【０１５４】
第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１５５】
第３の実施形態の後述する特徴的な効果は、偏波面変換部３１４における偏波回転の波長依存性によってもたらされる。以下、図１２を参照しながら、このことを説明する。
【０１５６】
図１２（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光（波長λｐ）が、偏波面変換部３１４を通過する際の偏波状態の変化を示している。
【０１５７】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光（波長λｐ）を、図中上向きの矢印で表している。この励起光が第４の１／２波長板３１１を通過する。第４の１／２波長板３１１の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように選定されている。そのため、第４の１／２波長板３１１から出力される励起光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。
【０１５８】
次に、励起光は、１／４波長板３１２を通過する。１／４波長板３１２の光軸方向は、ｐ偏波方向と４５°の角をなすように配置されている。そのため、１／４波長板３１２へと入力される励起光の偏波方向は、１／４波長板３１２の一方の光学軸方向と合致しており、その結果、１／４波長板３１２を通過してもなんらの偏波回転も生じない。
【０１５９】
次に、励起光は、第５の１／２波長板３１３を通過する。第５の１／２波長板３１３の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように配置されている。そのため、第５の１／２波長板３１３から出力される励起光の偏波方向は、反時計回りに４５°だけ回転し、すなわち、図中上向きの矢印方向で表される偏波方向の光となって出力される。
【０１６０】
すなわち、波長λｐの励起光が、偏波面変換部３１４を通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）を保ったまま出力される。このことは、図１２（Ｂ）に示されるように、励起光が偏波面変換部３１４に逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このような偏波状態の維持は、内部を構成する１／２波長板３１１、３１３や１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されているときに生じる。
【０１６１】
次に、光ループを反時計周りに進行する励起光の半分の波長（λｐ／２）のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するときの偏波方向の変換の様子を、図１２（Ｄ）を参照しながら説明する。なお、図１２（Ｃ）は、時計周りに進行する励起光の半分の波長（λｐ／２）のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するときの偏波方向の変換の様子を示しているが、このようなＳＨＧ光は不要な反射などで生じたものである。
【０１６２】
なお、１／２波長板３１１、３１３、１／４波長板３１２は、波長λｐ／２のＳＨＧ光に対してはそれぞれ、１波長板、１／２波長板として動作する。
【０１６３】
従って、第５の１／２波長板３１３に入力されたｐ偏波（上向き矢印）のＳＨＧ光はｐ偏波のまま出力される。
【０１６４】
次に１／４波長板３１２を通過するとき、１／４波長板３１２はＳＨＧ光に対しては１／２波長板として動作し、かつ、その光学軸方向が入力偏波方向と４５°の角をなすため、その結果、出力光の偏波方向は９０°だけ回転している（右向き矢印）。
【０１６５】
次に、第４の１／２波長板３１１を通過するときには、なんらの偏波方向の回転も生じない。
【０１６６】
すなわち、波長λｐ／２のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を反時計周りで通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）から９０°だけ偏波回転する（ｓ偏波に変換される）。このことは、図１２（Ｃ）に示されるように、ＳＨＧ光が逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このことは、内部を構成する１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｓ偏波方向あるいはｐ偏波方向と４５°の角をなすように設定されているときに生じる。
【０１６７】
以上の結果をまとめると、次のようになる。すなわち、偏波面変換部３１４を通過するとき、波長λｐの励起光とそれに近い波長のシグナル光及びアイドラー光は偏波回転されないのに対し、波長λｐ／２のＳＨＧ光は９０°だけ偏波回転する。このような偏波方向（偏波面）の変換のために、内部を構成する二つの１／２波長板３１１、３１３とひとつの１／４波長板３１２の光学軸方向が、それぞれ、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向に対して２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されている。
【０１６８】
以上の偏波面変換部３１４の変換動作を踏まえて、第３の実施形態の全体動作を説明する。
【０１６９】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（ｐ偏波）は、偏波面変換部３１４を通過し、偏波変換されずに（ｐ偏波のまま）第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２によって、第１の実施形態の場合と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１７０】
第１の２次非線形光学媒質１０２から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、次に、第１の１／２波長板１０３に入力され、励起光、ＳＤＰＣ相関光子対は９０°だけ偏波回転されてｓ偏波になるのに対し、ＳＨＧ光はｐ偏波のままである。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、偏波状態がｓ偏波である励起光、ＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｐ偏波であるＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７１】
一方、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力され、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（ｓ偏波）は、第１の１／２波長板１０３において９０°だけ偏波回転してｐ偏波へ変換され、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２によって、第１の実施形態と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１７２】
第１の２次非線形光学媒質１０２から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、次に、偏波面変換部３１４へ入力され、励起光、ＳＤＰＣ相関光子対は偏波回転されずにｐ偏波のまま出力されるのに対し、ＳＨＧ光は９０°だけ偏波変換されてｓ偏波として出力される。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、偏波状態がｐ偏波である励起光、ＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｓ偏波であるＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７３】
ここで、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力されるＳＰＤＣ相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｓ偏波であるのに対し、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｐ偏波であるから、第１の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０１７４】
図１３は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１３に示すように、光ループＬＰを伝播した励起光、並びに所望とする量子もつれ光子対（シグナル光、アイドラー光）は、励起光を入力する入出力端と同じ入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）から出力されるのに対し、ＳＨＧ光成分は光ループＬＰの伝播方向に関わらず第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７５】
すなわち、所望する量子もつれ光子対とＳＨＧ光とは、偏波分離合成モジュール１０１の異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることはない。それ故、第１及び第２実施形態と異なり、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５を原理的には必要としない構成となる。但し、所望する量子もつれ光子対及びＳＨＧ光の入出力端に漏れたＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５を残すようにしても良い。
【０１７６】
また、図示は省略するが、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態に関しては、第３の実施形態に対しても、第１の実施形態の変形実施形態（図６、図７参照）として挙げたと同様な変形実施形態を上げることができる。すなわち、ＷＤＭフィルタ１０６として用いるＡＷＧフィルタの双方向入出力特性を利用した構成（図６）や、光バンドパスフィルタ１０７を利用した構成（図７）を変形実施形態としてあげることができ、このような変形実施形態も、第３の実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【０１７７】
（Ｃ−３）第３の実施形態の効果
第３の実施形態によれば、第１、第２の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、原理的にはＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタ１０５が不要となる。また現実には、偏波分離合成モジュール１０１でのＳＨＧ光に対する偏波消光比が不十分であっても（本件では、偏波分離合成モジュール１０１は長波長の励起光及びＳＰＤＣ相関光子対に最適化した回路を想定しているため、短波長のＳＨＧ光に対しての偏波消光比は必ずしも保障しない）、少なくとも残留ＳＨＧ光成分は第１、第２の実施形態に比べて低下することが期待できるため、少なくとも光ローパスフィルタ１０５のＳＨＧ光成分除去の負荷が低減する効果が期待できる。その結果、装置コストの低下が期待できる。
【０１７８】
（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第４の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１７９】
（Ｄ−１）第４の実施形態の構成
図１４、第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、既述した図１、図８、図１１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１８０】
第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｅは、第２の実施形態の特徴構成と、第３の実施形態の特徴構成とを共に導入し、第２の実施形態における作用効果と、第３の実施形態における作用効果を共に得ることができるようにしたものである。すなわち、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを偏波分離合成モジュールのそれぞれ異なる入出力端を介して入出力する構成を有し、かつ、ＳＨＧ光を除去するための光ローパスフィルタが原理的には不要となるものである。
【０１８１】
図１４に示す第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｅは、図８に示した第２の実施形態の構成に加えて、第３の実施形態で説明した偏波面変換部３１４を、第１の２次非線形光学媒質１０２と第２のファラデー回転子２０９との間に挿入している。
【０１８２】
（Ｄ−２）第４の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄの動作を説明する。
【０１８３】
第３の実施形態の動作の項で説明したように、偏波面変換部３１４の挿入によっても、励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じない。
【０１８４】
次に、このことを前提とし、光ループＬＰを時計回りに伝播する光成分に対する偏波状態の操作を説明する。偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２並びに偏波面変換部３１４を通過しても偏波面が回転されないため、ｐ偏波のまま第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２において、ｐ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。そして、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも偏波面が回転されないため、ｐ偏波のまま偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力され、一方、ＳＨＧ光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過することによりｓ偏波に変換されて偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力される。
【０１８５】
次に、偏波面変換部３１４の挿入によっても、励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じないことを前提とし、光ループＬＰを反時計回りに伝播する光成分に対する偏波状態の操作を説明する。偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１内を、第１のファラデー回転子２０７、第２の１／２波長板２０８の順に通過してｐ偏波に変換される。そして、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、逆方向の伝播の場合と同様に、ｐ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。次に、偏波面変換部３１４を通過するが、第３の実施形態で説明したように、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、ｐ偏波のまま偏波面変換部３１４から出力されるのに対し、ＳＨＧ光は、偏波回転によりｓ偏波に変換され偏波面変換部３１４から出力される。次に、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過する。この際、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対、ＳＨＧ光は全て９０°だけ偏波方向が回転されるため、それぞれ、ｓ偏波、ｓ偏波、ｐ偏波として第２の非相反偏波面変換部２１２から出力される。その結果、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、ｓ偏波の状態で偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力され、一方、ＳＨＧ光は、ｐ偏波の状態で偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【０１８６】
図１５は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１５に示すように、励起光及び所望する量子もつれ光子対はループＬＰの伝播方向に関係なく全て偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力され、ＳＨＧ光成分は光ループＬＰの伝播方向に関係なく全て第１入出力端１０１−１へ出力される。
【０１８７】
以上のように、第４の実施形態においては、第２の実施形態の作用効果と、第３の実施形態の作用効果の両方を奏することができる。
【０１８８】
（Ｄ−３）第４の実施形態の効果
第４の実施形態によれば、第２及び第３の実施形態の効果を共に得ることができる。すなわち、励起光の逆行による装置の不安定動作の影響を除去でき、かつ、ＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタを不要、あるいはその通過特性への負荷を低減できるため、より低損失で高品質な装置の提供が可能となる。
【０１８９】
（Ｅ）第５の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第５の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１９０】
（Ｅ−１）第５の実施形態の構成
図１６、第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１９１】
第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｆは、２次非線形光学媒質として、第１〜第４の実施形態で用いた第１の非線形光学媒質１０２とは下記の点で異なる、第２の非線形光学媒質５０１を用いている。また、第１の実施形態における第１の１／２波長板１０３及び光ローパスフィルタ１０５は設けられていない。第５の実施形態の場合、光ローパスフィルタ１０５は原理的に不要なものである。第５の実施形態では、光ループＬＰの全て又は一部を構成している偏波保持光ファイバ５０２の途中において、偏波面が９０°だけ異なるように融着された箇所（適宜、９０°融着箇所と呼ぶ）５０３が設けられている。
【０１９２】
第２の２次非線形光学媒質５０１に入出力する入力励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光の偏波方向は、以下の関係にある。すなわち、入力励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波方向は、同一方向の直線偏波である。一方、ＳＨＧ光はこれらと直交した偏波の直線偏波である。
【０１９３】
このようなことは、例えば、第２の２次非線形光学媒質５０１としてＰＰＬＮを用いた場合には、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３１成分を、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用し、そのためにＰＰＬＮ結晶のＸ軸方向に偏波した励起光を入力することで実現される。
【０１９４】
９０°融着箇所５０３は、例えば、以下のように実現される。第２の２次非線形光学媒質５０１と偏波分離合成モジュール１０１の二つの入出力端（１０１−２、１０１−３）とを光学的に結合させ、光ループＬＰを形成するための２つの光経路のうち、少なくとも一方を偏波保持光ファイバ５０２によって作製し、かつ、偏波保持光ファイバ５０２中の光経路の任意の一箇所を、その光学軸方向（ｓｌｏｗ軸、ｆａｓｔ軸）を入れ替えて融着接合し、９０°融着箇所５０３を形成させる。この９０°融着箇所５０３を含む偏波保持光ファイバ５０２が、上記の光ループＬＰを形成する２つの光経路のどちらに挿入されるかは設計的事項である（図中では、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第２の２次非線形光学媒質５０１を結ぶ光経路に挿入されている）。すなわち、挿入箇所は、後述するように、第２の２次非線形光学媒質５０１の光学軸方向と、励起光の偏波方向に基づいて、適宜決定される。
【０１９５】
（Ｅ−２）第５の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｆの動作を説明する。
【０１９６】
第１〜第４の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１９７】
上述したように、第２の２次非線形光学媒質５０１としてＰＰＬＮを用い、かつ、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３１成分をＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用する場合、ＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に偏波した励起光を入力することで、ｚ軸方向に偏波したＳＨＧ光を発生させ、そしてそれを種光にしたＳＰＤＣ過程により、ｘ軸方向に偏波したシグナル光及びアイドラー光の相関光子対を発生させることになる。
【０１９８】
ここで、ｓ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように、第２の２次非線形光学媒質５０１を配置する。
【０１９９】
第２の２次非線形光学媒質５０１が以上のように配置されているとき、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力された光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光は、ｓ偏波なので、それをそのまま（偏波方向を保ったまま）第２の２次非線形光学媒質５０１へ入力すると、ｐ偏波のＳＨＧ光と、ｓ偏波のシグナル光及びアイドラー光のＳＰＤＣ相関光子対が発生する。
【０２００】
第２の２次非線形光学媒質５０１から出力された、励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、偏波保持光ファイバ５０２に入力され、９０°融着箇所５０３を経て偏波方向が９０°だけ回転される。すなわち、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｐ偏波、ＳＨＧ光はｓ偏波に変換される。
【０２０１】
その後、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ到達すると、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｐ偏波のため第１入出力端１０１−１へ出力され、ＳＨＧ光はｓ偏波のため第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０２０２】
一方、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力された、光ループＬＰを時計回りに伝播するｐ偏波の励起光は、偏波保持光ファイバ５０２に入力され、９０°融着箇所５０３を経て偏波方向が９０°だけ回転され、ｓ偏波に変換される。
【０２０３】
ｓ偏波なので、その励起光をそのまま（偏波方向を保ったまま）第２の２次非線形光学媒質５０１へ入力すると、ｐ偏波のＳＨＧ光と、ｓ偏波のシグナル光及びアイドラー光のＳＰＤＣ相関光子対が発生する。
【０２０４】
その後、第２の２次非線形光学媒質５０１から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ到達すると、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｓ偏波のため第１入出力端１０１−１へ出力され、ＳＨＧ光はｐ偏波のため第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０２０５】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力されるＳＰＤＣ相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光に対して発生したものはｓ偏波、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光に対して発生したものはｐ偏波であるため、励起光強度を適宜調整することで、偏波量子もつれ光子対になっている。
【０２０６】
図１７は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１７に示すように、励起光及び所望する量子もつれ光子対は、ループＬＰの伝播方向に関係なく偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ全て出力され、ＳＨＧ光は、ループＬＰの伝播方向に関係なく偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ全て出力される。ＳＨＧ光が、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ全て出力されるので、第３や第４の実施形態と同様に、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５が原理的には不要となる。
【０２０７】
すなわち、第５の実施形態においては、第３、第４の実施形態に示すような、１／２波長板や１／４波長板などの複数の光学部品を用いる代りに、途中で９０°光軸変換された偏波保持光ファイバという比較的安価な光部品をただ１つ用いるだけで、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５が原理的には不要となる装置を実現することができる。そのため、より安価で簡便な装置の提供が可能となる。
【０２０８】
なお、上述した装置構成においては、ｓ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように、第２の２次非線形光学媒質５０１を配置したが、これと直交した配置、すなわち、ｐ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように第２の２次非線形光学媒質５０１を配置した場合においても、偏波保持光ファイバ５０２の挿入箇所を、第２の２次非線形光学媒質５０１と偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３を結ぶ光経路側へと入れ替えることにより、第５の実施形態の作用効果を奏することができる。
【０２０９】
（Ｅ−３）第５の実施形態の効果
第５の実施形態によれば、ＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタが不要な偏波量子もつれ光子対発生装置を、より安価かつ簡便に提供することができる。
【０２１０】
（Ｆ）他の実施形態
上記各実施形態では、２次非線形光学媒質としてＰＰＬＮ結晶を用いた場合を説明したが、本文中にも記載したように、上記各実施形態の効果はＰＰＬＮ結晶以外の２次非線形光学媒質を用いた場合でも生じることができる。また、２次非線形光学媒質としては、バルク結晶、又は光導波路構造を作りこんだＰＰＬＮ導波路のような導波路型デバイスだけでなく、その他様々な形態の２次非線形光学媒質を用いることができる。
【０２１１】
また、第１及び第３の実施形態で用いる第１の１／２波長板１０３が、光ループＬＰの光路中で２次非線形光学媒質１０２に対してどのような位置に配置されるかは設計的事項である。すなわち、例えば、２次非線形光学媒質のｄ１１成分を利用して上記各実施形態の効果を得る場合には、第１の１／２波長板１０３を偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第１の２次非線形光学媒質１０２を接続する光路に配置することもあり得る。すなわち、配置箇所は、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。同様に、第１〜第４の実施形態における偏波面変換部３１４や、第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２に関しても、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。
【符号の説明】
【０２１２】
１００、１００Ａ〜１００Ｆ…量子もつれ光子対発生装置、１０１…偏波分離合成モジュール、１０２…第１の２次非線形光学媒質、１０３、２０８、２１０、３１１、３１３…１／２波長板、１０４…光サーキュレータ、１０５、１０５−ｓ、１０５−ｉ…光ローパスフィルタ、１０６…ＷＤＭフィルタ、１０８…光バンドパスフィルタ、２０７、２０９…ファラデー回転子、２１１、２１２…非相反偏波面変換部、３１２…１／４波長板、３１４…偏波面変換部、５０１…第２の２次非線形光学媒質、５０２…偏波保持光ファイバ、５０３…９０°融着箇所、ＬＰ…光ループ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子もつれ光子対発生装置に関し、例えば、量子暗号、量子コンピュータなど、光子の量子力学的相関を利用した量子情報通信システムに適用し得るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子暗号、量子コンピュータなど、量子力学レベルでの物理現象を利用した量子情報通信技術が注目を浴びている。中でも量子暗号は、暗号化鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムとして注目を浴びており、特に活発な研究開発がなされている。
【０００３】
量子力学的相関を有する光子対、すなわち、量子もつれ光子対は、光子の非局所性を応用した高度な量子情報通信システムを実現するための重要な要素である。
【０００４】
従来より用いられてきた量子もつれ光子対を発生する手法の一つは、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換を用いる方法である。
【０００５】
特許文献１には、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶を用いた量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＢＢＯ結晶を直列に配置し、その中心に１／２波長板を配置する。これに直線偏波で波長３５１．１ｎｍの励起光（ポンプ光）を入力する。自然パラメトリック下方変換過程により、それぞれのＢＢＯ結晶から、励起光波長の２倍の波長（７０２．２ｎｍ）の相関光子対（シグナル光（信号光）、アイドラー光と呼ばれる）が出力される。励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が２つのＢＢＯ結晶の両方から同時に発生する確率は低く、どちらか一方から発生するとした場合、この装置から発生する相関光子対の状態は、一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態と、もう一方のＢＢＯ結晶から発生される相関光子対の状態との重ねあわせで与えられる。これら２つのＢＢＯ結晶から出力される相関光子対は、２つのＢＢＯ結晶の間に１／２波長板を配置し、励起光入力端に近い前段のＢＢＯ結晶から発生した相関光子対の偏波が装置出力端で９０°だけ回転する構成となっているために、偏波直交している。結果、このシステムから、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０００６】
上記と類似な構成で波長７００ｎｍ−８００ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生させた例が他にも多く報告されている。
【０００７】
一方、光ファイバの最小吸収損失波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対を発生できれば、量子情報通信システムの長距離化が期待でき、非常に有用である。
【０００８】
特許文献２には、同じく２次非線形光学媒質の一種である、周期的分極反転ＬｉＮｂＯ３（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３、以下、ＰＰＬＮと略する）導波路を用いた、波長１５５０ｎｍ帯での量子もつれ光子対発生装置が記載されている。ここでは、２つのＰＰＬＮ導波路と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いたファイバーループ構造を有している。２つのＰＰＬＮ導波路は光学軸が直交するように配置されている。ＰＢＳを介して波長７７５ｎｍで４５°偏光した励起光（フェムト秒パルス）を入力する。特許文献１の場合と同様に、２つのＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５５０ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。さらにまた、特許文献１の場合と同様に、励起光強度が十分弱く、これら相関光子対が、両方のＰＰＬＮ導波路から同時に発生せず、どちらか一方から発生すると、この装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０００９】
また、非特許文献１には、ＰＢＳと単一のＰＰＬＮ素子を用いた波長１５５０ｎｍ帯量子もつれ光子対発生装置について記載されている。ここでは、ＰＢＳとＰＰＬＮ素子を結ぶ偏波保持光ファイバにおいて、その一箇所で９０°光軸変換箇所が設けられている（これはファイバ融着などによって容易に実現できる）。ＰＢＳを介して波長７７６ｎｍで４５°偏光した励起光を入力する。ＰＰＬＮ導波路から、自然パラメトリック下方変換によって波長１５４２ｎｍ及び１５６２ｎｍのシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。励起光強度が十分弱い場合、これら相関光子対はループを時計回りに伝播する励起光か、ループを反時計回りに伝播する励起光のどちらか一方からしか発生しないとすると、装置から発生する相関光子対の状態は、ループを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまりこの装置から偏波量子もつれ光子対が発生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２２８０９１
【特許文献２】特開２００５−２５８２３２
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】”Ｓｔａｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｅｌｅｃｏｍ−ｂａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ， ｐｕｌｓｅ−ｐｕｍｐｅｄ， ｓｈｏｒｔ ＰＰＬＮ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ” Ｈ．Ｃ．Ｌｉｍ， Ａ．Ｙｏｓｈｉｚａｗａ， Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ， ａｎｄ Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ．１６， Ｎｏ，１７， ｐｐ．１２４６０−１２４６８， ２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の技術において、２次非線形光学媒質中での自然パラメトリック下方変換（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、以下、ＳＰＤＣと略することもある）に基づいてシグナル光、アイドラー光の相関光子対を発生させ、また、それに基づいて量子もつれ光子対発生装置を構成しようとした場合、その装置構成上で、ＳＰＤＣ過程を生じさせる２次非線形光学媒質とともに、発生させるもつれ光子対の波長のおよそ半分の波長の励起光源が必須の構成要素であった。つまり、例えば、光ファイバ通信で利用されるのに適した波長帯である、波長１５５０ｎｍ帯の量子もつれ光子対発生装置を実現しようとした場合、波長７７５ｎｍ帯の励起光源がその構成要素として必須であった。
【００１３】
この場合、下記のような課題がある。
【００１４】
特許文献２や非特許文献１に記載の方法において、量子もつれ光子対発生装置を実現する場合、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、波長７７５ｎｍ帯とその２倍波長の波長１５５０ｎｍ帯という、大きく異なる波長帯でともに動作する“特別に設計された”光部品である必要がある。
【００１５】
さらにまた、ＰＢＳやＰＰＬＮ素子、装置外部への光出力のための光ファイバなどの各種光部品の光結合のために、光学レンズなどの光結合部晶が必要となるが、これら光学レンズなどもまた、波長７７５ｎｍ帯及び１５５０ｎｍ帯の双方で光結合が得られるような焦点距離の設計など、特殊な部品設計が必要となる。また、反射防止のための無反射コートもその両波長で対応する必要が生じる。
【００１６】
すなわち、従来技術においては、波長がおおよそ２倍異なる励起光、相関光子対の両方で動作する特殊な光部品を用意する必要があった。このことは、装置の作製コストが増加する一因となる。
【００１７】
さらにまた、一般的に言えば、大きく波長の異なる光に対して同等な特性が得られる設計は、その一方にのみ最適化された設計ほどの良好な特性は期待できない。具体的に言えば、例えばＰＢＳにおける偏波消光比や、レンズ系の結合効率などで、一方の波長（例えば１５５０ｎｍ帯）で最適な特性が得られるように用意された設計に比べれば、特性的には劣ることになる。つまりその分、ＰＰＬＮ素子への励起光入力や、相関光子対の出力などにおいて、過剰損失の増加などを犠牲にした装置設計となる。
【００１８】
一方、量子もつれ光子対を用いた量子情報通信システムは、タイムスロット当りの平均光子（対）数が１以下の、ごく微弱光（単一光子（対）、あるいはそれ以下に近い状態）を扱うシステムであり、ゆえにこのような過剰損失等が多く見込まれるシステム構成は、システム性能を阻害し、好ましいものではない。
【００１９】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、その目的とする所は、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の量子もつれ光子対発生装置は、（１）偏波保持のループ光路と、（２）第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、（３）上記ループ光路に介在された２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質であって、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、この第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させると共に、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第２の光第２高調波を発生させ、かつ、この第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させる２次非線形光学媒質と、（４）上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、（５）上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への合波出力を実行させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光の少なくとも一部について、偏波方向を操作する偏波面操作手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
従って、本発明の量子もつれ光子対発生装置は、上記第１及び第２の光第２高調波と、上記
第１及び第２の自然パラメトリック下方変換光とが、上記ループ光路中に配置された上記２次非線形光学媒質において生成され、ループ光路外に生成箇所を持たない構成となっている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、特殊な光部品を用いることなく一般的で簡便な光部品を用いて、余分な過剰損失等の発生なく、高純度な量子もつれ光子対を発生できる、量子もつれ光子対発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図２】図１の偏波分離合成モジュールの第３入出力端からの励起光の偏波方向と、第１の１／２波長板の光軸方向との関係を示す説明図である。
【図３】図１の偏波分離合成モジュールからの出力光（の種類）の説明図である。
【図４】第１の実施形態を実証する確認実験結果を示す説明図（１）である。
【図５】第１の実施形態を実証する確認実験結果を示す説明図（２）である。
【図６】第１の実施形態に係る変形実施形態（１）の構成を示す構成要素の配置図である。
【図７】第１の実施形態に係る変形実施形態（２）の構成を示す構成要素の配置図である。
【図８】第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図９】図８の非相反偏波面変換部における構成要素の光学軸方向の関係を示す説明図である。
【図１０】第２の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１１】第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１２】図１１の第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板の光学軸方向の説明図である。
【図１３】第３の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１４】第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１５】第４の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【図１６】第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【図１７】第５の実施形態における、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュールの入出力端を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（Ａ−１）第１の実施形態の構成
図１は、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図である。
【００２６】
図１において、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００は、偏波分離合成モジュール１０１と、偏波分離合成モジュール１０１の２つの入出力端とを含んで構成されるサニャック干渉計形の光ループＬＰと、この光ループＬＰの光路中に設置された第１の２次非線形光学媒質１０２及び第１の１／２波長板１０３とを少なくとも備えている、さらにまた、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００は、励起光を上記光ループＬＰの光路中に入力し、また、上記光ループＬＰから出力される所望とする量子もつれ光子対波長成分のみを選択的に抽出して出力するための光入出力用光部品として、光サーキュレータ１０４、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭ（波長分割多重化；ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）フィルタ１０６を備えている。
【００２７】
光ループＬＰは、好ましくは偏波保持光学系で構成されるのが望ましい。そのために、光ループＬＰを構成する偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、第１の１／２波長板１０３の光学軸の関係は、後述するような特別の配慮を持って構成されている。
【００２８】
また、この光ループＬＰは、各光学部品を光結合レンズのみを用いて空間的に結合することで実現しても良く（すなわち、光ファイバを利用しないで実現しても良く）、また、偏波保持光ファイバが結合されて光モジュールとして提供されているものを用いて構成しても良い。また、偏波保持光ファイバではなく、通常の偏波保持性を有しない光ファイバが結合されている光モジュールを用いた場合でも、適宜偏波面コントローラなどの付加光部品を用いることで、擬似的に偏波保持光学系を構成することでも実現できる。
【００２９】
ここで、入力励起光波長をλｐであるとする（但し、λｐは真空中での波長である）。この波長λｐは、所望する量子もつれ光子対波長の近傍の波長とする。すなわち、所望する量子もつれ光子対波長帯が１５５０ｎｍであるならば、λｐは１５５０ｎｍ近傍の値である。
【００３０】
第１の２次非線形光学媒質１０２は、ＰＰＬＮなどの２次の非線形光学効果を有する非線形光学媒質であり、波長λｐの入力励起光を入力すると、その半分の波長（λｐ／２）の光第２高調波（Ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ光、以下、ＳＨＧ光と略する）を発生し、かつ、このＳＨＧ光を種光としたＳＰＤＣ過程により波長λｓのシグナル光及び波長λｉのアイドラー光の相関光子対を同時空間的に発生するものである（但し、λｓ、λｉはいずれも真空中での波長である）。
【００３１】
入力励起光、シグナル光、アイドラー光の波長であるλｐ、λｓ、λｉは、（１）式のエネルギー保存則に相当する関係を満足する。
【数１】
【００３２】
偏波分離合成モジュール１０１は、光サーキュレータ１０４の第２出力端１０４−２と結合する第１入出力端１０１−１と、第１入出力端１０１−１に対向する側に第１の２次非線形光学媒質１０２の一端を結合する第２入出力端１０１−２と、第１の１／２波長板１０３の一端を結合する第３入出力端１０１−３と、第３入出力端１０１−３に対向する側に備えられた第４入出力端１０４−４を備えている。なお、第４入出力端１０１−４は、そこからの光の入出力を行うことはないので、例えば光ファイバピグテール、光コネクタなどの光信号の入出力インターフェイスのための光部品を接続する必要はない（後述する第３及び第５の実施形態も同様である）。その場合において、第４入出力端１０１−４は、後に詳細に述べる詳細な動作原理の説明のために専ら便宜上設けているだけのものであり、それ自体は第１の実施形態における必須構成要素ではない（なお、後述する第２及び第４の実施形態においては、第４入出力端１０１−４は必須構成要素である）。
【００３３】
図１では、偏波分離合成モジュール１０１が光ループＬＰへの分波入力機能と、光ループＬＰからの光の合波出力機能とを担っているが、これら機能を別の光学部品が担いようにしても良い。
【００３４】
光サーキュレータ１０４は、波長λｐの入力励起光を入力するための第１入出力端１０４−１と、第１入出力端１０４−１からの入力光を出力すると共に偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１と結合する第２入出力端１０４−２と、第２入出力端１０４−２からの入力光を出力する第３入出力端１０４−３とを備えている。
【００３５】
偏波分離合成モジュール１０１や光サーキュレータ１０４としては、波長λｐの近傍（λｓ、λｉを含む）でそれぞれ所望の動作を保証できるものを用いれば良い。すなわち、その半波長（λｐ／２）での動作は担保される必要はない。すなわち、波長λｐが例えば１５５０ｎｍであれば、１５５０ｎｍ帯用の偏波分離合成モジュール、光サーキュレータとして一般的に市販されている光部品で良く、特許文献２や非特許文献１で述べているような、λｐ、λｐ／２の両波長で動作するような“特殊な”偏波分離合成モジュール等である必要はない。
【００３６】
また、以下の説明の便宜のために、偏波分離合成モジュール１０１へ波長λｐの光が入射する場合、入射光の偏波分離合成モジュールの偏波面選択反射面に対する電場ベクトルの振動方向に対応する成分を次のように定義する。すなわち、偏波面選択反射面へ入射する入射光の入射面に平行な方向に電場ベクトルが振動する成分をｐ成分、入射光の入射面に垂直な方向に電場ベクトルが振動する成分をｓ成分と呼ぶこととする。
【００３７】
そして、偏波分離合成モジュール１０１においては、第１入出力端１０１−１から入力されたｐ偏波成分は、第２入出力端１０１−２に出力され、第１入出力端１０１−１から入力されたｓ偏波成分は、第３入出力端１０１−３に出力される。また、第２入出力端１０１−２から入力されたｐ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力され、第３入出力端１０１−３から入力されたｓ偏波成分は、第１入出力端１０１−１に出力される。
【００３８】
なお、偏波分離合成モジュール１０１としては、例えば、市販されている偏光ビームスプリッタの中から好適なものを選んで利用することができる。あるいはまた、上記の説明で想定している薄膜を用いたタイプの偏光ビームスプリッタに限定されず、偏波分離合成モジュール１０１は、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いたものであっても良い。
【００３９】
波長λｐの入力励起光は、光サーキュレータ１０４の第１入出力端１０４−１に入力され、第２入出力端１０４−２から出力され、その後、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０ｌ−１へと入力され、ｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へと出力される。
【００４０】
第１の実施形態において、上記の偏波分離された入力励起光のｐ偏波成分とｓ偏波成分は、後述する理由によって同じ光強度でなければならない。そのため、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力される励起光は、ｐ偏波成分強度とｓ偏波成分強度の強度比が１：１であるように偏波調整されていなければならない。このように用意された入力励起光を、本願明細書では「４５°偏波の励起光」と呼ぶ。このような励起光を用意するには、例えば、光サーキュレータ１０４の第１入出力端１０４−１の手前に偏波面コントローラを用意し、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力される励起光の偏波状態を、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向から４５°だけ傾いた直線偏波となるように調整すれば良い。
【００４１】
第１の１／２波長板１０３は、波長λｐの光に対してその直交光軸間での光位相差がπとなる、いわゆる１／２波長板として動作するものである。以後、特に断りのない限り、「１／ｎ波長板」（ｎ＝２，３，４，…）と呼んだ場合の波長（λ）は励起光波長λｐのことを指す。
【００４２】
第１の１／２波長板１０３の光軸方向は、図２に示すように用意されている。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１において、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光の偏波方向（ｓ偏波）に対して、光軸方向が４５°だけ回転している。すなわち、第３入出力端１０１−３から出力された入力励起光は、第１の１／２波長板１０３を通過した後、偏波方向が９０°だけ回転してｐ偏波方向に一致するものとなる。
【００４３】
なお、１／２波長板１０３に代わる構成として、以下のような構成を挙げることができる。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１及び第１の２次非線形光学媒質１０２として、偏波保持光ファイバを光の入出力端として接続させた構成の部品を採用し、偏波分離合成モジュール１０１からの偏波保持光ファイバと、第１の２次非線形光学媒質１０２からの偏波保持光ファイバとを、本来第１の１／２波長板１０３を介して接続する箇所に、双方の偏波保持光ファイバの互いの光学軸（ｓｌｏｗ軸、ｆａｓｔ軸）を９０°だけ回転させて融着接続した構成とすることにより、１／２波長板１０３を使用しなくても、１／２波長板１０３を使用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
第１の実施形態（後述する第２〜第４の実施形態も同様）においては、第１の２次非線形光学媒質１０２に入出力する入力励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光は同一偏波方向の直線偏波光（直線偏光光）であると規定する。このようなことは、例えば、第１の２次非線形光学媒質１０２としてＰＰＬＮを用いた場合、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３３成分を、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用し、そのためにＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向に偏波した励起光を入力することで実現することができる。
【００４５】
光ローパスフィルタ１０５は、光サーキュレータ１０４の第３入出力端１０４−３からの出力光のうち、第１の２次非線形光学媒質１０２で発生したＳＨＧ光の波長成分（λｐ／２）を除去するものである。光ローパスフィルタ１０５の通過光の波長成分は、励起光波長成分（λｐ）、シグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー波長成分（λｉ）となる。
【００４６】
ＷＤＭフィルタ１０６は、ローパスフィルタ１０５の通過光のうち、少なくともシグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー波長成分（λｉ）を別々の光経路に切り分けて出力するものである。このようなＷＤＭフィルタ１０６としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ（ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。
【００４７】
ＷＤＭフィルタ１０６を通過したシグナル光波長成分及びアイドラー波長成分は、例えば、光ファイバ通信網などの光伝送路を経由した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ、受信者Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。
【００４８】
（Ａ−２）第１の実施形態の動作
以下では、第１の２次非線形光学媒質１０２としてＰＰＬＮ結晶を適用し、その２次非線形光学定数のうちｄ３３成分をＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用するとして、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００の動作を説明する。
【００４９】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２及び第３入出力端１０１−３から、それぞれｐ偏波、ｓ偏波で、同じ強度の励起光（波長λｐ）が出力される。ｐ偏波方向と、ＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向が一致するように、第１の２次非線形光学媒質１０２であるＰＰＬＮ結晶を配置する。
【００５０】
まず、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２からｐ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を説明する。
【００５１】
励起光を入力することで、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ光が発生する。すると、このＳＨＧ光を種光としてＳＰＤＣ過程により、同じＰＰＬＮ結晶内でシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する。
【００５２】
ＰＰＬＮ結晶から出力される励起光、ＳＥＧ光、シグナル光、アイドラー光（これらは全て同じ偏波方向を有する）は、第１の１／２波長板１０３を通過する。この際、波長がλｐ近傍である励起光、シグナル光、アイドラー光は、偏波が９０°だけ回転してｓ偏波となって偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１にｓ偏波として出力される。
【００５３】
一方、波長がλｐ／２であるＳＨＧ光に対しては、第１の１／２波長板１０３は単に１波長分の位相差を与えるだけなので、偏波回転が生じない。従って、ＳＨＧ光はｐ偏波のままで偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１に出力されない。ここであえて言えば、偏波分離合成モジュール１０１の波長依存性が無視できるならば、ＳＨＧ光は偏波分離合成モジュール１０１の第１の実施形態では利用しない第４入出力端１０１−４に出力される。
【００５４】
つまり、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程がともに発現することにより、ｓ偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【００５５】
次に、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３からｓ偏波光として出力される励起光成分）によって生じる過程を説明する。
【００５６】
励起光はまず、第１の１／２波長板１０３を通過することで９０°だけ偏波回転が生じ、ｐ偏波光となる。
【００５７】
その後、第１の２次非線形光学媒質１０２としてのＰＰＬＮ結晶に入力するとき、励起光の偏波方向はＰＰＬＮ結晶のｚ軸方向と一致する。このループＬＰ内を反時計回りに伝播する励起光が入力されることで、ループ内時計回りに伝播する励起光で生じたのと同様に、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程が順次生じることにより、ＳＰＤＣ相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が発生する。
【００５８】
また、第１の１／２波長板１０３での光損失を無視すると、このときＰＰＬＮ結晶に入力する励起光強度は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光がＰＰＬＮ結晶に入力するときの励起光強度と同じである。
【００５９】
ここで、ＰＰＬＮ結晶の前後から入力される時計回りの励起光及び反時計回りの励起光の偏波方向が同じで、強度も同じであることから、ＰＰＬＮ結晶が中心対称な構造であれば、ＰＰＬＮ結晶内で発生するＳＨＧ光とＳＰＤＣ相関光子の生成確率は、時計回りの励起光及び反時計回りの励起光に対して同じである。
【００６０】
反時計回りの励起光に対してＰＰＬＮ結晶から出力される励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光（これらは全て同じ偏波方向である）は、ｐ偏波として偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、その結果、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１にｐ偏波として出力される。
【００６１】
つまり、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって、ＰＰＬＮ結晶内でＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程が順次発現することにより、ｐ偏波のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【００６２】
非特許文献１の記載技術と同様に、励起光強度が十分弱い場合、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、シグナル光とアイドラー光の相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したｓ偏波の相関光子対か、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したｐ偏波の相関光子対のどちらか一方となる。すなわち、装置から発生する相関光子対の状態は、光ループＬＰを時計回りに伝播する相関光子対と、反時計回りに伝播し、時計回り成分とは偏波直交した相関光子対の重ね合わせ状態となる。つまり、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００によって、偏波量子もつれ光子対が発生されている。
【００６３】
図３は、偏波分離合成モジュール１０１からの出力光（の種類）を説明する模式図である。図３（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、薄膜１０１Ｒを用いたタイプの偏光ビームスプリッタを用いた場合の各波長の光の入出力関係を模式的に表した図であり、図３（Ｂ）は、偏波分離合成モジュール１０１として、複屈折結晶を用いたいわゆる偏光プリズムを用いた場合の模式図である。
【００６４】
偏光ビームスプリッタを用いた場合も偏光プリズムを用いた場合も、第１入出力端１０１−１からは、所望の偏波もつれ光子対成分（シグナル光、アイドラー光）と共に、光ループＬＰを時計回り及び反時計回りに伝播した入力励起光成分と、光ループＬＰを反時計回りに伝播した励起光によって発生したＳＨＧ光成分とが出力される。
【００６５】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力された各成分は、光サーキュレータ１０４の第２入出力端１０４−２に入力され、第３入出力端１０４−３に出力される。但し、ここでは、光サーキュレータ１０４の波長依存性を取りあえず無視して記載した。
【００６６】
光サーキュレータ１０４の第３入出力端１０４−３からの出力光は、光ローパスフィルタ１０５に入射され、光ローパスフィルタ１０５を経由することにより、波長λｐ／２のＳＨＧ光成分が除去される。
【００６７】
その後、ＷＤＭフィルタ１０６に入射され、シグナル光波長成分（λｓ）、アイドラー光波長成分（λｉ）が別々の光経路に切り分けられて出力される。それぞれの光経路に入力励起光波長成分（λｐ）が混在しないように、ＷＤＭフィルタ１０６には十分な波長分離能力が必要となる。このようなＷＤＭフィルタ１０６としては、少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー光波長（λｉ）を透過波長成分として有する、いわゆるＡＷＧ型のＷＤＭフィルタなどを用いることができる。また、ブラッグ波長がλｐである回折格子型のフィルタ、例えば、ファイバブラッググレーティングなどと組み合わせて励起光波長成分を十分抑制した構造とすることもできる。
【００６８】
ＷＤＭフィルタ１０６を通過したシグナル光波長成分及びアイドラー波長成分はそれぞれ、光ファイバ通信網などの光伝送路を経由した後、それぞれ受信者Ａ、受信者Ｂに送信される。受信者Ａ及び受信者Ｂは同時計測などを実行することで、所望とする量子情報通信技術に基づく情報伝達などを実行する。
【００６９】
以上のように、第１の実施形態においては、ＳＰＤＣ過程の種光となる波長λｐ／２のＳＨＧ光は、光ループＬＰの光路の外部から供給する必要はなく、光ループＬＰの光路中に配置された第１の２次非線形光学媒質１０２内で自生する。そして、このＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２内以外では不要な光成分である。すなわち、第１の２次非線形光学媒質１０２以外の光部品では、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、偏波分離合成モジュール１０１や光サーキュレータ１０４などは、波長λｐ近傍で所望の動作を実行するもので良く、波長λｐ／２で動作する必要がないため、従来技術のような特殊な光部品を用いる必要がない。この点は、第１の２次非線形光学媒質１０２内へ励起光を入力するためのレンズ系などの結合光学系に関しても言え、すなわち、波長λｐ／２及び波長λｐの双方で動作する結合光学系である必要はなく、波長λｐでのみ動作する結合光学系で良い。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を実現することができる。
【００７０】
さらに言えば、波長λｐ／２のＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２内以外では不要な光成分であるため、偏波分離合成モジュール１０１や結合光学系で多大な光損失を受けてもなんら問題はなく、むしろその場合、後段の光ローパスフィルタ１０５で必要とされるＳＨＧ光成分除去のためのフィルタ透過特性への負荷が小さくなり、望ましい。
【００７１】
第１の２次非線形光学媒質１０２としては、所望の量子もつれ光子対の波長に応じて、ＬｉＮｂＯ３結晶やＰＰＬＮ結晶などのバルク結晶や、それに光導波路構造を作り込んだＰＰＬＮ導波路など様々な２次非線形光学媒質を利用できる。波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置の場合、前述の特許文献２や非特許文献１で記載されているようなＬｉＮｂＯ３結晶は、その代表的な例である。
【００７２】
一方、第１の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００を実現するに当たっては、第１の２次非線形光学媒質１０２内でのＳＨＧ発生とＳＰＤＣ発生を高効率に実行することが、産業応用上特に重要である。そのためにはＳＨＧ発生過程とＳＰＤＣ発生過程のそれぞれにおける、入力励起光とＳＨＧ光との位相整合条件、さらには、ＳＨＧ光とシグナル光との位相整合条件、ＳＨＧ光とアイドラー光との位相整合条件が重要である。
【００７３】
バルク結晶を用いた場合、角度整合を用いた位相整合を用いるのが一般的であるが、この場合、特許文献１などにも示されるように、シグナル光とアイドラー光との空間的分離により、量子もつれ状態の純度が劣化することがある。
【００７４】
一方、強誘電体の周期的分極反転構造など、２次非線形光学係数が空間的に変調された構造を用いると、角度整合に依らず擬似的な位相整合条件を実現することができるメリットがある。
【００７５】
さらにまた、光導波路構造を作り込んだ２次非線形光学媒質では、上記のような空間分離による量子もつれ状態の純度劣化を改善できると共に、強い光閉じ込めによる実効的な２次非線形光学係数の増加により、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生確率を増加できるメリットがある。
【００７６】
上記の理由から、波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置１００を構成する第１の２次非線形光学媒質１０２としては、ＰＰＬＮ導波路が最適な一例である。
【００７７】
ＰＰＬＮ導波路におけるＳＨＧ発生過程、ＳＰＤＣ発生過程におけるエネルギー保存則、運動量保存則（すなわち、位相整合条件）は（２）式〜（５）式のようになる。波数及び波長は、ＰＰＬＮ導波路内での実効屈折率ｎを介して（６）式の関係がある。
【数２】
【００７８】
（２）式及び（４）式はエネルギー保存則に基づく各光成分の波長の関係を表している。すなわち、ＳＨＧ光は入力励起光の半分の波長であり、また、このＳＨＧ光を種光として生成するシグナル光、アイドラー光の光周波数（＝ｃ／λ、ｃは真空中での光速）の和は、ＳＨＧ光の光周波数に等しく、同時にまた入力励起光の光周波数の半分に等しいことを意味する。
【００７９】
（３）式及び（５）式が位相整合に関わる式である。励起光波長λｐと、ＰＰＬＮ導波路形状から実効屈折率ｎｐ、ｎＳＨＧが決定されれば、（３）式及び（６）式に基づいて分極反転周期Λが決定される。
【００８０】
シグナル光、アイドラー光の波長が異なるとした場合（λｓ≠λｐ、λｉ≠λｐ）、一般に（３）式及び（５）式は両立しない。つまり、ＳＨＧ過程とＳＰＤＣ過程の位相整合条件は一般には両立しない。
【００８１】
よく知られた非線形光学効果を記述する結合モード方程式の解から、位相不整合の場合、発生確率は｛ｓｉｎ２(δＬ／２)｝／(δＬ／２)２に比例して低下していくと考えられる。ここで、δは（７）式で表されるＳＰＤＣ過程における位相不整合量、ＬはＰＰＬＮ導波路長である。
【数３】
【００８２】
発生確率の低下が最大値（位相整合下の値）の５０％までを、仮に許容不整合量と仮定すると、｛ｓｉｎ２(δＬ／２)｝／(δＬ／２)２＝０．５から≒２．７８となる。これがＳＰＤＣ過程において生じる相関光子対の波長帯域を制限する。すなわち、相関光子対として発生するシグナル光及びアイドラー光の波長範囲を決定する。
【００８３】
また、実効屈折率の波長変化が励起光波長近傍でほぼ線形である場合、すなわち励起光波長近傍での実効屈折率が（８）式で表される範囲では、（４）式、（６）式及び（８）式を用いて、（９）式が得られ、すなわち、この範囲で位相整合条件の（３）式及び（５）式は両立する。
【数４】
【００８４】
以上の検討から、第１の実施形態の量子もつれ光子対発生装置１００を実現するためには、まず、ＳＨＧ発生の位相整合条件である（３）式を満足するようにＰＰＬＮ導波路の分極反転周期Λを決定すれば良いことが分かる。その結果、（５）式で示すＳＰＤＣ発生過程における位相整合を満足するか、少なくとも許容範囲のうちの位相不整合量内にある波長組み合わせ（λｓ、λｉ）の相関光子対がＳＰＤＣ過程に基づいて発生し、その結果、所望する量子もつれ光子対が発生できるものと期待できる。
【００８５】
第１の実施形態を実証するための、基礎的な確認実験を行った。すなわち、ＰＰＬＮ導波路に１．５５ミクロン帯の励起光を入力したとき、ＳＨＧ発生過程とＳＰＤＣ発生過程が生じて、１．５５ミクロン帯のシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生することを確認した。
【００８６】
実験に用いた素子は、ＭｇＯをドープした化学量論的組成のＬｉＮｂＯ３基板に、周期的分極反転構造を施し、またプロトン交換とダイシングによるリッジ形状加工により光導波路構造を形成したＰＰＬＮ導波路素子である。
【００８７】
素子の長さは６ｃｍ、またリッジ幅は約１０ミクロンとした。また、分極反転周期（Λ）は約１９．３ミクロンとした。この値は、（３）式のＳＨＧ光に対する位相整合を満足する励起光波長λｐ（以下、ＱＰＭ波長と呼ぶ）が１５５１ｎｍとなるような値として設計した。
【００８８】
素子の伝播ロスは、１５５０ｎｍ帯の光に対しておおよそ０．１ｄＢ／ｃｍであった。
【００８９】
実験は、上記のＰＰＬＮ導波路素子を、温度制御素子（ペルチェクーラー）や結合レンズ、光入出力のための光ファイバ等と共に光モジュール化したＰＰＬＮモジュールを用いて行った。モジュールの挿入損失は１５５０ｎｍ帯の光に対しておおよそ３．８ｄＢであった。
【００９０】
ＰＰＬＮモジュールに、波長１５５０ｎｍ近傍の連続光を入力し、モジュール入力前後での光スペクトルの変化を観測した。
【００９１】
図４（Ａ）に結果を示す。図４（Ａ）において、細い実線は入力時の光スペクトル、太い実線は出力時の光スペクトルを示す。この実験においては、素子温度が２９．２℃に一定になるように制御した。また、入力励起光波長は、この素子温度でのＱＰＭ波長に相当する、１５５０．９ｎｍとした。また、モジュールへの入力光強度は＋２１．３ｄＢｍとした。
【００９２】
図４（Ａ）の結果から分かるように、出力スペクトルにおいて、励起光波長（λｐ、今回の場合１５５０．９ｎｍ）周りに広がった連続的な光スペクトルが観測され、ＳＰＤＣ過程によるシグナル光、アイドラー光の発生が確認できた。スペクトルは励起光波長を中心に左右対称に広がっており、このことから、シグナル光、アイドラー光は同等にＰＰＬＮ導波路内に閉じ込められ、また、光取り出し口である光ファイバから出力されていることが分かる。
【００９３】
一方、図４（Ｂ）は、モジュールに入力する励起光の条件は変えずに、ＰＰＬＮ導波路素子の制御温度を３５．０℃一定に変化させたときのモジュールからの出力光スペクトルである。この場合、出力光スペクトルの形状は、入力光スペクトルの形状とほぼ同じであった。
【００９４】
この実験条件では、入力励起光波長は、素子のＱＰＭ波長からおおよそ０．８ｎｍ短波長側にずれており、すなわち、ＳＨＧ光に関する位相整合条件の（３）式から大きく乖離した状態にあり、すなわち、ＳＨＧ光がほとんど発生しない。
【００９５】
すなわち、図４（Ｂ）に示す結果は、ＳＨＧ発生の過程を経なくては、ＳＰＤＣ発生も生じないことを意味する。
【００９６】
逆に、図４（Ａ）に示す結果は、入力励起光波長がＱＰＭ波長と一致し、ＰＰＬＮ導波路素子内でＳＨＧが発生すれば、それを種光としてＳＰＤＣ過程が生じることを意味し、言い換えると、第１の実施形態で必要とする、２次非線形光学媒質中でＳＨＧが発生し、かつ、それを種光としてＳＰＤＣ過程によりシグナル光、アイドラー光の相関光子対が発生する過程が確かに生じていることを意味する。
【００９７】
図４（Ａ）に示す結果から、ＳＰＤＣ相関光子対の発生帯域は、片側３ｄＢ幅で約３２ｎｍ（４ＴＨｚ）、片側１０ｄＢ幅で約５４ｎｍ（７ＴＨｚ）と見積もられ、広範囲なスペクトル形状が観測された。
【００９８】
また、光スペクトルを積分することにより、ＳＰＤＣ過程による発生光子数を見積もった。発生光子数は、シグナル光（又はアイドラー光）に相当する短波長側成分（１４９１ｎｍ−１５４９ｎｍ）で１．５４０×１０１１（／ｓ）、アイドラー光（又はシグナル光）に相当する長波長側成分（１５５２．８ｎｍ−１６１５．８ｎｍ）で１．４５４×１０１１（／ｓ）と見積もられた。両者の値はよく一致した。これは、導波路構造のために、生成したシグナル光、アイドラー光がともに漏れなくＰＰＬＮ導波路内に閉じ込められ、また、光取り出し口である光ファイバから出力されるためと考えられる。
【００９９】
図５は、図４（Ａ）と同じＰＰＬＮ導波路素子温度、励起光波長条件の元で測定した、ＰＰＬＮモジュールからのカスケード自然パラメトリック下方変換特性の実験結果を示す説明図である。図５（Ａ）は、波長７７５．４５ｎｍのＳＨＧ光強度の入力励起光強度依存性の実験結果を示し、図５（Ｂ）は、シグナル光（短波長成分）光子及びアイドラー光（長波長成分）光子の総光子数の入力励起光強度依存性の実験結果を示している。
【０１００】
両者は共に入力励起光強度の２乗に比例した結果を示した。これは以下のように理解できる。すなわち、ＳＨＧ光は、励起光（基本光）の減衰がない範囲では、その発生強度は基本光強度の２乗に比例する。また、ＳＰＤＣ過程の発生確率は、種光であるＳＨＧ光強度に比例し、すなわち、励起光強度の２乗に比例する。
【０１０１】
すなわち、図５に示す結果は、今回観測されたシグナル光、アイドラー光が、確かにＳＨＧ発生からＳＰＤＣ発生への過程を経て生じたものであることを意味している。
【０１０２】
なお、この実験で用いたＰＰＬＮモジュールで用いられている結合レンズ、入出力用光ファイバ等は、全て長波長（１．５ミクロン帯）用の光学部品であり、短波長（０．７８ミクロン帯）での用途には全く考慮したものではない。それゆえ、本実験の結果は、長波長用の光学部品で装置全体を構成できるという、本発明で目的とする効果をも実証している。
【０１０３】
すなわち、図４及び図５に示した基礎的な確認実験の結果から、ここで用いたようなＰＰＬＮ導波路素子を用いて図１に示す量子もつれ光子対発生装置１００を作製すれば、所望する波長１．５ミクロン帯の量子もつれ光子対発生装置を実現できることが明らかとなった。
【０１０４】
（Ａ−３）第１の実施形態の効果
第１の実施形態によれば、以下の効果が期待できる。すなわち、従来技術と異なり、ＳＰＤＣ過程の種光となる波長λｐ／２のＳＨＧ光を、偏波分離合成モジュールを両端とする光ループ光路の外部から供給することなく、光ループ光路中に配置されＳＤＰＣ過程を生じさせる第１の２次非線形光学媒質１０２自身で発生させる。ここで発生させたＳＨＧ光は、第１の２次非線形光学媒質１０２以外の光部品で不要な成分であり、すなわち、その他の装置構成部品において、それを損失なく伝播させたり、あるいは、光部品に光学的に接続させたりする必要がない。その結果、装置を構成する、偏波分離合成モジュール、結合レンズなどの光学部品において、波長λｐ、λｐ／２での両方で動作する特殊な光部品を用いる必要がない。その結果、装置作製コストが低下すると共に、過剰な光損失などを低減でき、より高純度な量子もつれ状態を生成することができる、量子もつれ光子対発生装置を提供できる。
【０１０５】
（Ａ−４）第１の実施形態の変形実施形態
第１の実施形態に対し、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態を変形した実施形態を種々上げることができる。
【０１０６】
図６は、光サーキュレータを用いない構成の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１０７】
図６に示す量子もつれ光子対発生装置１００Ａにおいては、ＷＤＭフィルタ１０６としてＡＷＧ（以下、この変形実施形態の説明においてＡＷＧに対して符号１０６を付与して説明する）を用いている。少なくともシグナル光波長（λｓ）、アイドラー波長（λｉ）及び励起光波長（λｐ）の３波長を透過波長成分として有するＡＷＧ１０６を用いている。
【０１０８】
ＡＷＧ１０６においては、その透過波長に相当する波長の光を入力する、複数の透過光入出力ポートと、それぞれの透過光入出力ポートに入力された光を合波出力する共通入出力ポートとを有する。逆に、共通入出力ポートに入力された光は、それぞれの波長に応じて分波され、それぞれの透過波長に相当する透過光入出力ポートへと分波出力される。
【０１０９】
ＡＷＧ１０６の上記のような特性を利用して下記のような構成をとる。すなわち、励起光波長を透過波長としている透過光入出力ポートへ励起光を入力し、共通入出力ポートからの出力光を偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力し、第１の実施形態の場合と同様にして、励起光を第１の２次非線形光学媒質１０２へ双方向に入力する。
【０１１０】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光は、ＡＷＧ１０６の共通入出力ポートへ入力され、シグナル光、アイドラー光がそれぞれ対応する透過光入出力ポートへ入力され、この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、ＳＨＧ波長成分を除去するために、必要であればシグナル光、アイドラー光の透過光入出力ポートに光ローパスフィルタ１０５−ｓ、１０５−ｉを接続して、ＳＫＧ光波長成分を除去する。
【０１１１】
図７は、光サーキュレータを用いない構成の他の変形実施形態を示しており、図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１１２】
図７に示す量子もつれ光子対発生装置１００Ｂにおいては、波長λｐの波長成分のみを選択的に透過（あるいは反射）する狭帯域な光バンドパスフィルタ１０８を用いる。ここで、シグナル光及びアイドラー光の波長は、光バンドパスフィルタ１０８の透過（又は反射）帯域に掛からないように、励起光波長λｐから十分離れているものとする。
【０１１３】
図７では、反射型光バンドパスフィルタ１０８を示している。光バンドパスフィルタ１０８の反射特性を利用して、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ波長λｐの励起光を入力する。偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される、光ループＬＰからの出力光のうち、励起光波長成分は反射型光バンドパスフィルタ１０８で反射され、その透過ポートへは出力されない。この段階で励起光波長成分は除去される。さらに、ＳＨＧ波長成分を除去するために、光ローパスフィルタ１０５を接続して、ＳＨＧ光波長分を除去する。その後、ＷＤＭフィルタ１０６に接続して、シグナル光、アイドラー光をそれぞれ分離出力する。
【０１１４】
（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１１５】
（Ｂ−１）第２の実施形態の構成
図８は、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１１６】
図８において、第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃは、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０３に代えて、ファラデー回転子と１／２波長板とからなる２組の非相反偏波面変換部（光学部品のペア）２１１、２１２を用いている。第１の実施形態で用いた光サーキュレータ１０４は、この第２の実施形態では使用されていない。
【０１１７】
第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃは、第１の実施形態で述べた基本的な動作を実行できることを保証しつつ、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを、偏波分離合成モジュール１００のそれぞれ異なる入出力端を介して入出力し得るようにしたものである。
【０１１８】
第１の非相反偏波面変換部２１１は、第１のファラデー回転子２０７と第２の１／２波長板２０８とを縦続接続したものであり、第１の非相反偏波面変換部２１１は、光ループＬＰ上の偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３と第１の２次非線形光学媒質１０２との間の位置に介挿されている。第２の非相反偏波面変換部２１２は、第２のファラデー回転子２０９と第３の１／２波長板２１０とを縦続接続したものであり、第２の非相反偏波面変換部２１２は、光ループＬＰ上の偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第１の２次非線形光学媒質１０２との間の位置に介挿されている。
【０１１９】
各ファラデー回転子２０７、２０９はそれぞれ、波長λｐの励起光に対して４５°だけ偏波回転させるファラデー回転子であり、各１／２波長板２０８、２１０はそれぞれ、第１の実施形態で用いた第１の１／２波長板１０３と同様に、波長λｐの励起光に対していわゆる１／２波長板として動作するものである。
【０１２０】
第１の非相反偏波面変換部２１１及び第２の非相反偏波面変換部２１２は同一構成のものである。各非相反偏波面変換部２１１、２１２における構成要素の光学軸方向の関係は、図９に示すように調整されている。なお、図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１における構成要素の光学軸方向の関係を示しているが、第２の非相反偏波面変換部２１２においても同様である。
【０１２１】
第１の非相反偏波面変換部２１１において、第１のファラデー回転子２０７側あるいは第２の１／２波長板２０８側から、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力する。動作の項で詳述するが、この特定偏波方向は、偏波分離合成モジュール１０１におけるｐ偏波方向若しくはｓ偏波方向の一方に一致する。第２の１／２波長板２０８の光学軸は、この特定偏波方向（図９ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように調整されている。
【０１２２】
偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭフィルタ１０６は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。
【０１２３】
（Ｂ−２）第２の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第２の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｃの動作を説明する。
【０１２４】
第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１２５】
以下では、まず、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力され、光ループＬＰを反時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。
【０１２６】
偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。このときの第１の非相反偏波面変換部２１１内における偏波状態の変化を、図９（Ａ）を参考にして説明する。
【０１２７】
図９（Ａ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ出力されたｓ偏波の励起光を、右向きの矢印で表している。このｓ偏波励起光が第１のファラデー回転子２０７を通過する。第１のファラデー回転子２０７を通過することによって、図中反時計回りに４５°の偏波回転が生じる。その結果、第１のファラデー回転子２０７からの出力光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。このような偏波方向を有する第１のファラデー回転子２０７からの出力光が第２の１／２波長板２０８を通過する。第２の１／２波長板２０８の偏波方向（光学軸）は、特定偏波方向（ｐ偏波方向）と２２．５°の角をなしている。第２の１／２波長板２０８に入力する光の偏波方向は、ｐ偏波方向に対して４５°の傾きを有するため、第２の１／２波長板２０８の光学軸に対しては２２．５°の角を有し、その結果、第２の１／２波長板２０８からの出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。
【０１２８】
このことは、第２の１／２波長板２０８を通過して出力された励起光の偏波方向がｐ偏波方向となっていることを意味する。すなわち、第１の非相反偏波面変換部２１１内を、第１のファラデー回転子２０７、第２の１／２波長板２０８の順番で通過した励起光は、偏波方向が反時計回りに９０°だけ回転される。なお、このような偏波方向の回転は、第２の非相反偏波面変換部２１２でも同様である。このような回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。
【０１２９】
第１の非相反偏波面変換部２１１から出力された励起光は、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第１の実施形態の場合と同様に、励起光の偏波方向（ｐ偏波）と同じ直線偏波のＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１３０】
励起光、並びに、第１の２次非線形光学媒質１０２で発生されたＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第２の非相反偏波面変換部２１２に入力される。このとき、励起光、並びにそれと波長が近いＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過した場合と同様に、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過することで、偏波方向が反時計回りに９０°だけ回転される。この場合、入力状態はｐ偏波であったから、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過した後ではｓ偏波に変換されている。
【０１３１】
その後、光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、偏波状態がｓ偏波であることから、第４入出力端１０１−４へ出力される。すなわち、偏波分離合成モジュール１０１に最初に励起光が入力された入出力端（１０１−１）とは異なる入出力端（１０１−４）から、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される。
【０１３２】
次に、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力され、光ループＬＰを時計回りに巡回する励起光に対する操作を説明する。
【０１３３】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２を、第３の１／２波長板２１０、第２のファラデー素子２０９の順番に通過する。このときの偏波状態の変化を、図９（Ｂ）を参照しながら説明する。図９は、第１の非相反偏波面変換部２１１について示しているが、上述したように、第２の非相反偏波面変換部２１２についても同様であり、図９における符号「２０７」を符号「２０９」と、符号「２０８」を符号「２１０」と置き換えて見れば、図９は、第２の非相反偏波面変換部２１２を表している図面と見ることができる。
【０１３４】
図９（Ｂ）において、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光はｐ偏波であるから、図中上向きの矢印で表す。このｐ偏波励起光が第３の１／２波長板２１０を通過する。第３の１／２波長板２１０への励起光の偏波方向は、第３の１／２波長板２１０の光学軸と２２．５°の角をなしているため、その結果、第３の１／２波長板２１０の出力光の偏波方向は右斜め上４５°向き矢印の方向で表すことができる。次に、第２のファラデー回転子２０９を通過するとき、反時計回りに４５°だけ回転するため、その結果、第２のファラデー回転子２０９の出力光の偏波方向は上向き矢印の方向で表すことができる。すなわち、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過してもｐ偏波のままである。
【０１３５】
以上のように、第２の非相反偏波面変換部２１２内を、第３の１／２波長板２１０、第２のファラデー回転子２０９の順番で通過した励起光は、偏波方向が回転されない。このような無回転は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも同様である。この無回転は、１／２波長板の光学軸が、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°の角をなすように調整されているときに生じる。
【０１３６】
以上から明らかなように、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過した励起光は、ｐ偏波の励起光として、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の実施形態と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ直線偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１３７】
励起光、並びに、発生されたＳＨＧ光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過する。励起光、並びにそれと波長が近いＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過しても、偏波状態はそのままに（ｐ偏波）である。
【０１３８】
その後、この光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、偏波状態がｐ偏波であることから、第４入出力端１０１−４へ出力される。最初に励起光が入力された入出力端（１０１−２）とは異なる入出力端（１０１−４）から、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される。
【０１３９】
すなわち、第１の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０１４０】
光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される偏波分離合成モジュール１０１の入出力端（１０１−４）は、上述した光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対が出力される入出力端と同一である。一方、偏波分離合成モジュール１０１の第４の入出力端１０１−４から出力された光ループＬＰを時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向と、偏波分離合成モジュール１０１の第４の入出力端１０１−４から出力された光ループＬＰを反時計回りに伝播してきた励起光及びＳＰＤＣ相関光子対の偏波方向とは直交している。
【０１４１】
次に、第１の２次非線形光学媒質１０２において発生し、第１の２次非線形光学媒質１０２から出力されたＳＨＧ光が、第１の非相反偏波面変換部２１１、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過するときの偏波状態を説明する。第２及び第３の１／２波長板２０８及び２１０は、ＳＨＧ光に対しては１波長板であるので、この１／２波長板（２０８、２１０）を通過しても偏波回転も生じない。一方、第１及び第２のファラデー回転子２０７、２０９においては、波長が励起光の半分（λｐ／２）であるため、このファラデー回転子（２０７、２０９）を通過することによる偏波回転角は９０°となる。
【０１４２】
つまり、第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２は、ＳＨＧ光が、当該非相反偏波面変換部を構成しているファラデー回転子及び１／２波長板をどの順番で通過しても９０°だけ偏波回転を与える（図９（Ｃ）、（Ｄ））。
【０１４３】
図１０は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１０に示すように、所望する量子もつれ光子対は、励起光を入力する入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）とは異なるポート（ここでは第４入出力端１０１−４）から、光ループＬＰを時計回り及び反時計回りに伝播した入力励起光成分や、光ループＬＰを反時計回りに伝播した励起光によって発生したＳＨＧ光成分と共に出力される。
【０１４４】
その後、第１の実施形態と同様に、光ローパスフィルタ１０５、ＷＤＭフィルタ１０６で余分なＳＨＧ光成分や励起光波長成分を除去された上で、シグナル光、アイドラー光成分が分岐出力される。
【０１４５】
第２の実施形態の構成を、図１に示す第１の実施形態や、図６、図７に示す第１の実施形態に対する変形実施形態の構成と比べれば、次のような違いがある。すなわち、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはない。それ故、反射戻り光等による装置の不安定動作の懸念が小さくなる。さらには反射戻り光の懸念がある場合、その解消のための光アイソレータなどの光部品が必要となり、コスト増加や装置の光損失増加などがもたらされるが、それらを除去できる。
【０１４６】
（Ｂ−３）第２の実施形態の効果
第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、励起光が、元の励起光入力端に逆行して戻っていくことはないため、反射戻り光等による装置の不安定動作の影響を除去でき、結果、コスト増や光損失増加による装置特性劣化を回避できる。
【０１４７】
（Ｃ）第３の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第３の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１４８】
（Ｃ−１）第３の実施形態の構成
図１１は、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１４９】
図１１において、第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄは、第１の実施形態と同様な構成に加え、偏波分離合成モジュール１０１と第１の２次非線形光学媒質１０２とを光学的に接続する２箇所の光路のうち、第１の１／２波長板１０３が挿入されない側の光路に、偏波面変換部３１４を設けたものである。偏波面変換部３１４は、第４の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第５の１／２波長板３１３を縦続接続したものである。
【０１５０】
第４の１／２波長板３１１、１／４波長板３１２、第５の１／２波長板３１３の光学軸方向は、図１２に示すように選定されている。
【０１５１】
偏波面変換部３１４には、ある特定の偏波方向の直線偏波の励起光が入力される。後述するように、この特定偏波方向とは、偏波分離合成モジュール１０１におけるｓ偏波方向か、ｐ偏波方向の一方に一致する。第４の１／２波長板３１１及び第５の１／２波長板３１３の光学軸は、この特定偏波方向（図中ではｐ偏波方向として図示されている）と２２．５°の角をなすように選定されている。一方、１／４波長板３１２の光学軸は、この特定偏波方向と４５°の角をなすように調整されている。
【０１５２】
偏波分離合成モジュール１０１、第１の２次非線形光学媒質１０２、第１の１／２波長板１０３、光サーキュレータ１０４、光ローパスフィルタ１０５及びＷＤＭフィルタ１０６は、第１の実施形態のものと同様に機能するものであり、その機能説明は割愛する。
【０１５３】
（Ｃ−２）第３の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第３の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄの動作を説明する。
【０１５４】
第１の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１５５】
第３の実施形態の後述する特徴的な効果は、偏波面変換部３１４における偏波回転の波長依存性によってもたらされる。以下、図１２を参照しながら、このことを説明する。
【０１５６】
図１２（Ａ）は、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力された励起光（波長λｐ）が、偏波面変換部３１４を通過する際の偏波状態の変化を示している。
【０１５７】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ出力されたｐ偏波の励起光（波長λｐ）を、図中上向きの矢印で表している。この励起光が第４の１／２波長板３１１を通過する。第４の１／２波長板３１１の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように選定されている。そのため、第４の１／２波長板３１１から出力される励起光の偏波方向は、右斜め上４５°向きの矢印で表される。
【０１５８】
次に、励起光は、１／４波長板３１２を通過する。１／４波長板３１２の光軸方向は、ｐ偏波方向と４５°の角をなすように配置されている。そのため、１／４波長板３１２へと入力される励起光の偏波方向は、１／４波長板３１２の一方の光学軸方向と合致しており、その結果、１／４波長板３１２を通過してもなんらの偏波回転も生じない。
【０１５９】
次に、励起光は、第５の１／２波長板３１３を通過する。第５の１／２波長板３１３の光軸方向は、ｐ偏波方向と２２．５°の角をなすように配置されている。そのため、第５の１／２波長板３１３から出力される励起光の偏波方向は、反時計回りに４５°だけ回転し、すなわち、図中上向きの矢印方向で表される偏波方向の光となって出力される。
【０１６０】
すなわち、波長λｐの励起光が、偏波面変換部３１４を通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）を保ったまま出力される。このことは、図１２（Ｂ）に示されるように、励起光が偏波面変換部３１４に逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このような偏波状態の維持は、内部を構成する１／２波長板３１１、３１３や１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向と２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されているときに生じる。
【０１６１】
次に、光ループを反時計周りに進行する励起光の半分の波長（λｐ／２）のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するときの偏波方向の変換の様子を、図１２（Ｄ）を参照しながら説明する。なお、図１２（Ｃ）は、時計周りに進行する励起光の半分の波長（λｐ／２）のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を通過するときの偏波方向の変換の様子を示しているが、このようなＳＨＧ光は不要な反射などで生じたものである。
【０１６２】
なお、１／２波長板３１１、３１３、１／４波長板３１２は、波長λｐ／２のＳＨＧ光に対してはそれぞれ、１波長板、１／２波長板として動作する。
【０１６３】
従って、第５の１／２波長板３１３に入力されたｐ偏波（上向き矢印）のＳＨＧ光はｐ偏波のまま出力される。
【０１６４】
次に１／４波長板３１２を通過するとき、１／４波長板３１２はＳＨＧ光に対しては１／２波長板として動作し、かつ、その光学軸方向が入力偏波方向と４５°の角をなすため、その結果、出力光の偏波方向は９０°だけ回転している（右向き矢印）。
【０１６５】
次に、第４の１／２波長板３１１を通過するときには、なんらの偏波方向の回転も生じない。
【０１６６】
すなわち、波長λｐ／２のＳＨＧ光が、偏波面変換部３１４を反時計周りで通過するとき、元の偏波方向（ここではｐ偏波方向）から９０°だけ偏波回転する（ｓ偏波に変換される）。このことは、図１２（Ｃ）に示されるように、ＳＨＧ光が逆側から入力されて出力される場合でも同じである。このことは、内部を構成する１／４波長板３１２の光学軸方向が、上述したように、ｓ偏波方向あるいはｐ偏波方向と４５°の角をなすように設定されているときに生じる。
【０１６７】
以上の結果をまとめると、次のようになる。すなわち、偏波面変換部３１４を通過するとき、波長λｐの励起光とそれに近い波長のシグナル光及びアイドラー光は偏波回転されないのに対し、波長λｐ／２のＳＨＧ光は９０°だけ偏波回転する。このような偏波方向（偏波面）の変換のために、内部を構成する二つの１／２波長板３１１、３１３とひとつの１／４波長板３１２の光学軸方向が、それぞれ、ｐ偏波方向あるいはｓ偏波方向に対して２２．５°並びに４５°の角をなすように選定されている。
【０１６８】
以上の偏波面変換部３１４の変換動作を踏まえて、第３の実施形態の全体動作を説明する。
【０１６９】
偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力され、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光（ｐ偏波）は、偏波面変換部３１４を通過し、偏波変換されずに（ｐ偏波のまま）第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２によって、第１の実施形態の場合と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１７０】
第１の２次非線形光学媒質１０２から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、次に、第１の１／２波長板１０３に入力され、励起光、ＳＤＰＣ相関光子対は９０°だけ偏波回転されてｓ偏波になるのに対し、ＳＨＧ光はｐ偏波のままである。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３に入力され、偏波状態がｓ偏波である励起光、ＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｐ偏波であるＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７１】
一方、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力され、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光（ｓ偏波）は、第１の１／２波長板１０３において９０°だけ偏波回転してｐ偏波へ変換され、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力される。その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２によって、第１の実施形態と同様に、励起光の偏波（ｐ偏波）と同じ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。
【０１７２】
第１の２次非線形光学媒質１０２から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、次に、偏波面変換部３１４へ入力され、励起光、ＳＤＰＣ相関光子対は偏波回転されずにｐ偏波のまま出力されるのに対し、ＳＨＧ光は９０°だけ偏波変換されてｓ偏波として出力される。その後、これらは偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２に入力され、偏波状態がｐ偏波である励起光、ＳＰＤＣ相関光子対は第１入出力端１０１−１に出力されるのに対し、偏波状態がｓ偏波であるＳＨＧ光は第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７３】
ここで、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力されるＳＰＤＣ相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｓ偏波であるのに対し、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光によって発生したものはｐ偏波であるから、第１の実施形態と同様に、偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から、偏波量子もつれ光子対が発生される。
【０１７４】
図１３は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１３に示すように、光ループＬＰを伝播した励起光、並びに所望とする量子もつれ光子対（シグナル光、アイドラー光）は、励起光を入力する入出力端と同じ入出力端（ここでは第１入出力端１０１−１）から出力されるのに対し、ＳＨＧ光成分は光ループＬＰの伝播方向に関わらず第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０１７５】
すなわち、所望する量子もつれ光子対とＳＨＧ光とは、偏波分離合成モジュール１０１の異なる入出力端に出力され、同一の入出力端に出力されることはない。それ故、第１及び第２実施形態と異なり、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５を原理的には必要としない構成となる。但し、所望する量子もつれ光子対及びＳＨＧ光の入出力端に漏れたＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５を残すようにしても良い。
【０１７６】
また、図示は省略するが、励起光や量子もつれ光子対の入出力形態に関しては、第３の実施形態に対しても、第１の実施形態の変形実施形態（図６、図７参照）として挙げたと同様な変形実施形態を上げることができる。すなわち、ＷＤＭフィルタ１０６として用いるＡＷＧフィルタの双方向入出力特性を利用した構成（図６）や、光バンドパスフィルタ１０７を利用した構成（図７）を変形実施形態としてあげることができ、このような変形実施形態も、第３の実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【０１７７】
（Ｃ−３）第３の実施形態の効果
第３の実施形態によれば、第１、第２の実施形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。すなわち、原理的にはＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタ１０５が不要となる。また現実には、偏波分離合成モジュール１０１でのＳＨＧ光に対する偏波消光比が不十分であっても（本件では、偏波分離合成モジュール１０１は長波長の励起光及びＳＰＤＣ相関光子対に最適化した回路を想定しているため、短波長のＳＨＧ光に対しての偏波消光比は必ずしも保障しない）、少なくとも残留ＳＨＧ光成分は第１、第２の実施形態に比べて低下することが期待できるため、少なくとも光ローパスフィルタ１０５のＳＨＧ光成分除去の負荷が低減する効果が期待できる。その結果、装置コストの低下が期待できる。
【０１７８】
（Ｄ）第４の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第４の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１７９】
（Ｄ−１）第４の実施形態の構成
図１４、第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、既述した図１、図８、図１１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１８０】
第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｅは、第２の実施形態の特徴構成と、第３の実施形態の特徴構成とを共に導入し、第２の実施形態における作用効果と、第３の実施形態における作用効果を共に得ることができるようにしたものである。すなわち、入力励起光と所望する量子もつれ光子対とを偏波分離合成モジュールのそれぞれ異なる入出力端を介して入出力する構成を有し、かつ、ＳＨＧ光を除去するための光ローパスフィルタが原理的には不要となるものである。
【０１８１】
図１４に示す第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｅは、図８に示した第２の実施形態の構成に加えて、第３の実施形態で説明した偏波面変換部３１４を、第１の２次非線形光学媒質１０２と第２のファラデー回転子２０９との間に挿入している。
【０１８２】
（Ｄ−２）第４の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第４の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｄの動作を説明する。
【０１８３】
第３の実施形態の動作の項で説明したように、偏波面変換部３１４の挿入によっても、励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じない。
【０１８４】
次に、このことを前提とし、光ループＬＰを時計回りに伝播する光成分に対する偏波状態の操作を説明する。偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力されたｐ偏波の励起光は、第２の非相反偏波面変換部２１２並びに偏波面変換部３１４を通過しても偏波面が回転されないため、ｐ偏波のまま第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、第１の２次非線形光学媒質１０２において、ｐ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。そして、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、第１の非相反偏波面変換部２１１でも偏波面が回転されないため、ｐ偏波のまま偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力され、一方、ＳＨＧ光は、第１の非相反偏波面変換部２１１を通過することによりｓ偏波に変換されて偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力される。
【０１８５】
次に、偏波面変換部３１４の挿入によっても、励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波回転は生じないことを前提とし、光ループＬＰを反時計回りに伝播する光成分に対する偏波状態の操作を説明する。偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力されたｓ偏波の励起光は、第１の非相反偏波面変換部２１１内を、第１のファラデー回転子２０７、第２の１／２波長板２０８の順に通過してｐ偏波に変換される。そして、第１の２次非線形光学媒質１０２に入力され、その結果、逆方向の伝播の場合と同様に、ｐ偏波のＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が発生される。次に、偏波面変換部３１４を通過するが、第３の実施形態で説明したように、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、ｐ偏波のまま偏波面変換部３１４から出力されるのに対し、ＳＨＧ光は、偏波回転によりｓ偏波に変換され偏波面変換部３１４から出力される。次に、第２の非相反偏波面変換部２１２を通過する。この際、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対、ＳＨＧ光は全て９０°だけ偏波方向が回転されるため、それぞれ、ｓ偏波、ｓ偏波、ｐ偏波として第２の非相反偏波面変換部２１２から出力される。その結果、励起光及びＳＰＤＣ相関光子対は、ｓ偏波の状態で偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４から出力され、一方、ＳＨＧ光は、ｐ偏波の状態で偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１から出力される。
【０１８６】
図１５は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１５に示すように、励起光及び所望する量子もつれ光子対はループＬＰの伝播方向に関係なく全て偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ出力され、ＳＨＧ光成分は光ループＬＰの伝播方向に関係なく全て第１入出力端１０１−１へ出力される。
【０１８７】
以上のように、第４の実施形態においては、第２の実施形態の作用効果と、第３の実施形態の作用効果の両方を奏することができる。
【０１８８】
（Ｄ−３）第４の実施形態の効果
第４の実施形態によれば、第２及び第３の実施形態の効果を共に得ることができる。すなわち、励起光の逆行による装置の不安定動作の影響を除去でき、かつ、ＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタを不要、あるいはその通過特性への負荷を低減できるため、より低損失で高品質な装置の提供が可能となる。
【０１８９】
（Ｅ）第５の実施形態
次に、本発明による量子もつれ光子対発生装置の第５の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【０１９０】
（Ｅ−１）第５の実施形態の構成
図１６、第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置の構成を示す構成要素の配置図であり、第１の実施形態に係る図１との同一、対応部分には同一、対応符号を付して示している。
【０１９１】
第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｆは、２次非線形光学媒質として、第１〜第４の実施形態で用いた第１の非線形光学媒質１０２とは下記の点で異なる、第２の非線形光学媒質５０１を用いている。また、第１の実施形態における第１の１／２波長板１０３及び光ローパスフィルタ１０５は設けられていない。第５の実施形態の場合、光ローパスフィルタ１０５は原理的に不要なものである。第５の実施形態では、光ループＬＰの全て又は一部を構成している偏波保持光ファイバ５０２の途中において、偏波面が９０°だけ異なるように融着された箇所（適宜、９０°融着箇所と呼ぶ）５０３が設けられている。
【０１９２】
第２の２次非線形光学媒質５０１に入出力する入力励起光、ＳＨＧ光、シグナル光、アイドラー光の偏波方向は、以下の関係にある。すなわち、入力励起光、シグナル光、アイドラー光の偏波方向は、同一方向の直線偏波である。一方、ＳＨＧ光はこれらと直交した偏波の直線偏波である。
【０１９３】
このようなことは、例えば、第２の２次非線形光学媒質５０１としてＰＰＬＮを用いた場合には、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３１成分を、ＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用し、そのためにＰＰＬＮ結晶のＸ軸方向に偏波した励起光を入力することで実現される。
【０１９４】
９０°融着箇所５０３は、例えば、以下のように実現される。第２の２次非線形光学媒質５０１と偏波分離合成モジュール１０１の二つの入出力端（１０１−２、１０１−３）とを光学的に結合させ、光ループＬＰを形成するための２つの光経路のうち、少なくとも一方を偏波保持光ファイバ５０２によって作製し、かつ、偏波保持光ファイバ５０２中の光経路の任意の一箇所を、その光学軸方向（ｓｌｏｗ軸、ｆａｓｔ軸）を入れ替えて融着接合し、９０°融着箇所５０３を形成させる。この９０°融着箇所５０３を含む偏波保持光ファイバ５０２が、上記の光ループＬＰを形成する２つの光経路のどちらに挿入されるかは設計的事項である（図中では、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第２の２次非線形光学媒質５０１を結ぶ光経路に挿入されている）。すなわち、挿入箇所は、後述するように、第２の２次非線形光学媒質５０１の光学軸方向と、励起光の偏波方向に基づいて、適宜決定される。
【０１９５】
（Ｅ−２）第５の実施形態の動作
次に、以上の構成を有する第５の実施形態の偏波量子もつれ光子対発生装置１００Ｆの動作を説明する。
【０１９６】
第１〜第４の実施形態の場合と同様に、ｐ偏波方向に対して偏波方向が４５°だけ傾いている直線偏波の波長λｐの励起光が偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ入力されると、同じ強度のｐ偏波成分、ｓ偏波成分に分離され、それぞれ偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２、第３入出力端１０１−３へ出力される。
【０１９７】
上述したように、第２の２次非線形光学媒質５０１としてＰＰＬＮを用い、かつ、ＰＰＬＮの２次非線形光学定数のｄ３１成分をＳＨＧ発生、ＳＰＤＣ発生に利用する場合、ＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に偏波した励起光を入力することで、ｚ軸方向に偏波したＳＨＧ光を発生させ、そしてそれを種光にしたＳＰＤＣ過程により、ｘ軸方向に偏波したシグナル光及びアイドラー光の相関光子対を発生させることになる。
【０１９８】
ここで、ｓ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように、第２の２次非線形光学媒質５０１を配置する。
【０１９９】
第２の２次非線形光学媒質５０１が以上のように配置されているとき、偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３から出力された光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光は、ｓ偏波なので、それをそのまま（偏波方向を保ったまま）第２の２次非線形光学媒質５０１へ入力すると、ｐ偏波のＳＨＧ光と、ｓ偏波のシグナル光及びアイドラー光のＳＰＤＣ相関光子対が発生する。
【０２００】
第２の２次非線形光学媒質５０１から出力された、励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対は、偏波保持光ファイバ５０２に入力され、９０°融着箇所５０３を経て偏波方向が９０°だけ回転される。すなわち、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｐ偏波、ＳＨＧ光はｓ偏波に変換される。
【０２０１】
その後、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２へ到達すると、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｐ偏波のため第１入出力端１０１−１へ出力され、ＳＨＧ光はｓ偏波のため第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０２０２】
一方、偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２から出力された、光ループＬＰを時計回りに伝播するｐ偏波の励起光は、偏波保持光ファイバ５０２に入力され、９０°融着箇所５０３を経て偏波方向が９０°だけ回転され、ｓ偏波に変換される。
【０２０３】
ｓ偏波なので、その励起光をそのまま（偏波方向を保ったまま）第２の２次非線形光学媒質５０１へ入力すると、ｐ偏波のＳＨＧ光と、ｓ偏波のシグナル光及びアイドラー光のＳＰＤＣ相関光子対が発生する。
【０２０４】
その後、第２の２次非線形光学媒質５０１から出力された励起光、ＳＨＧ光、ＳＰＤＣ相関光子対が偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３へ到達すると、励起光、ＳＰＤＣ相関光子対はｓ偏波のため第１入出力端１０１−１へ出力され、ＳＨＧ光はｐ偏波のため第４入出力端１０１−４へ出力される。
【０２０５】
偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ出力されるＳＰＤＣ相関光子対は、光ループＬＰを時計回りに伝播する励起光に対して発生したものはｓ偏波、光ループＬＰを反時計回りに伝播する励起光に対して発生したものはｐ偏波であるため、励起光強度を適宜調整することで、偏波量子もつれ光子対になっている。
【０２０６】
図１７は、励起光、ＳＨＧ光、相関光子対（シグナル光、アイドラー光）が入出力する偏波分離合成モジュール１０１の入出力端を示す説明図である。図１７に示すように、励起光及び所望する量子もつれ光子対は、ループＬＰの伝播方向に関係なく偏波分離合成モジュール１０１の第１入出力端１０１−１へ全て出力され、ＳＨＧ光は、ループＬＰの伝播方向に関係なく偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ全て出力される。ＳＨＧ光が、偏波分離合成モジュール１０１の第４入出力端１０１−４へ全て出力されるので、第３や第４の実施形態と同様に、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５が原理的には不要となる。
【０２０７】
すなわち、第５の実施形態においては、第３、第４の実施形態に示すような、１／２波長板や１／４波長板などの複数の光学部品を用いる代りに、途中で９０°光軸変換された偏波保持光ファイバという比較的安価な光部品をただ１つ用いるだけで、ＳＨＧ光除去のための光ローパスフィルタ１０５が原理的には不要となる装置を実現することができる。そのため、より安価で簡便な装置の提供が可能となる。
【０２０８】
なお、上述した装置構成においては、ｓ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように、第２の２次非線形光学媒質５０１を配置したが、これと直交した配置、すなわち、ｐ偏波方向がＰＰＬＮ結晶のｘ軸方向に合致するように第２の２次非線形光学媒質５０１を配置した場合においても、偏波保持光ファイバ５０２の挿入箇所を、第２の２次非線形光学媒質５０１と偏波分離合成モジュール１０１の第３入出力端１０１−３を結ぶ光経路側へと入れ替えることにより、第５の実施形態の作用効果を奏することができる。
【０２０９】
（Ｅ−３）第５の実施形態の効果
第５の実施形態によれば、ＳＨＧ光除去用の光ローパスフィルタが不要な偏波量子もつれ光子対発生装置を、より安価かつ簡便に提供することができる。
【０２１０】
（Ｆ）他の実施形態
上記各実施形態では、２次非線形光学媒質としてＰＰＬＮ結晶を用いた場合を説明したが、本文中にも記載したように、上記各実施形態の効果はＰＰＬＮ結晶以外の２次非線形光学媒質を用いた場合でも生じることができる。また、２次非線形光学媒質としては、バルク結晶、又は光導波路構造を作りこんだＰＰＬＮ導波路のような導波路型デバイスだけでなく、その他様々な形態の２次非線形光学媒質を用いることができる。
【０２１１】
また、第１及び第３の実施形態で用いる第１の１／２波長板１０３が、光ループＬＰの光路中で２次非線形光学媒質１０２に対してどのような位置に配置されるかは設計的事項である。すなわち、例えば、２次非線形光学媒質のｄ１１成分を利用して上記各実施形態の効果を得る場合には、第１の１／２波長板１０３を偏波分離合成モジュール１０１の第２入出力端１０１−２と第１の２次非線形光学媒質１０２を接続する光路に配置することもあり得る。すなわち、配置箇所は、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。同様に、第１〜第４の実施形態における偏波面変換部３１４や、第１及び第２の非相反偏波面変換部２１１及び２１２に関しても、２次非線形光学媒質の光学軸方向と、それに入力される励起光の偏波方向に基づいて、適宜柔軟に設定することができる。
【符号の説明】
【０２１２】
１００、１００Ａ〜１００Ｆ…量子もつれ光子対発生装置、１０１…偏波分離合成モジュール、１０２…第１の２次非線形光学媒質、１０３、２０８、２１０、３１１、３１３…１／２波長板、１０４…光サーキュレータ、１０５、１０５−ｓ、１０５−ｉ…光ローパスフィルタ、１０６…ＷＤＭフィルタ、１０８…光バンドパスフィルタ、２０７、２０９…ファラデー回転子、２１１、２１２…非相反偏波面変換部、３１２…１／４波長板、３１４…偏波面変換部、５０１…第２の２次非線形光学媒質、５０２…偏波保持光ファイバ、５０３…９０°融着箇所、ＬＰ…光ループ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波保持のループ光路と、
第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、
上記ループ光路に介在された２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質であって、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、この第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させると共に、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第２の光第２高調波を発生させ、かつ、この第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させる２次非線形光学媒質と、
上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、
上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への合波出力を実行させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光の少なくとも一部について、偏波方向を操作する偏波面操作手段と
を備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２】
複数の入出力端を有する偏波分離合成モジュールが上記励起光分波入力手段及び上記変換光合波出力手段として適用されていることを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項３】
上記偏波面操作手段は第１の１／２波長板でなり、上記第１の１／２波長板は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を９０°だけ回転させて出力することを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項４】
上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部でなり、
上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第２の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項５】
上記偏波面操作手段は、第１の１／２波長板と偏波面変換部とでなり、
上記ループ光路中に、上記偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記第１の１／２波長板とが、時計回りにこの順番で配置され、
上記偏波面変換部は、第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項６】
上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部と、偏波面変換部とでなり、
上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記偏波面変換部と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第２の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記偏波面変換部は、第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項７】
上記偏波面操作手段は、融着偏波面変換部でなり、
上記ループ光路中に、上記融着偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質とがこの順番で配置され、
上記融着偏波面変換部は、上記ループ光路を構成する２つの偏波保持光ファイバ同士の光軸を９０°だけ回転させて相互に融着接続して構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項８】
合波出力された上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が通過する第２のループ外光路に、上記入力励起光の波長成分を除去し、かつ、上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が有するシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分をそれぞれ異なる光出力端に出力する第１の波長選択型フィルタを有する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項９】
上記第１の波長選択型フィルタがＡＷＧフィルタであることを特徴とする請求項８に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１０】
合波出力された上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が通過する第２のループ外光路に、上記第１及び第２の光第２高調波成分の少なくとも一方を除去する光ローパスフィルタを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１１】
上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に光サーキュレータが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜１０のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１２】
上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に、上記第２のループ外光路を伝播してきた上記入力励起光波長成分を透過又は反射し、上記自然パラメトリック下方変換光のシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分を反射又は透過する第２の波長選択型フィルタが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜１０のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１】
偏波保持のループ光路と、
第１のループ外光路からの入力励起光を互いに直交する偏波成分である第１の分波励起光と第２の分波励起光とに分岐し、上記第１の分波励起光を上記ループ光路へ時計回りに伝播するように入力すると共に、上記第２の分波励起光を上記ループ光路へ反時計回りに伝播するように入力する励起光分波入力手段と、
上記ループ光路に介在された２次非線形光学効果を有する２次非線形光学媒質であって、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の分波励起光に対する第１の光第２高調波を発生させ、かつ、この第１の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第１の自然パラメトリック下方変換光を発生させると共に、上記ループ光路を反時計回りに伝播する上記第２の分波励起光に対する第２の光第２高調波を発生させ、かつ、この第２の光第２高調波に対する自然パラメトリック下方変換によって第２の自然パラメトリック下方変換光を発生させる２次非線形光学媒質と、
上記ループ光路を時計回りに伝播している上記第１の自然パラメトリック下方変換光と、上記ループ光路を反時計回りに伝播している上記第２の自然パラメトリック下方変換光とを合波し、合波光を第２のループ外光路へ出力する変換光合波出力手段と、
上記変換光合波出力手段における上記第２のループ外光路への合波出力を実行させるように、上記第１分波励起光、上記第２分波励起光、上記第１の自然パラメトリック下方変換光及び上記第２の自然パラメトリック下方変換光の少なくとも一部について、偏波方向を操作する偏波面操作手段と
を備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
【請求項２】
複数の入出力端を有する偏波分離合成モジュールが上記励起光分波入力手段及び上記変換光合波出力手段として適用されていることを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項３】
上記偏波面操作手段は第１の１／２波長板でなり、上記第１の１／２波長板は、上記ループ光路を時計回りに伝播する上記第１の自然パラメトリック下方変換光の偏波面を９０°だけ回転させて出力することを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項４】
上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部でなり、
上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第２の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項５】
上記偏波面操作手段は、第１の１／２波長板と偏波面変換部とでなり、
上記ループ光路中に、上記偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記第１の１／２波長板とが、時計回りにこの順番で配置され、
上記偏波面変換部は、第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項６】
上記偏波面操作手段は、第１及び第２の非相反偏波面変換部と、偏波面変換部とでなり、
上記ループ光路中に、上記第１の非相反偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質と、上記偏波面変換部と、上記第２の非相反偏波面変換部とが、反時計回りにこの順番で配置され、
上記第１の非相反偏波面変換部は、第１の４５°ファラデー回転子と第２の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記第２の非相反偏波面変換部は、第２の４５°ファラデー回転子と第３の１／２波長板とが反時計回りにこの順番で配置されて構成され、
上記偏波面変換部は、第４の１／２波長板、１／４波長板、第５の１／２波長板を時計回りにこの順番で配置されて構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項７】
上記偏波面操作手段は、融着偏波面変換部でなり、
上記ループ光路中に、上記融着偏波面変換部と、上記２次非線形光学媒質とがこの順番で配置され、
上記融着偏波面変換部は、上記ループ光路を構成する２つの偏波保持光ファイバ同士の光軸を９０°だけ回転させて相互に融着接続して構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項８】
合波出力された上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が通過する第２のループ外光路に、上記入力励起光の波長成分を除去し、かつ、上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が有するシグナル光波長成分、アイドラー光波長成分をそれぞれ異なる光出力端に出力する第１の波長選択型フィルタを有する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項９】
上記第１の波長選択型フィルタがＡＷＧフィルタであることを特徴とする請求項８に記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１０】
合波出力された上記第１自然パラメトリック下方変換光及び上記第２自然パラメトリック下方変換光が通過する第２のループ外光路に、上記第１及び第２の光第２高調波成分の少なくとも一方を除去する光ローパスフィルタを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１１】
上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に光サーキュレータが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜１０のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【請求項１２】
上記第１のループ外光路及び上記第２のループ外光路が共通部分を有し、この共通部分の端部に、上記第２のループ外光路を伝播してきた上記入力励起光波長成分を透過又は反射し、上記自然パラメトリック下方変換光のシグナル光波長成分及びアイドラー光波長成分を反射又は透過する第２の波長選択型フィルタが設けられていることを特徴とする請求項３、５、７〜１０のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−４８０９３（Ｐ２０１１−４８０９３Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５８００（Ｐ２００９−１９５８００）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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