JP4264735B2 - Polarized entangled photon pair generator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、偏光エンタングルド光子対発生装置に関し、特に、導波路型PPLNと光ファイバーサニャック干渉計とで構成した偏光エンタングルド光子対発生装置に関する。   The present invention relates to a polarization entangled photon pair generation device, and more particularly to a polarization entangled photon pair generation device composed of a waveguide type PPLN and an optical fiber Sagnac interferometer.

1984年のCharles Bennet（IBM）等による量子暗号プロトコルの開発、1994年のPeter Shore（AT＆T）による量子計算アルゴリズムの発表を契機として、量子情報処理に関する研究が精力的に進められている。中でも、量子暗号は既に実用化の水準に達しており、通信波長帯（波長1550nm）での既設光ファイバーを用いた実験も行われている。これらの実験では、単一光子レベルまで減衰させたレーザー光が用いられているが、光子の非局所性を利用した高度な量子情報通信（量子テレポーテーションなど）を実用化するためには、エンタングルド（絡み合わせ）状態にある光子対が必要となる。このエンタングルド状態にある光子対は非線形光学過程である自然パラメトリック下方変換によって発生できる。   Research on quantum information processing has been energetically promoted by the development of quantum cryptography protocols by Charles Bennet (IBM) in 1984 and the announcement of quantum computation algorithms by Peter Shore (AT & T) in 1994. Among them, quantum cryptography has already reached the level of practical use, and experiments using existing optical fibers in the communication wavelength band (wavelength 1550 nm) are being conducted. In these experiments, laser light attenuated to the level of a single photon is used. In order to put advanced quantum information communication (quantum teleportation, etc.) using nonlocality of photons into practical use, entanglement A photon pair in the entangled state is required. Photon pairs in this entangled state can be generated by natural parametric down conversion, which is a nonlinear optical process.

量子情報通信の研究分野では、ベル状態を用いた量子暗号・量子テレポーテーションなどの原理証明実験が、主に波長700〜800nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を用いて行われてきた。その理由は、この波長帯では量子効率が高く、しかもダークカウントが少ない単一光子検出器が市販されていること、BBOなどの高効率下方変換が可能な結晶と高出力ポンプレーザとしてアルゴンレーザ（波長351nm）やチタンサファイアレーザーの第二高調波（波長400nm付近）を使用できることにある。   In the field of quantum information communication research, proof-of-principle experiments such as quantum cryptography and quantum teleportation using the Bell state have been carried out mainly using photon pairs in the polarization entangled state with a wavelength of 700 to 800 nm. The reason for this is that single-photon detectors with high quantum efficiency and low dark count are commercially available in this wavelength band, and crystals such as BBO that allow highly efficient down-conversion and argon lasers as high-power pump lasers ( The wavelength 351 nm) and the second harmonic of a titanium sapphire laser (wavelength around 400 nm) can be used.

波長1550nmのエンタングルド光子対の発生に関する研究は、これまで２件報告されている。それらは、周期分極擬似位相整合シリカファイバーを利用したもの（サザンプトン大学）と、分散シフトファイバーによる四光波混合を利用したもの（ノースウエスタン大学）である。ポンプ出力１mWに対する１秒間あたりの光子対発生率はそれぞれ、1.7と500である。波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を、フェムト秒パルスレーザーにより発生させた実験はまだ報告されていない。   Two studies on the generation of entangled photon pairs with a wavelength of 1550 nm have been reported so far. They are those that use periodically poled quasi-phase-matched silica fibers (University of Southampton) and those that use four-wave mixing with dispersion-shifted fibers (Northwestern University). The photon pair generation rates per second for a pump power of 1 mW are 1.7 and 500, respectively. An experiment in which a photon pair in a polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm is generated by a femtosecond pulse laser has not been reported yet.

図３に、フェムト秒レーザーによる波長800nmの偏光エンタングルド状態発生に用いられた光学系を示す。この系では、２つのBBO結晶で発生した光子対をコヒーレントに重ね合わせるために、マッハツェンダー干渉計の腕の長さを調整し安定化する必要がある。また、アライメントが困難であるため、期待される光子対の発生率および高い純度のエンタングルメントは得られていない。   FIG. 3 shows an optical system used to generate a polarized entangled state with a wavelength of 800 nm by a femtosecond laser. In this system, it is necessary to adjust and stabilize the arm length of the Mach-Zehnder interferometer in order to coherently superimpose photon pairs generated in two BBO crystals. Moreover, since alignment is difficult, the expected generation rate of photon pairs and high-purity entanglement cannot be obtained.

特許文献１に開示された「もつれ合い光子対発生装置」は、もつれ合った状態の光子対を、ビーム状に収束して高効率に発生できるもつれ合い光子対発生装置である。図４に示すように、垂直偏光、他方が水平偏光に固定された「もつれ合っていない」状態で、光子対をビーム状に発生させるBBOなどを用いた偏光確定光子対発生装置を２つ直列に配置する。それら２つの装置の中間に、偏光を90度回転させる１／２波長板を挿入する。ポンプ光を入射することにより、２つの偏光確定光子対発生装置でそれぞれ発生された水平偏光と垂直偏光の光子ビームを、異なる偏光同士で重ね合わせる。従来よりも高い効率で、もつれ合った光子対ビームを発生させることができる。   The “entangled photon pair generating device” disclosed in Patent Document 1 is an entangled photon pair generating device capable of generating an entangled photon pair in a beam shape with high efficiency. As shown in FIG. 4, two polarization-determined photon pair generators using a BBO or the like that generate a photon pair in the form of a beam in a state of “not entangled” with the vertical polarization and the other fixed to the horizontal polarization in series. To place. A half-wave plate that rotates the polarization by 90 degrees is inserted between these two devices. By making the pump light incident, the horizontally polarized light and vertically polarized photon beams respectively generated by the two polarization-determined photon pair generators are superposed with different polarizations. An entangled photon pair beam can be generated with higher efficiency than before.

非特許文献１に開示された光子対発生装置は、図５に示すように、２つのPPLN導波器を使用して、波長1550nmの偏光相関光子対を発生する装置である。２光子干渉実験において、同時検出率は、0.53kHzである。非特許文献２に開示された光子対発生装置は、図６に示すように、サニャック干渉計を使用して、偏光エンタングルド光子対のパルスを発生する装置である。
特開2003-228091号公報 A. Yoshizawa, R. Kaji and H. Tsuchida, "Generation of polarization-entangled photon pairs at 1550nm using PPLN waveguides", Electron. Lett., vol.39, pp.621-622. (3 April 2003). B. S. Shi, A, Tomita, "Generation of Pulsed Polarization Entangled Photon Pair Using a Sagnac Interferometer", Phys. Rev. A (2004). The photon pair generating device disclosed in Non-Patent Document 1 is a device that generates a polarization correlated photon pair having a wavelength of 1550 nm using two PPLN waveguides as shown in FIG. In the two-photon interference experiment, the simultaneous detection rate is 0.53 kHz. The photon pair generating device disclosed in Non-Patent Document 2 is a device that generates a pulse of a polarized entangled photon pair using a Sagnac interferometer, as shown in FIG.
JP2003-228091 A. Yoshizawa, R. Kaji and H. Tsuchida, "Generation of polarization-entangled photon pairs at 1550nm using PPLN waveguides", Electron. Lett., Vol.39, pp.621-622. (3 April 2003). BS Shi, A, Tomita, "Generation of Pulsed Polarization Entangled Photon Pair Using a Sagnac Interferometer", Phys. Rev. A (2004).

しかし、従来の光子対発生装置では、光ファイバーにおけるこの波長帯の光損失は２dB／kmと大きく、長距離伝送は不可能であるという問題があった。   However, the conventional photon pair generating device has a problem that the optical loss of this wavelength band in an optical fiber is as large as 2 dB / km, and long-distance transmission is impossible.

本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、量子情報通信の実用化のために、光ファイバーにおける光損失が最小となる波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を効率よく発生させることである。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and efficiently generate photon pairs in a polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm that minimizes optical loss in an optical fiber for practical use of quantum information communication. It is.

上記の課題を解決するために、本発明では、偏光エンタングルド光子対発生装置を、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を分岐する偏光ビームスプリッターと、偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを、第１の方向に回るビームは第１の導波路型PPLNをポンプし、第２の方向に回るビームは記第２の導波路型PPLNをポンプするように、フェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる構成とした。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, a polarization entangled photon pair generating device includes a polarization beam splitter that branches 45-degree polarized light from a femtosecond pulse laser, and a first waveguide connected to the polarization beam splitter. comprising a Sagnac interferometer made of a polarization maintaining optical fiber that incorporates a mold PPLN and second PPLN waveguide, the first PPLN waveguide and the second waveguide PPLN, first By pumping with light from a femtosecond pulse laser , a beam turning in the direction pumps the first waveguide type PPLN and a beam turning in the second direction pumps the second waveguide type PPLN. The photon pair in a polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm is generated.

本発明では、上記のように構成したことにより、波長1550nmの純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を効率よく発生させることができる。   In the present invention, the configuration as described above can efficiently generate photon pairs in a highly polarized entangled state with a wavelength of 1550 nm.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１と図２を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.

本発明の実施例１は、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を偏光ビームスプリッターで分岐し、偏光ビームスプリッターに接続された偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込んだ第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを、第１の方向に回るビームは第１の導波路型PPLNをポンプし、第２の方向に回るビームは記第２の導波路型PPLNをポンプするように、フェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる偏光エンタングルド光子対発生装置である。 In the first embodiment of the present invention, 45-degree polarized light from a femtosecond pulse laser is branched by a polarization beam splitter, and is incorporated into a Sagnac interferometer composed of a polarization-maintaining optical fiber connected to the polarization beam splitter. A beam traveling in the first direction pumps the first waveguide type PPLN through the waveguide type PPLN and the second waveguide type PPLN, and a beam traveling in the second direction passes through the second waveguide type PPLN. as the pump, by pumping with light from the femtosecond pulsed laser, a polarization-entangled photon pair generating device for generating a photon pair in the polarization entangled state of the wavelength 1550 nm.

本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。図１において、フェムト秒パルス１は、パルス幅がフェムト秒程度のレーザー光パルスである。偏光ビームスプリッター（PBS）２は、複屈折性の結晶によって光線束を２つに分離する光学素子である。第１導波路型PPLN３と第２導波路型PPLN４は、光通信における波長変換素子として開発された導波路型PPLN（Periodically Poled Lithium Niobate）である。偏波保存ファイバー５は、光の振動面(偏波面)を一定の方向に保ちながら光を伝搬させる単一モードの光ファイバーである。干渉フィルター６は、干渉効果によって透過エネルギーのスペクトル成分を部分的に制御するフィルターである。複屈折性結晶７は、屈折率が光線の伝播方向によって異なる異常偏光と、伝播方向によって異ならない常偏光が存在する、複屈折を起こす結晶である。   The configuration of the polarized entangled photon pair generation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a conceptual diagram of a polarization entangled photon pair generation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a femtosecond pulse 1 is a laser light pulse having a pulse width of about femtoseconds. A polarization beam splitter (PBS) 2 is an optical element that separates a light beam into two by a birefringent crystal. The first waveguide type PPLN 3 and the second waveguide type PPLN 4 are waveguide type PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) developed as a wavelength conversion element in optical communication. The polarization-maintaining fiber 5 is a single mode optical fiber that propagates light while maintaining the vibration plane (polarization plane) of light in a fixed direction. The interference filter 6 is a filter that partially controls the spectral component of the transmitted energy by the interference effect. The birefringent crystal 7 is a crystal that causes birefringence in which an extraordinarily polarized light whose refractive index varies depending on the propagation direction of the light beam and an ordinary polarized light that does not vary depending on the propagation direction.

50/50カップラー８は、光ファイバーを接合して、入射光を50％ずつに分岐するようにした光学素子である。半波長板９は、入射光にπの位相差を与え、光の電界の振動方向が波長板の光軸に対しθ°の方位角で入射した時に振動方向を２θ°回転させる光学素子である。45°の方位角で入射した時に最大の回転角90°を得る。円偏光の光が入射した場合は、光の振動方向を反対回りに変える。グラントムソンアナライザー10は、入射した非偏光の光のうち、異常光線（s偏光の光）を出射し、常光線（p偏光の光）を吸収する光学素子である。単一光子検出器11は、単一の光子を検出できる感度の光検出器である。同時計測器12は、２つの単一光子検出器で同時に光子を検出したとき応答する計測器である。   The 50/50 coupler 8 is an optical element in which optical fibers are joined to split incident light into 50%. The half-wave plate 9 is an optical element that gives a phase difference of π to incident light and rotates the vibration direction by 2θ ° when the vibration direction of the electric field of the light is incident at an azimuth angle of θ ° with respect to the optical axis of the wave plate. . A maximum rotation angle of 90 ° is obtained when incident at an azimuth angle of 45 °. When circularly polarized light is incident, the vibration direction of the light is changed to the opposite direction. The Glan-Thompson analyzer 10 is an optical element that emits an extraordinary ray (s-polarized light) and absorbs an ordinary ray (p-polarized light) among incident non-polarized light. The single photon detector 11 is a photodetector having a sensitivity capable of detecting a single photon. The simultaneous measuring instrument 12 is a measuring instrument that responds when two single photon detectors simultaneously detect photons.

上記のように構成された本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、動作の概略を説明する。光通信における波長変換素子として開発された導波路型PPLNを、偏波保存ファイバー５で構成されたサニャック干渉計に組み込み、これを、時計回りのビームはPPLN４をポンプし、反時計回りのビームはPPLN３をポンプするように、フェムト秒レーザーからの光でポンプすることにより、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させる。 The operation of the polarized entangled photon pair generating apparatus according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, an outline of the operation will be described with reference to FIG. Waveguide-type PPLN developed as a wavelength conversion element in optical communication is incorporated into a Sagnac interferometer composed of polarization- maintaining fiber 5, and the clockwise beam pumps PPLN4 and the counterclockwise beam is By pumping with light from a femtosecond laser so as to pump PPLN3, photon pairs in a highly polarized entangled state are generated with high efficiency.

フェムト秒パルスによる相関光子対の発生方法を説明する。偏光エンタングルド状態にある光子対を用いた高度な量子情報通信を行うためには、特定の時刻に光子対を発生させなければならない。このため、超短パルスレーザーによって波長変換素子をポンプする必要がある。そこで、フェムト秒チタンサファイアレーザーで、導波路型PPLNをポンプすることにより、光子対を発生させる。導波路型PPLNは、できる限り大きな光子対発生率を得るため、長さ50mmとする。ポンプ光の導波路への結合と、発生した光子対の収集を効率よく行うために、導波路に偏波保存ファイバーを取り付けたものを使用する。   A method for generating correlated photon pairs by femtosecond pulses will be described. In order to perform advanced quantum information communication using a photon pair in a polarization entangled state, the photon pair must be generated at a specific time. For this reason, it is necessary to pump the wavelength conversion element with an ultrashort pulse laser. Therefore, a photon pair is generated by pumping the waveguide type PPLN with a femtosecond titanium sapphire laser. The waveguide type PPLN has a length of 50 mm in order to obtain the largest possible photon pair generation rate. In order to efficiently couple the pump light to the waveguide and collect the generated photon pairs, a waveguide with a polarization maintaining fiber attached thereto is used.

サニャック干渉計による偏光エンタングルド状態にある光子対の発生方法を説明する。導波路型PPLNによる自然パラメトリック下方変換では、ポンプ光の偏光と同じ偏光をもつ光子対が発生する。そのため、直交した２つの偏光に関するエンタングルド状態を発生させるためには、２個の導波路型PPLNを、偏光が直交したポンプ光で、それぞれポンプする必要がある。また、純度の高いエンタングルド状態を生成するためには、各導波路型PPLNで発生した光子対を、コヒーレントに重ね合わせる必要がある。   A method for generating a photon pair in a polarization entangled state by a Sagnac interferometer will be described. In the natural parametric down-conversion by the waveguide type PPLN, a photon pair having the same polarization as the pump light is generated. Therefore, in order to generate an entangled state related to two orthogonal polarizations, it is necessary to pump two waveguide type PPLNs with pump lights having orthogonal polarizations. In order to generate a highly pure entangled state, it is necessary to superimpose photon pairs generated in each waveguide type PPLN in a coherent manner.

図１に示すように、光ファイバーで構成したサニャック干渉計を採用し、２つの導波路型PPLN（位相整合の方向を直交させて配置する）で発生した光子対のコヒーレントな重ね合わせを自動的に行う。発生した光子対に同じ経路を通過させることにより、干渉計の腕の長さの調整と安定化の問題を回避することができる。さらに、サニャック干渉計を、光ファイバーで構成することにより、自由空間において、レンズによりポンプ光と発生した光子対を収集する場合の色収差が引き起こすアライメントの問題も回避することができる。   As shown in Fig. 1, a Sagnac interferometer composed of optical fibers is used to automatically coherently superimpose photon pairs generated by two waveguide-type PPLNs (with phase-matching directions orthogonal to each other). Do. By passing the generated photon pair through the same path, the problem of adjustment and stabilization of the arm length of the interferometer can be avoided. Furthermore, by configuring the Sagnac interferometer with an optical fiber, it is possible to avoid alignment problems caused by chromatic aberration when collecting pump light and generated photon pairs by a lens in free space.

偏光エンタングルド状態の純度の評価方法を説明する。上記の方法で発生させた偏光エンタングルド状態にある光子対を、50／50カップラー８により２つに分け、グラントムソンアナライザー10を用いて偏光相関を測定し、エンタングルメントの純度を評価する。さらに、２つの異なった偏光をもつ光子対の位相差および偏光状態を複屈折性結晶７と半波長板９で調整することにより、４つのベル状態が生成可能であることを確認できる。ここで、光学部品はすべてファイバーオプティクスを使用する。   A method for evaluating the purity of the polarized entangled state will be described. The photon pair in the polarization entangled state generated by the above method is divided into two by the 50/50 coupler 8, and the polarization correlation is measured using the Glan-Thompson analyzer 10, and the purity of the entanglement is evaluated. Furthermore, it can be confirmed that four bell states can be generated by adjusting the phase difference and polarization state of a photon pair having two different polarizations with the birefringent crystal 7 and the half-wave plate 9. Here, all optical components use fiber optics.

このようにして、導波路型波長変換素子を用いて、波長1550nmの純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を、フェムト秒パルスレーザーにより効率よく発生させる。発生した光子対は、光ファイバーにより出力されるので、長距離ファイバーを通信路とした量子情報通信に最適である。導波路型PPLNによる光子対発生実験で得た発生率は13,600である。導波路型PPLNによる光子対発生率は、他の方法に比べて格段に効率が良い。   In this manner, a photon pair in a highly polarized entangled state with a wavelength of 1550 nm is efficiently generated by a femtosecond pulse laser using a waveguide type wavelength conversion element. Since the generated photon pair is output by an optical fiber, it is optimal for quantum information communication using a long-distance fiber as a communication path. The generation rate obtained by the photon pair generation experiment with waveguide type PPLN is 13,600. The photon pair generation rate by the waveguide type PPLN is much more efficient than other methods.

導波路型PPLNは、変換効率が非常に高いため、低出力半導体パルスレーザーでポンプした場合でも、１パルスあたり２〜３組の光子対が発生する可能性が高い。１パルスあたり多数の光子対が発生すると、偏光エンタングルメントの純度を低下させる原因となる。そのため、１パルスあたり１組の光子対が発生するように、レーザー出力を調整する必要がある。   Since the waveguide type PPLN has a very high conversion efficiency, there is a high possibility that two to three photon pairs are generated per pulse even when pumped with a low-power semiconductor pulse laser. When a large number of photon pairs are generated per pulse, the purity of polarization entanglement is reduced. Therefore, it is necessary to adjust the laser output so that one pair of photons is generated per pulse.

上記のように、本発明の実施例１では、偏光エンタングルド光子対発生装置を、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を偏光ビームスプリッターで分岐し、偏光ビームスプリッターに接続された偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込んだ第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを、第１の方向に回るビームは第１の導波路型PPLNをポンプし、第２の方向に回るビームは記第２の導波路型PPLNをポンプするように、フェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる構成としたので、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させることができる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, the polarization entangled photon pair generating device uses a polarization-maintaining optical fiber in which 45-degree polarized light from a femtosecond pulse laser is branched by a polarization beam splitter and connected to the polarization beam splitter. The first waveguide-type PPLN and the second waveguide-type PPLN incorporated in the Sagnac interferometer configured as shown in FIG. 1 and the beam rotating in the first direction pumps the first waveguide-type PPLN, and the second waveguide-type PPLN Since the beam turning in the direction is pumped by the light from the femtosecond pulse laser so as to pump the second waveguide type PPLN , the photon pair in the polarization entangled state with the wavelength of 1550 nm is generated. The photon pair in a highly polarized entangled state can be generated with high efficiency.

本発明の実施例２は、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を、ダイクロイックミラーを透過させ、透過光を無偏光ビームスプリッターで分岐し、偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込まれた第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの光で両側からポンプして、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対発生させ、ダイクロイックミラーで反射させて取り出す偏光エンタングルド光子対発生装置である。   In the second embodiment of the present invention, 45-degree polarized light from a femtosecond pulse laser is transmitted through a dichroic mirror, the transmitted light is branched by a non-polarizing beam splitter, and incorporated in a Sagnac interferometer configured with a polarization-maintaining optical fiber. The first waveguide type PPLN and the second waveguide type PPLN are pumped from both sides with the light from the femtosecond pulse laser to generate a photon pair in the polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm and reflected by the dichroic mirror This is a polarized entangled photon pair generator.

本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の構成を説明する。図２は、本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。図２において、ダイクロイックミラー13は、入射光のある特定域の光を反射し、その他の光を透過することによって、入射光を分離するミラーである。無偏光ビームスプリッター（NPBS）14は、偏光状態に関係なく光を分岐するビームスプリッターである。その他の構成は、実施例１と同じである。   The configuration of the polarized entangled photon pair generating apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a conceptual diagram of a polarized entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 2, a dichroic mirror 13 is a mirror that separates incident light by reflecting light in a specific region of incident light and transmitting other light. The non-polarization beam splitter (NPBS) 14 is a beam splitter that branches light regardless of the polarization state. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

上記のように構成された本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の動作を説明する。サニャック干渉計による偏光エンタングルド状態にある光子対のもうひとつの発生方法である。導波路型PPLNは、導波路のどちら側からポンプしても、相関光子対を発生させることができる。この特徴を利用して、サニャック干渉計を、図２のように構成する。ここで、サニャック干渉計のループを反時計回りに伝播するポンプ光の水平成分は、第１の導波路型PPLN３で光子対を発生させ、垂直成分は、第２の導波路型PPLN４で光子対を発生させる。時計回りのポンプ光に関しても同様である。この干渉計の特徴は、２つのエンタングルド状態にある光子対が、無偏光ビームスプリッター（NPBS）14で干渉することにある。サニャック干渉計の２つの出力の偏光相関を、グラントムソンアナライザー10で測定することにより、発生したエンタングルド状態の性質および純度を詳細に調べることができる。４つのベル状態が生成可能である。   The operation of the polarized entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 2 of the present invention configured as described above will be described. This is another method for generating photon pairs in a polarization entangled state by a Sagnac interferometer. The waveguide type PPLN can generate correlated photon pairs regardless of which side of the waveguide is pumped. Using this feature, the Sagnac interferometer is configured as shown in FIG. Here, the horizontal component of the pump light propagating counterclockwise through the loop of the Sagnac interferometer generates a photon pair in the first waveguide type PPLN3, and the vertical component is a photon pair in the second waveguide type PPLN4. Is generated. The same applies to the clockwise pump light. This interferometer is characterized in that two entangled photon pairs interfere with each other with a non-polarizing beam splitter (NPBS) 14. By measuring the polarization correlation of the two outputs of the Sagnac interferometer with the Glan-Thompson analyzer 10, the nature and purity of the generated entangled state can be examined in detail. Four bell states can be generated.

上記のように、本発明の実施例で２は、偏光エンタングルド光子対発生装置を、導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を、ダイクロイックミラーを透過させ、透過光を無偏光ビームスプリッターで分岐し、偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込まれた第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの光で両側からポンプして、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させ、ダイクロイックミラーで反射させて取り出す構成としたので、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させることができる。   As described above, in the embodiment 2 of the present invention, the polarization entangled photon pair generating device transmits the waveguide type PPLN, the 45-degree polarized light from the femtosecond pulse laser, the dichroic mirror, and transmits no light. The first waveguide type PPLN and the second waveguide type PPLN that are branched by a polarization beam splitter and built in a Sagnac interferometer composed of polarization-maintaining optical fibers are pumped from both sides with light from a femtosecond pulse laser. Since the photon pair in the polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm is generated and reflected by the dichroic mirror, the photon pair in the highly polarized entangled state can be generated with high efficiency. .

本発明の偏光エンタングルド光子対発生装置は、長距離ファイバーを通信路とした量子情報通信用の光子対を発生するための装置として最適である。   The polarized entangled photon pair generating apparatus of the present invention is optimal as an apparatus for generating photon pairs for quantum information communication using a long-distance fiber as a communication channel.

本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、The conceptual diagram of the polarization entangled photon pair generator in Example 1 of this invention, 本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、The conceptual diagram of the polarization entangled photon pair generator in Example 2 of the present invention, 従来例１の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、The conceptual diagram of the polarization entangled photon pair generator of the prior art example 1, 従来例２の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、The conceptual diagram of the polarization entangled photon pair generator of the prior art example 2, 従来例３の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、Conceptual diagram of a polarization entangled photon pair generation device of Conventional Example 3, 従来例４の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the polarization entangled photon pair generation device of Conventional Example 4.

符号の説明Explanation of symbols

１ フェムト秒パルス
２ 偏光ビームスプリッター（PBS）
３ 第１導波路型PPLN
４ 第２導波路型PPLN
５ 偏波保存ファイバー
６ 干渉フィルター
７ 複屈折性結晶
８ 50/50カップラー
９ 半波長板
10 グラントムソンアナライザー
11 単一光子検出器
12 同時計測器
13 ダイクロイックミラー
14 無偏光ビームスプリッター（NPBS）
1 Femtosecond pulse 2 Polarizing beam splitter (PBS)
3 First waveguide type PPLN
4 Second waveguide type PPLN
5 Polarization-maintaining fiber 6 Interference filter 7 Birefringent crystal 8 50/50 coupler 9 Half-wave plate
10 Glan Thompson Analyzer
11 Single photon detector
12 Simultaneous measuring instruments
13 Dichroic mirror
14 Non-polarizing beam splitter (NPBS)

Claims (2)

フェムト秒パルスレーザーからの４５度偏光を分岐する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、前記第１の導波路型PPLNと前記第２の導波路型PPLNを、第１の方向に回るビームは前記第１の導波路型PPLNをポンプし、第２の方向に回るビームは前記第２の導波路型PPLNをポンプするように、フェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させることを特徴とする偏光エンタングルド光子対発生装置。 A polarization beam splitter that branches 45-degree polarized light from a femtosecond pulse laser, and a polarization maintaining optical fiber that is connected to the polarization beam splitter and incorporates a first waveguide type PPLN and a second waveguide type PPLN. A Sagnac interferometer, and the beam that travels in the first direction through the first waveguide type PPLN and the second waveguide type PPLN pumps the first waveguide type PPLN, The beam rotating in the direction of the light is generated by generating a photon pair in a polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm by pumping with light from a femtosecond pulse laser so as to pump the second waveguide type PPLN. A polarization entangled photon pair generator. フェムト秒パルスレーザーからの４５度偏光を透過するとともに、波長λ／２の偏光エンタングルド状態にある光子対を反射するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを透過した光を分岐する無偏光ビームスプリッターと、前記無偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、前記サニャック干渉計を双方向に回るビームのそれぞれの第１の偏光成分は前記第１の導波路型PPLNをポンプし、第２の偏光成分は前記第２の導波路型PPLNをポンプするように、前記第１の導波路型PPLNと前記第２の導波路型PPLNを両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させることを特徴とする偏光エンタングルド光子対発生装置。 A dichroic mirror that transmits 45-degree polarized light from the femtosecond pulse laser and reflects a photon pair in a polarization entangled state with a wavelength λ / 2; a non-polarizing beam splitter that splits the light transmitted through the dichroic mirror; A Sagnac interferometer that is connected to the non-polarizing beam splitter and is composed of a polarization-maintaining optical fiber incorporating a first waveguide type PPLN and a second waveguide type PPLN; in turn each of the first polarization component of the beam pumping the first waveguide PPLN, so that the polarization component of the second to pump said second waveguide PPLN, the first The waveguide-type PPLN and the second waveguide-type PPLN are in a polarization entangled state with a wavelength of 1550 nm by pumping light from a femtosecond pulse laser from both sides. Polarization-entangled photon pair generating apparatus characterized by generating child pairs.
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