JP5045743B2 - Single photon generator - Google Patents

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Description

本発明は、単一光子発生素子に励起光を照射して所望の波長の単一光子を発生させる単一光子発生装置に関する。   The present invention relates to a single photon generation device that generates single photons having a desired wavelength by irradiating single photon generation elements with excitation light.

電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。
暗号通信には、公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式が用いられている。公開暗号鍵方式では、解読に膨大な時間を必要とするので解読が困難であるという計算量的側面によってのみ安全性を保証されており、その安全性は完全ではない。また、秘密暗号鍵方式では、秘密鍵自体を二者に配信する際に盗聴されるおそれがあり、その安全性は完全ではない。For the realization of next-generation information society such as e-government and e-commerce, secure and reliable encryption communication is indispensable.
A public encryption key method or a secret encryption key method is used for encryption communication. In the public encryption key method, since the enormous amount of time is required for decryption, the security is guaranteed only by the computational aspect that the decryption is difficult, and the safety is not perfect. Further, in the secret encryption key method, there is a risk that the secret key itself may be wiretapped when it is distributed to the two parties, and its safety is not perfect.

このような安全性の問題を解決する手段として期待されているのが、１９８４年にＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄにより提案されたＢＢ８４型プロトコルに代表される量子暗号通信である。
このような量子暗号通信では、無条件の安全性を保証する鍵情報の担い手として単一の光子を用いる（例えば特許文献１参照）。What is expected as a means for solving such a safety problem is C.I. H. Bennett and G.M. Quantum cryptography communication represented by the BB84 type protocol proposed by Brassard.
In such quantum cryptography communication, a single photon is used as a bearer of key information that guarantees unconditional security (see, for example, Patent Document 1).

単一光子を発生する素子の有力候補として期待されるのが、光パルス励起によって光子を一つずつ発生することが可能な半導体量子ドットである。
最近、単一光子の生成効率を高めるため、極微細半導体突起構造（例えば特許文献２参照）、微小共振器（例えば非特許文献１参照）、微小メサ構造体（例えば非特許文献２参照）等の内部に量子ドットを配置することが提案されている。A promising candidate for an element that generates a single photon is a semiconductor quantum dot that can generate photons one by one by light pulse excitation.
Recently, in order to increase the generation efficiency of single photons, an ultrafine semiconductor protrusion structure (see, for example, Patent Document 2), a microresonator (see, for example, Non-Patent Document 1), a micromesa structure (for example, see Non-Patent Document 2), etc. It has been proposed to place quantum dots inside the.

ところで、量子暗号通信のスループットを高めるためには上記の生成効率のみならず、いかに長距離伝送用光ファイバと単一光子の生成源である微細構造体とを低損失で結合させ、かつ、挿入損失を増大させる要因となる伝送路上の光学素子をいかに減らすかが重要である。
このため、微細構造体（微細発光体）を光励起し、微細構造体が生成した単一光子を光ファイバに結合して集光するために、例えば図１３に示すような顕微発光測定系１００が用いられている。By the way, in order to increase the throughput of quantum cryptography communication, not only the above-mentioned generation efficiency but also how to combine the long-distance transmission optical fiber and the fine structure that is the generation source of single photons with low loss and insertion It is important how to reduce the number of optical elements on the transmission path that cause the loss to increase.
For this reason, in order to optically excite the fine structure (fine light emitter) and to combine the single photon generated by the fine structure with the optical fiber and collect the light, for example, a microluminescence measurement system 100 as shown in FIG. It is used.

このような顕微発光測定系１００では、図１３に示すように、単一光子を生成する微細構造体１０１を３次元移動ステージ１０２上の固定し、照明用光源１０３からの照明光をビームスプリッタ１０４ａ，１０４ｂ等を介して微細構造体１０１に照射して、微細構造体１０１をＣＣＤカメラ１０５及びモニタ１０６によって観察する。これらを観察光学系という。   In such a microluminescence measurement system 100, as shown in FIG. 13, a fine structure 101 that generates a single photon is fixed on a three-dimensional moving stage 102, and illumination light from an illumination light source 103 is transmitted to a beam splitter 104a. , 104b, etc., the fine structure 101 is irradiated, and the fine structure 101 is observed by the CCD camera 105 and the monitor 106. These are called observation optical systems.

一方、微細構造体１０１に単一光子を生成させるために、励起用レーザ１０８から出射される励起光を、観察光学系とは異なる光路１０９を通じ、誘電体ミラー１１０、対物レンズ１１１を介して微細構造体１０１上に照射する。これらを励起用レーザ光学系という。
励起光の照射によって微細構造体１０１が生成した単一光子は、集光レンズ１１２によって光ファイバ１１３に入射させ、検出器１１４へ伝送される。これを光ファイバ集光光学系という。On the other hand, in order to generate a single photon in the fine structure 101, the excitation light emitted from the excitation laser 108 passes through an optical path 109 different from that of the observation optical system and passes through the dielectric mirror 110 and the objective lens 111. The structure 101 is irradiated. These are called excitation laser optical systems.
Single photons generated by the fine structure 101 by the irradiation of the excitation light are incident on the optical fiber 113 by the condenser lens 112 and transmitted to the detector 114. This is called an optical fiber condensing optical system.

このように構成される顕微発光測定系１００は、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバ集光光学系の各々について調整の自由度が高く、光学台上に手軽に構築できる点で好ましい。
特開２０００−２９２８２１号公報 特開２００６−１８６０８４号公報 Matthew Pelton et al., "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity", Physical Review Letters, Vol.89, No.23, pp.233602-1-4, 2 December 2002 Kazuya Takemoto et al., "Non-classical Photon Emission from a Single InAs/InP Quantum Dot in the 1.3-μm Optical-Fiber Band", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.7B, 2004, pp.L993-L995 The microscopic luminescence measuring system 100 configured as described above is preferable in that it has a high degree of freedom of adjustment for each of the observation optical system, the excitation laser optical system, and the optical fiber condensing optical system, and can be easily constructed on an optical bench. .
JP 2000-292281 A JP 2006-186084 A Matthew Pelton et al., "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity", Physical Review Letters, Vol.89, No.23, pp.233602-1-4, 2 December 2002 Kazuya Takemoto et al., "Non-classical Photon Emission from a Single InAs / InP Quantum Dot in the 1.3-μm Optical-Fiber Band", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.7B, 2004, pp.L993 -L995

しかしながら、上述のような顕微発光測定系１００は、微細構造体１０１と光ファイバ端１１３ａとの間の光路上に、励起光１０９を導入するための誘電体ミラー１１０や、観察光学系のビームスプリッタ１０４ｂ等の光学素子が入るため、鏡筒長が長くなり微細構造体１０１と光ファイバ１１３との結合効率が落ち、微細構造体１０１から検出器１１４に到達するまでの損出が大きいという課題がある。   However, the microscopic luminescence measurement system 100 as described above includes the dielectric mirror 110 for introducing the excitation light 109 on the optical path between the microstructure 101 and the optical fiber end 113a, and the beam splitter of the observation optical system. Since an optical element such as 104b is inserted, the length of the lens barrel becomes long, the coupling efficiency between the fine structure 101 and the optical fiber 113 is reduced, and there is a problem that loss until the fine structure 101 reaches the detector 114 is large. is there.

また、観察光学系、励起用レーザ光学系、光ファイバ集光光学系の各々の調整の自由度が高すぎるため、ＣＣＤカメラ１０５による観察中心と、光ファイバ１１３の中心軸とを精度良く一致させるのは容易ではなく、微細構造体１０１が生成した単一光子を光ファイバ１１３に入射させるための高精度の位置決めが困難であるという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、単一光子発生素子が発生した単一光子を低損失で取り出すことができる単一光子発生装置を提供することを目的とする。Further, since the degrees of freedom of adjustment of the observation optical system, the excitation laser optical system, and the optical fiber condensing optical system are too high, the observation center by the CCD camera 105 and the central axis of the optical fiber 113 are made to coincide with each other with high accuracy. However, it is not easy, and there is a problem that it is difficult to position with high accuracy for making a single photon generated by the microstructure 101 incident on the optical fiber 113.
The present invention has been devised in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a single photon generator capable of taking out a single photon generated by a single photon generator with low loss.

本発明の一の観点によれば、単一光子発生素子と、単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子が発生した単一光子を第１光ファイバに入射させる集光光学系と、単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、励起光源からの励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、励起光源からの励起光が反射して集光光学系へ導かれるように第１光ファイバに介装されるとともに、所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたバンドパスフィルタとを備える単一光子発生装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a single photon generation element, an excitation light source that emits excitation light irradiated on the single photon generation element, and excitation light propagating from the excitation light source through the first optical fiber are provided. A condensing optical system for converging the single photon generating element on the first optical fiber while allowing the single photon generating element to be incident on the first optical fiber while condensing on the single photon generating element, and a desired one generated by the single photon generating element A transmission band that transmits the single photon wavelength and a suppression band that suppresses the wavelength of the excitation light from the excitation light source so that the excitation light from the excitation light source is reflected and guided to the condensing optical system There is provided a single photon generation device including a band pass filter interposed in a first optical fiber and connected to a second optical fiber for extracting a single photon having a desired wavelength.

また、本発明の他の観点によれば、単一光子発生素子と、単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子が発生した単一光子を第１光ファイバに入射させる集光光学系と、単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を抑圧する抑圧帯域と、励起光源からの励起光の波長を透過する透過帯域とを有し、励起光源からの励起光が透過して集光光学系へ導かれるように第１光ファイバに介装されるとともに、所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたノッチフィルタとを備える単一光子発生装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, a single photon generation element, an excitation light source that emits excitation light irradiated to the single photon generation element, and an excitation that propagates from the excitation light source through the first optical fiber. A condensing optical system for condensing light on a single photon generating element, and causing a single photon generated by the irradiation of excitation light to enter the first optical fiber and a single photon generating element are generated. A suppression band that suppresses the wavelength of the desired single photon and a transmission band that transmits the wavelength of the excitation light from the excitation light source, and the excitation light from the excitation light source is transmitted and guided to the condensing optical system. And a notch filter connected to the second optical fiber for taking out a single photon of a desired wavelength and provided in the first optical fiber are provided.

したがって、本発明の単一光子発生装置によれば、単一光子発生素子が発生した単一光子を低損失で取り出すことができるという利点がある。   Therefore, according to the single photon generating device of the present invention, there is an advantage that single photons generated by the single photon generating element can be extracted with low loss.

本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の変形例の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the single photon generator of the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the band pass filter with which the single photon generator of 1st Embodiment of this invention is equipped. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの透過特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic of the band pass filter with which the single photon generator of 1st Embodiment of this invention is equipped. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置に備えられるバンドパスフィルタの変形例の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the modification of the band pass filter with which the single photon generator of 1st Embodiment of this invention is equipped. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the quantum dot structure which comprises the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体の要部を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the principal part of the quantum dot structure which comprises the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を構成する量子ドット構造体からの反射光強度分布を可視化した模式図である。It is the schematic diagram which visualized the reflected light intensity distribution from the quantum dot structure which comprises the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置における集光位置の再最適化制御の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the re-optimization control of the condensing position in the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態の単一光子発生装置による効果を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the effect by the single photon generator of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the single photon generator of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態の単一光子発生装置に備えられるノッチフィルタの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the notch filter with which the single photon generator of 2nd Embodiment of this invention is equipped. 従来の微細構造体が生成した単一光子を集光するための集光装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the condensing apparatus for condensing the single photon which the conventional fine structure produced | generated.

符号の説明Explanation of symbols

１０，７０ 単一光子発生装置
１１ 単一光子発生素子
１２ クライオスタット
１３ 冷却台
１４ 冷凍機
１５ 冷媒給排管
１６ 光学窓
２０ 励起光源
２１，２３，２５，２８，３１ 光ファイバ
２２ １ｘ２カプラ
２２Ａサーキュレータ
２４ バンドパスフィルタ
２４Ａ 誘電体多層膜フィルタ
２４Ｂ エタロンフィルタ
２６ 入出力部
２７ 集光光学系
２７ａ，２７ｂ レンズ
２９ 光検出器
３２ 出力部
３３ 単一光子検出器
４１ ３軸ステージ
４２ ステージコントローラ
４３ 制御演算部
４４ 入力部
４５ メモリ
４６ 表示部
５０ 量子ドット構造体
５１ ＩｎＰ基板
５２ ＩｎＰバッファ層
５３ ＩｎＡｓ量子ドット
５４ 第１ＩｎＰダブルキャップ層
５５ 第２ＩｎＰダブルキャップ層
５６ ＩｎＰキャップ層
５８ 反射光強度分布
７１ ノッチフィルタ
７１Ａ 誘電体多層膜フィルタDESCRIPTION OF SYMBOLS 10,70 Single photon generator 11 Single photon generator 12 Cryostat 13 Cooling stand 14 Refrigerator 15 Refrigerant supply / discharge pipe 16 Optical window 20 Excitation light source 21, 23, 25, 28, 31 Optical fiber 22 1 × 2 coupler 22A circulator 24 Bandpass filter 24A Dielectric multilayer filter 24B Etalon filter 26 Input / output unit 27 Condensing optical system 27a, 27b Lens 29 Photo detector 32 Output unit 33 Single photon detector 41 Three-axis stage 42 Stage controller 43 Control operation unit 44 Input unit 45 Memory 46 Display unit 50 Quantum dot structure 51 InP substrate 52 InP buffer layer 53 InAs quantum dot 54 First InP double cap layer 55 Second InP double cap layer 56 InP cap layer 58 Reflected light intensity distribution 71 Notch Filter 71A dielectric multilayer film filter

以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる単一光子発生装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生装置について、図１〜図１０を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生装置１０は、図１に示すように、単一光子発生素子１１と、単一光子発生素子１１に照射される照明光を兼ねる励起光を出射する励起光源２０と、光ファイバ２１，２３，２５を伝搬し、入出力部２６から出射された励起光をコリメートして、単一光子発生素子１１に集光し、さらに単一光子発生素子１１からの反射光及び励起光の照射によって単一光子発生素子１１が発生した単一光子を再び入出力部２６に集光する集光光学系２７と、単一光子発生素子１１からの反射光の強度を検出する光検出器（反射光強度検出手段；パワーメータ）２９と、励起光の照射によって単一光子発生素子１１で生成され、集光光学系２７及び光ファイバ２５を伝搬してきた光の中から所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみを選別し、その他の光は反射によって抑圧するバンドパスフィルタ２４と、集光光学系２７に取り付けられ、励起光の集光位置を制御する３軸ステージ（位置制御機構）４１と、３軸ステージ４１を駆動制御するステージコントローラ４２と、ステージコントローラ４２及び光検出器２９等を制御する制御演算部（制御手段；制御ＰＣ）４３とを含むものとして構成される。Hereinafter, a single photon generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a single photon generator according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, a single photon generation apparatus 10 according to this embodiment includes a single photon generation element 11 and an excitation light source 20 that emits excitation light that also serves as illumination light applied to the single photon generation element 11. The pumping light propagating through the optical fibers 21, 23, 25, collimating the excitation light emitted from the input / output unit 26, condensing it on the single photon generation element 11, and further reflecting light from the single photon generation element 11 And a condensing optical system 27 for condensing the single photons generated by the single photon generating element 11 by the irradiation of the excitation light to the input / output unit 26 again, and the intensity of the reflected light from the single photon generating element 11 are detected. A light detector (reflected light intensity detecting means; power meter) 29 and a single photon generation element 11 generated by irradiation with excitation light, and a desired light out of the light propagated through the condensing optical system 27 and the optical fiber 25. Wavelength band (here 1.55 μm 3) which selects only a single photon of an arbitrary wavelength included in the optical filter) and suppresses other light by reflection, and a three-axis which is attached to the condensing optical system 27 and controls the condensing position of the excitation light. It includes a stage (position control mechanism) 41, a stage controller 42 for driving and controlling the three-axis stage 41, and a control arithmetic unit (control means; control PC) 43 for controlling the stage controller 42, the photodetector 29 and the like. Composed.

なお、本明細書において、単一光子とは１つの光子しか含まない光のパルスを意味する。
この単一光子発生装置１０では、励起光と照明光を共通化することにより、単一光子発生素子１１の単一光子発生源である量子ドット構造体５０に容易に集光でき、かつ、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の光学部品数を低減できる。In the present specification, a single photon means a pulse of light containing only one photon.
In this single photon generation device 10, by sharing the excitation light and the illumination light, the single photon generation device 10 can easily collect light on the quantum dot structure 50 that is a single photon generation source of the single photon generation element 11, and light The number of optical components between the input / output unit 26 of the fiber 25 and the single photon generating element 11 can be reduced.

特に、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにして、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用することで、励起光を導入し、反射光を反射によって抑圧し、背景光を低減することができ、これにより、光ファイバ２５の入出力部２６と出力部３２との間の光学部品数も低減でき、この結果、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置１０を実現できることになる。   In particular, by using the suppression band of the bandpass filter 24 so that the wavelength of the excitation light falls within the suppression band of the bandpass filter 24, the excitation light is introduced, the reflected light is suppressed by reflection, and the background light is reduced. As a result, the number of optical components between the input / output unit 26 and the output unit 32 of the optical fiber 25 can also be reduced. As a result, the cost can be reduced and the space can be saved, and the low loss The single photon generator 10 can be realized.

以下、単一光子発生装置１０の各構成要素を説明する。
励起光源２０は、レーザ光源（例えばＤＦＢレーザなど）であり、単一光子発生素子１１を励起しうる波長のレーザ光（励起光）を出射可能であれば、その種類は特に限定されないが、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにする必要がある。Hereinafter, each component of the single photon generator 10 will be described.
The excitation light source 20 is a laser light source (for example, a DFB laser), and the type thereof is not particularly limited as long as it can emit laser light (excitation light) having a wavelength capable of exciting the single photon generation element 11. It is necessary for the wavelength of light to fall within the suppression band of the bandpass filter 24.

この場合、単一光子の波長λcに近い長波長λexc（＝λc−Δλ）の励起光を用いることになるため、励起光源２０は、共鳴励起又は近共鳴励起を生じさせうる波長の励起光を出射可能なものを用いるのが好ましい。例えば波長１．５５μｍ帯に含まれる任意の波長の単一光子を取り出す場合、波長１．４μｍ以上のレーザ光を出射するレーザダイオードを用いるのが好ましい。In this case, since excitation light having a long wavelength λ exc (= λ c −Δλ) close to the wavelength λ c of a single photon is used, the excitation light source 20 has a wavelength that can cause resonance excitation or near resonance excitation. It is preferable to use one that can emit excitation light. For example, when taking out a single photon having an arbitrary wavelength included in the 1.55 μm wavelength band, it is preferable to use a laser diode that emits a laser beam having a wavelength of 1.4 μm or more.

このように、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにすることで（即ち、単一光子の波長に近い長波長の励起光を用いることで）、背景光（ノイズ）を除去するためにローパスフィルタを設ける必要がなくなる。この場合、共鳴励起又は近共鳴励起を利用することで、単一光子の光強度を増大させることができ、これにより、十分な効率を確保できることになる。   In this way, by making the wavelength of the excitation light fall within the suppression band of the bandpass filter 24 (that is, by using excitation light having a long wavelength close to the wavelength of a single photon), background light (noise) is reduced. There is no need to provide a low-pass filter for removal. In this case, by using resonance excitation or near resonance excitation, the light intensity of a single photon can be increased, thereby ensuring sufficient efficiency.

特に、励起光は、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状を観察・測定するための照明光としても用いられる。これにより、別途、照明用の光源，光路，反射された照明光を取り出すためのカプラ等を設ける必要がなくなるため、光学的な損失を抑制できることになる。
光ファイバ２１，２３，２５，２８，３１としては、シングルモード光ファイバが用いられる。In particular, the excitation light is also used as illumination light for observing and measuring the shape of the quantum dot structure 50 of the single photon generation element 11. Accordingly, it is not necessary to separately provide a light source for illumination, an optical path, a coupler for extracting reflected illumination light, and the like, so that optical loss can be suppressed.
Single-mode optical fibers are used as the optical fibers 21, 23, 25, 28, and 31.

１ｘ２カプラ（分波器）２２は、励起光源２０に光ファイバ（第１光ファイバ）２１を介して接続されたフォワードポート（Forward Port）と、光検出器２９に光ファイバ（第２光ファイバ）２８を介して接続されたリターンポート（Return Port）と、バンドパスフィルタ２４に光ファイバ（第１光ファイバ）２３を介して接続されたコムポート（Com Port）とを有している。つまり、１ｘ２カプラ２２は、図１に示すように、励起光源２０とバンドパスフィルタ２４との間の光ファイバ（第１光ファイバ）２１，２３に介装されている。   The 1 × 2 coupler (demultiplexer) 22 includes a forward port connected to the excitation light source 20 via an optical fiber (first optical fiber) 21, and an optical fiber (second optical fiber) connected to the photodetector 29. 28, and a return port (Return Port) connected via the optical fiber 28 and a com port connected to the bandpass filter 24 via the optical fiber (first optical fiber) 23. That is, the 1 × 2 coupler 22 is interposed in the optical fibers (first optical fibers) 21 and 23 between the excitation light source 20 and the band pass filter 24 as shown in FIG.

なお、ここでは、１ｘ２カプラ２２を用いているが、これに限定されるものではなく、上記の機能を有する分波器であれば良い。例えば２ｘ２カプラなどの他の構成のカプラを用いても良い。また、例えば図２に示すように、光サーキュレータ（分波器）２２Ａを用いることもできる。
バンドパスフィルタ２４は、図１に示すように、励起光源２０からの励起光（例えば波長１．４μｍ以上の励起光）が反射して集光光学系２７へ導かれ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光が反射して１ｘ２カプラ２２へ導かれるように、光ファイバ（第１光ファイバ）２３と光ファイバ（第１光ファイバ）２５との間に介装される。また、バンドパスフィルタ２４は、単一光子発生素子１１が発生した所望の波長の単一光子（例えば波長１．５５μｍ帯に含まれる任意の波長の単一光子）を取り出すための光ファイバ（第２光ファイバ）３１に接続されている。Although the 1 × 2 coupler 22 is used here, the present invention is not limited to this, and any duplexer having the above function may be used. For example, a coupler having another configuration such as a 2 × 2 coupler may be used. Further, for example, as shown in FIG. 2, an optical circulator (branching filter) 22A can be used.
As shown in FIG. 1, the bandpass filter 24 reflects the excitation light from the excitation light source 20 (for example, excitation light having a wavelength of 1.4 μm or more) and guides it to the condensing optical system 27, and generates a single photon. It is interposed between the optical fiber (first optical fiber) 23 and the optical fiber (first optical fiber) 25 so that the reflected light from the element 11 is reflected and guided to the 1 × 2 coupler 22. Further, the band pass filter 24 is an optical fiber (first optical fiber) for taking out a single photon having a desired wavelength generated by the single photon generating element 11 (for example, a single photon having an arbitrary wavelength included in the wavelength 1.55 μm band). 2 optical fiber) 31.

つまり、バンドパスフィルタ２４は、図３に示すように、トランスミッションポート（Transmission Port）と、リフレクションポート（Reflection Port）と、コモンポート（Common Port）とを備え、リフレクションポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２３が接続されており、コモンポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２５が接続されており、トランスミッションポートに光ファイバ（第２光ファイバ）３１が接続されている。   That is, as shown in FIG. 3, the bandpass filter 24 includes a transmission port, a reflection port, and a common port, and an optical fiber (first light) is provided in the reflection port. Fiber) 23 is connected, an optical fiber (first optical fiber) 25 is connected to the common port, and an optical fiber (second optical fiber) 31 is connected to the transmission port.

また、バンドパスフィルタ２４は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを含むものとして構成される。
ここで、誘電体多層膜フィルタ２４Ａの透過特性は、例えば図４に示すようになっている。つまり、誘電体多層膜フィルタ２４Ａは、単一光子発生素子１１が発生した単一光子のうち所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別しうるように、所望の単一光子の波長λcを透過する狭帯域の透過帯域と、透過帯域を挟んで両側に隣接し、励起光源２０からの励起光の波長λexc（＝λc−Δλ）を抑圧する抑圧帯域（例えば光強度が３０ｄＢ以上抑圧される帯域）とを有するものとして構成される。The band pass filter 24 is configured to include a dielectric multilayer filter 24A.
Here, the transmission characteristics of the dielectric multilayer filter 24A are, for example, as shown in FIG. That is, the dielectric multilayer filter 24A can select a single photon having an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band (here, 1.55 μm band) among the single photons generated by the single photon generation element 11. As described above, the narrow-band transmission band that transmits the wavelength λ c of the desired single photon and the wavelength λ exc (= λ c −Δλ) of the excitation light from the excitation light source 20 that are adjacent to both sides across the transmission band. And a suppression band (for example, a band in which the light intensity is suppressed by 30 dB or more).

ここでは、上述のように、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにしているため、励起光源２０からの励起光はバンドパスフィルタ２４で反射して抑圧され、また、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光もバンドパスフィルタ２４で反射して抑圧されることになる。
つまり、図３に示すように、光ファイバ２３を介してバンドパスフィルタ２４のリフレクションポートから入ってきた励起光は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａで反射してコモンポートに結合し、光ファイバ２５を介して単一光子発生素子１１へ送られるようになっている。また、光ファイバ２５を介してバンドパスフィルタ２４のコモンポートから入ってきた反射光は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａで反射してリフレクションポートに結合し、光ファイバ２３を介して光検出器２９へ送られるようになっている。Here, as described above, since the wavelength of the pumping light falls within the suppression band of the bandpass filter 24, the pumping light from the pumping light source 20 is reflected and suppressed by the bandpass filter 24. The reflected light of the excitation light from the one-photon generation element 11 is also reflected and suppressed by the band pass filter 24.
That is, as shown in FIG. 3, the excitation light that has entered from the reflection port of the bandpass filter 24 via the optical fiber 23 is reflected by the dielectric multilayer filter 24A and coupled to the common port, and the optical fiber 25 is Via a single photon generating element 11. Reflected light that has entered from the common port of the bandpass filter 24 via the optical fiber 25 is reflected by the dielectric multilayer filter 24A and coupled to the reflection port, and then to the photodetector 29 via the optical fiber 23. It is supposed to be sent.

一方、光ファイバ２５を介してバンドパスフィルタ２４のコモンポートから入ってきた単一光子は、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを透過してトランスミッションポートに結合し、光ファイバ３１を介して取り出されるようになっている。
このように、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用して（即ち、狭帯域バンドパスフィルタの中心波長近傍で最も抑圧が大きくなる特性を利用して）、図１に示すように、励起光源２０から光ファイバ２１，２３を介して伝搬してくる励起光を光ファイバ２５に反射・結合させるとともに、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に反射・結合させるようにして、励起光や反射光が単一光子を取り出す出力部３２側へ伝播しないようにする一方、バンドパスフィルタ２４の透過帯域を利用して、単一光子発生素子１２によって生成された単一光子を透過させて取り出すようにしている。また、バンドパスフィルタ２４によって背景光（ノイズ）も除去されることになる。On the other hand, single photons that have entered from the common port of the bandpass filter 24 via the optical fiber 25 are transmitted through the dielectric multilayer filter 24A, coupled to the transmission port, and taken out via the optical fiber 31. It has become.
In this way, by using the suppression band of the bandpass filter 24 (that is, by using the characteristic that suppression is greatest near the center wavelength of the narrowband bandpass filter), as shown in FIG. The excitation light propagating from the optical fiber 21 and 23 through the optical fibers 21 and 23 is reflected and coupled to the optical fiber 25, and the reflected light from the single photon generating element 11 is reflected and coupled to the optical fiber 23, thereby exciting the excitation light. While preventing light and reflected light from propagating to the output unit 32 side for extracting a single photon, the single photon generated by the single photon generating element 12 is transmitted using the transmission band of the bandpass filter 24. I try to take it out. Further, background light (noise) is also removed by the band pass filter 24.

なお、本実施形態では、バンドパスフィルタ２４を、誘電体多層膜フィルタ２４Ａを含むものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば図５に示すように、エタロンフィルタ２４Ｂを含むものとして構成しても良い。
集光光学系２７は、図１に示すように、励起光源２０から光ファイバ（第１光ファイバ）２１，２３，２５を介して伝播する励起光を単一光子発生素子１１に集光させる一方、励起光の照射によって単一光子発生素子１１が発生した単一光子を光ファイバ（第１光ファイバ）２５に入射させるように構成されている。In the present embodiment, the band pass filter 24 is configured to include the dielectric multilayer filter 24A, but is not limited thereto, and includes, for example, an etalon filter 24B as shown in FIG. You may comprise as a thing.
As shown in FIG. 1, the condensing optical system 27 condenses the excitation light propagating from the excitation light source 20 through the optical fibers (first optical fibers) 21, 23, 25 on the single photon generation element 11. The single photon generated by the single photon generating element 11 by the irradiation of the excitation light is made incident on the optical fiber (first optical fiber) 25.

具体的には、集光光学系２７は、入出力部２６から空間に出射された励起光を平行光に変換するレンズ２７ａと、さらに平行光に変換された励起光を単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光するレンズ２７ｂからなる。これらのレンズ２７ａ，２７ｂは、３軸ステージ４１によって、励起光が単一光子発生素子１１の表面に集光するとともに、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光が入出力部２６の端面に集光するように位置決めされる。なお、集光光学系２７の構成は、これに限られるものではなく、上記の機能を有するものであれば良い。例えば単レンズあるいは３枚以上のレンズを用いたものでも良い。   Specifically, the condensing optical system 27 includes a lens 27a that converts the excitation light emitted from the input / output unit 26 into the space into parallel light, and further converts the excitation light converted into parallel light into the single photon generation element 11. Lens 27b that collects light on the quantum dot structure 50. These lenses 27 a and 27 b collect excitation light on the surface of the single photon generation element 11 by the triaxial stage 41 and reflect reflected light of the excitation light from the single photon generation element 11 in the input / output unit 26. Positioned to collect light on the end face. In addition, the structure of the condensing optical system 27 is not restricted to this, What is necessary is just to have said function. For example, a single lens or three or more lenses may be used.

単一光子発生素子１１は、励起光の照射によって、励起光の波長と異なる波長の単一光子を発生するものであれば特に限定されないが、ここでは、単一光子発生源として量子ドット構造体５０を有するものとして構成している。例えば波長１．５５μｍ帯の単一光子を取り出す場合、波長１．４μｍ以上の励起光によって共鳴励起又は近共鳴励起されるものが好ましい。   The single photon generating element 11 is not particularly limited as long as it generates a single photon having a wavelength different from the wavelength of the excitation light when irradiated with the excitation light. Here, a quantum dot structure is used as a single photon generation source. 50. For example, when taking out a single photon having a wavelength of 1.55 μm, one that is resonantly excited or near-resonantly excited by excitation light having a wavelength of 1.4 μm or more is preferable.

量子ドット構造体５０としては、公知の量子ドット構造体を用いることができるが、以下、一例を挙げて説明する。
図６は、量子ドット構造体５０の模式的斜視図、図７は、量子ドット構造体５０の要部断面図であり、図６に示す量子ドット構造体５０の頂上付近を拡大した断面図である。なお、図６に示したＸ軸及びＹ軸は量子ドット構造体５０の頂上面に平行な面内の互いに直行する２つの軸であり、Ｚ軸は頂上面に垂直な軸である。As the quantum dot structure 50, a known quantum dot structure can be used. Hereinafter, an example will be described.
FIG. 6 is a schematic perspective view of the quantum dot structure 50, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part of the quantum dot structure 50. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the top of the quantum dot structure 50 shown in FIG. is there. 6 are two axes orthogonal to each other in a plane parallel to the top surface of the quantum dot structure 50, and the Z axis is an axis perpendicular to the top surface.

量子ドット構造体５０は、図６及び図７に示すように、円錐台形状のメサ構造を有し、励起光の照射によって互いに波長の異なる複数の単一光子を生成しうるように、互いに大きさの異なる複数の量子ドット５３を有するものとして構成される。量子ドット構造体５０の頂上面は、図７に示すＩｎＰキャップ層５６の表面によって構成される。
なお、量子ドット構造体５０の形状はこれに限られるものではなく、例えば図６に示すものよりも高さが低くても良いし、頂上面の面積が広くても良い。As shown in FIGS. 6 and 7, the quantum dot structure 50 has a frustoconical mesa structure and is large enough to generate a plurality of single photons having different wavelengths by irradiation with excitation light. It is configured as having a plurality of quantum dots 53 of different sizes. The top surface of the quantum dot structure 50 is constituted by the surface of the InP cap layer 56 shown in FIG.
In addition, the shape of the quantum dot structure 50 is not restricted to this, For example, height may be lower than what is shown in FIG. 6, and the area of a top surface may be large.

ここでは、量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ量子ドットを有するものとして構成される。
具体的には、量子ドット構造体５０は、図６に示すように、ＩｎＰ基板５１上に形成されたＩｎＰバッファ層５２（例えば厚さ２００ｎｍ）と、ＩｎＰバッファ層５２の表面に形成された複数のＩｎＡｓ量子ドット５３と、ＩｎＰバッファ層５２の表面とＩｎＡｓ量子ドット５３を覆う第１ＩｎＰダブルキャップ層５４（例えば厚さ２ｎｍ）及び第２ＩｎＰダブルキャップ層５５（例えば厚さ１８ｎｍ）と、その上に形成されたＩｎＰキャップ層５６（例えば厚さ１００ｎｍ）とからなる。Here, the quantum dot structure 50 is configured to have InAs / InP quantum dots.
Specifically, as shown in FIG. 6, the quantum dot structure 50 includes an InP buffer layer 52 (for example, a thickness of 200 nm) formed on the InP substrate 51 and a plurality of layers formed on the surface of the InP buffer layer 52. InAs quantum dots 53, a first InP double cap layer 54 (for example, 2 nm thick) and a second InP double cap layer 55 (for example, 18 nm thick) covering the surface of the InP buffer layer 52 and the InAs quantum dots 53, The formed InP cap layer 56 (for example, with a thickness of 100 nm).

そして、ＩｎＰバッファ層５２の表面には、図７に示すように、複数の異なる底面直径及び高さＨQDを有するＩｎＡｓ量子ドット５３が形成されている。ＩｎＡｓ量子ドット５３は、ＩｎＰキャップ層５６側からの励起光の照射によって単一光子を発生する。この単一光子は全方位的に放出されるが、よく設計されたメサ構造を用いることで、励起光の入射側により多く進行させることが可能である。単一光子の波長は、ＩｎＡｓ量子ドット５３の底面直径及び高さＨQDに応じて決定される。例えば、底面直径あるいは高さＨQDが大きいほど単一光子の波長は長くなる。但し、高さＨQDは、ＩｎＡｓの分子数に応じた離散的な値になるため、各ＩｎＡｓ量子ドット５３が発光する単一光子は異なる波長を有するものとなるが、バンドパスフィルタ２４によって選別することで所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を取り出すことができる。As shown in FIG. 7, a plurality of InAs quantum dots 53 having different bottom surface diameters and heights H QD are formed on the surface of the InP buffer layer 52. The InAs quantum dots 53 generate single photons when irradiated with excitation light from the InP cap layer 56 side. This single photon is emitted omnidirectionally, but by using a well-designed mesa structure, it is possible to advance more on the incident side of the excitation light. The wavelength of a single photon is determined according to the bottom diameter and height H QD of the InAs quantum dot 53. For example, the larger the bottom diameter or height H QD, the longer the wavelength of a single photon. However, since the height H QD is a discrete value corresponding to the number of InAs molecules, single photons emitted from each InAs quantum dot 53 have different wavelengths, but are selected by the bandpass filter 24. By doing so, it is possible to take out a single photon of an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band (for example, 1.55 μm band).

この点、本発明者等の検討によれば、このような構造の量子ドット構造体のＩｎＡｓ量子ドットから通信波長帯（波長１．３μｍ〜１．５５μｍ）において離散的でかつ波長幅の狭い輝線が得られることが知得されている（例えばJapanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.3A, 2004, pp.L349-L351参照）。また、量子ドット構造体から上記の輝線の波長の単一光子が得られることが知得されている（例えばJapanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.7B, 2004, pp.L993-L995参照）。   In this regard, according to the study by the present inventors, the InAs quantum dots of the quantum dot structure having such a structure are discrete and narrow emission lines in the communication wavelength band (wavelengths 1.3 μm to 1.55 μm). (See, for example, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 3A, 2004, pp. L349-L351). In addition, it is known that single photons having the wavelength of the above-mentioned emission line can be obtained from a quantum dot structure (see, for example, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 7B, 2004, pp. L993-L995). ).

量子ドット構造体５０は、ＩｎＡｓ量子ドット５３がメサ構造のＩｎＰバッファ層５２上に１個以上配置されている。
例えば、このような量子ドット構造体５０に波長１．４μｍ以上のパルスレーザ光が励起光として照射されると、１パルスの励起光の照射で、波長１．３μｍ〜１．５５μｍであって、励起光の波長よりも長波長側の波長帯において離散的な波長の単一光子が得られる。In the quantum dot structure 50, one or more InAs quantum dots 53 are arranged on an InP buffer layer 52 having a mesa structure.
For example, when pulse laser light having a wavelength of 1.4 μm or more is irradiated as excitation light to such a quantum dot structure 50, the wavelength is 1.3 μm to 1.55 μm by irradiation with one pulse of excitation light, Single photons having discrete wavelengths can be obtained in a wavelength band longer than the wavelength of the excitation light.

なお、このような量子ドット構造体５０の形成方法等は特開２００６−２２９６０８号公報に記載された方法を用いることができる。
ところで、単一光子発生素子１１は、図１に示すように、クライオスタット１２内の冷却台１３上に載置され、収容される。冷却台１３には冷凍機１４から冷媒給排管１５を介して液体ヘリウムが供給され、単一光子発生素子１１が１０Ｋ程度の温度に冷却される。励起光は、クライオスタット１２に設けられた光学窓１６を介して、単一光子発生素子１１に集光される。なお、図示しない真空ポンプによってクライオスタット１２内は真空に保持される。また、室温で発光可能な単一光子発生素子１１を用いた場合は、冷却台１３、冷媒給排管１５及び冷凍機１４は設けなくても良い。さらに、温度を１０Ｋ程度の低温にする必要がない場合は、冷媒として液体窒素などを利用することも可能である。なお、集光光学系２７もクライオスタット１２内に収容されるようにしても良い。In addition, the method described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-229608 can be used for the formation method of such a quantum dot structure 50, etc.
By the way, the single photon generating element 11 is placed and accommodated on a cooling table 13 in a cryostat 12 as shown in FIG. Liquid helium is supplied to the cooling table 13 from the refrigerator 14 through the refrigerant supply / exhaust pipe 15, and the single photon generating element 11 is cooled to a temperature of about 10K. The excitation light is condensed on the single photon generation element 11 through the optical window 16 provided in the cryostat 12. Note that the inside of the cryostat 12 is kept in a vacuum by a vacuum pump (not shown). Further, when the single photon generating element 11 capable of emitting light at room temperature is used, the cooling table 13, the refrigerant supply / discharge pipe 15 and the refrigerator 14 may not be provided. Furthermore, when the temperature does not need to be as low as about 10K, liquid nitrogen or the like can be used as the refrigerant. The condensing optical system 27 may also be accommodated in the cryostat 12.

３軸ステージ４１は、その上に集光光学系２７が載置され、例えば集光光学系２７の光軸方向及び光軸方向に直交する平面内の２軸方向に動作可能である。３軸ステージ４１によって集光光学系２７をその光軸方向に動作させることで、例えば図６に示した単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の表面に合焦するように励起光を集光させることができる。また、３軸ステージ４１によって集光光学系２７を光軸方向に直交する平面内の２軸方向（図６に示すＸ軸及びＹ軸方向）に動作させることで、量子ドット構造体５０の表面を励起光によって走査することが可能となる。   The triaxial stage 41 has the condensing optical system 27 mounted thereon, and can operate in, for example, an optical axis direction of the condensing optical system 27 and a biaxial direction in a plane orthogonal to the optical axis direction. By operating the condensing optical system 27 in the optical axis direction by the triaxial stage 41, for example, the excitation light is focused so as to focus on the surface of the quantum dot structure 50 of the single photon generating element 11 shown in FIG. It can be condensed. Further, the surface of the quantum dot structure 50 is obtained by operating the condensing optical system 27 in the biaxial direction (X-axis and Y-axis directions shown in FIG. 6) in a plane orthogonal to the optical axis direction by the triaxial stage 41. Can be scanned with excitation light.

光検出器（反射光強度検出手段）２９は、単一光子発生素子１１からの反射光の強度を検出するものであり、図１に示すように、１ｘ２カプラ２２に光ファイバ（第３光ファイバ）２８を介して接続されている。なお、光検出器２９として、分光器を用いても良く、この場合、反射光波長のパワースペクトルが検出されることになる。
制御演算部（制御手段；コントローラ）４３は、例えばパーソナルコンピュータである。ここでは、制御演算部４３には、光検出器２９から反射光の強度データが供給され、ステージコントローラ４２から３軸ステージ４１の位置情報（例えば基準位置からの３軸方向への移動距離等）が供給される。そして、制御演算部４３は、３軸ステージ４１を制御して、光検出器２９によって検出された反射光の強度に基づいて集光光学系２７によって集光される励起光の集光位置を制御するようになっている。The photodetector (reflected light intensity detecting means) 29 detects the intensity of the reflected light from the single photon generating element 11 and, as shown in FIG. 1, an optical fiber (third optical fiber) is connected to the 1 × 2 coupler 22. ) 28. A spectroscope may be used as the light detector 29. In this case, the power spectrum of the reflected light wavelength is detected.
The control calculation unit (control means; controller) 43 is, for example, a personal computer. Here, the control calculation unit 43 is supplied with the intensity data of the reflected light from the photodetector 29, and the position information of the three-axis stage 41 from the stage controller 42 (for example, the movement distance in the three-axis direction from the reference position). Is supplied. Then, the control calculation unit 43 controls the triaxial stage 41 to control the condensing position of the excitation light condensed by the condensing optical system 27 based on the intensity of the reflected light detected by the photodetector 29. It is supposed to be.

また、制御演算部４３には、図１に示すように、入力部４４、メモリ４５、表示部４６が接続されている。
ここで、入力部は、例えばキーボードであり、制御演算部４３への命令や条件設定等の入力を行なうものである。また、メモリ４５は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等の半導体メモリ、ハードディスク装置、磁気テープ装置等の磁気記憶装置、光ディスク装置等である。メモリ４５には、制御演算部４３で実行されるプログラムや量子ドット構造体５０の表面形状情報のデータが記憶されている。また、表示部４６は、例えばモニタであり、量子ドット構造体５０の反射光強度分布や反射光の現時点での強度等が表示される。Further, as shown in FIG. 1, an input unit 44, a memory 45, and a display unit 46 are connected to the control calculation unit 43.
Here, the input unit is, for example, a keyboard, and inputs commands, condition settings, and the like to the control calculation unit 43. The memory 45 is, for example, a semiconductor memory such as a RAM or a ROM, a magnetic storage device such as a hard disk device or a magnetic tape device, or an optical disk device. The memory 45 stores a program executed by the control calculation unit 43 and data on the surface shape information of the quantum dot structure 50. The display unit 46 is a monitor, for example, and displays the reflected light intensity distribution of the quantum dot structure 50, the current intensity of the reflected light, and the like.

また、制御演算部４３は、メモリ４５等に記憶されたプログラムを実行することによって、単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の表面からの反射光の強度データ（即ち、光検出器２９によって検出された反射光強度データ）及び３軸ステージ４１の位置情報に基づいて単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得する形状情報取得手段、形状情報取得手段によって得られた形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化する集光位置最適化手段、及び、励起光の集光位置のドリフト補償手段等として機能する。   Further, the control calculation unit 43 executes the program stored in the memory 45 or the like, thereby executing intensity data (that is, the photodetector 29) of the reflected light from the surface of the quantum dot structure 50 of the single photon generation element 11. Obtained by the shape information acquisition means and the shape information acquisition means for acquiring the shape information of the quantum dot structure 50 of the single photon generation element 11 based on the position information of the triaxial stage 41). It functions as a condensing position optimizing means for optimizing the condensing position of the excitation light based on the shape information and a drift compensating means for the condensing position of the excitation light.

形状情報取得手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して、集光光学系２７による励起光の集光位置を図６に示した量子ドット構造体５０のＸＹ平面において走査させ、光検出器２９によって検出された反射光の強度（あるいは反射光波長のパワースペクトル）を取得する。また、形状情報取得手段は、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する。そして、形状情報取得手段は、励起光の集光位置と反射光強度とを対応づけた反射光強度分布を取得し、これを量子ドット構造体５０の形状情報としてメモリ４５に記憶させる。   The shape information acquisition means controls the triaxial stage 41 via the stage controller 42 to scan the condensing position of the excitation light by the condensing optical system 27 on the XY plane of the quantum dot structure 50 shown in FIG. The intensity of the reflected light (or the power spectrum of the reflected light wavelength) detected by the photodetector 29 is acquired. Further, the shape information acquisition means acquires position information of the three-axis stage 41 (or the stage controller 42) (that is, position information of the excitation light condensing position). Then, the shape information acquisition unit acquires a reflected light intensity distribution in which the excitation light condensing position and the reflected light intensity are associated with each other, and stores this in the memory 45 as the shape information of the quantum dot structure 50.

ここで、図８は、量子ドット構造体５０からの反射光強度分布を可視化した模式図である。なお、図８のＸ軸及びＹ軸の座標は集光位置の位置情報を示しており、図６のＸ軸及びＹ軸に対応している。また、図８のＸＹ平面に垂直な方向に反射光強度を示している。また、データ点は離散的に得られるが、図８ではデータ点間を補間して模式的に示している。   Here, FIG. 8 is a schematic diagram in which the reflected light intensity distribution from the quantum dot structure 50 is visualized. Note that the coordinates of the X axis and the Y axis in FIG. 8 indicate the position information of the light collection position, and correspond to the X axis and the Y axis in FIG. Further, the reflected light intensity is shown in the direction perpendicular to the XY plane of FIG. Further, although data points are obtained discretely, FIG. 8 schematically shows data points interpolated.

図８に示すように、反射光強度分布５８は、量子ドット構造体５０の頂上面の中心において反射光強度が最大となり、量子ドット構造体５０の側面では頂上面から離れるほど反射光強度が小さくなり、量子ドット構造体５０と類似した形状となる。このため、本実施形態では、形状情報取得手段は、反射光強度分布５８を量子ドット構造体５０の形状情報として取得するようにしている。   As shown in FIG. 8, the reflected light intensity distribution 58 has a maximum reflected light intensity at the center of the top surface of the quantum dot structure 50, and the reflected light intensity decreases with increasing distance from the top surface on the side surface of the quantum dot structure 50. Thus, the shape is similar to that of the quantum dot structure 50. For this reason, in this embodiment, the shape information acquisition unit acquires the reflected light intensity distribution 58 as the shape information of the quantum dot structure 50.

集光位置最適化手段は、形状情報取得手段によって取得された量子ドット構造体５０の形状情報としての反射光強度分布のデータに基づいて励起光の集光位置を最適化する。
具体的には、集光位置最適化手段は、反射光強度の最大点を最適な集光位置として決定する。例えば、互いに異なるＹ軸上の５つの座標点Ｙ１〜Ｙ５を通り、Ｘ軸に平行な５つの直線Ｌ１〜Ｌ５上で反射光強度が最大になる点Ｍ１〜Ｍ５を求め、これらの点Ｍ１〜Ｍ５の中の最大になる点（例えばＭ３）のＸ座標及びＹ座標を最適な集光位置として決定する。The condensing position optimizing unit optimizes the condensing position of the excitation light based on the reflected light intensity distribution data as the shape information of the quantum dot structure 50 acquired by the shape information acquiring unit.
Specifically, the condensing position optimization means determines the maximum point of the reflected light intensity as the optimum condensing position. For example, points M1 to M5 where the reflected light intensity is maximized on five straight lines L1 to L5 passing through five coordinate points Y1 to Y5 on different Y axes and parallel to the X axis are obtained. The X coordinate and the Y coordinate of the maximum point (for example, M3) in M5 are determined as the optimum condensing position.

そして、集光位置最適化手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を、上述のようにして決定された最適な集光位置に設定する。これにより、励起光の集光位置は、量子ドット構造体５０の頂上面の中心位置に位置合わせされることになる。
ところで、上述のようにして、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって励起光の集光位置が最適化されるが、励起光を単一光子発生素子１１に照射し続けると冷却台１３の熱ドリフトによって集光位置がずれてしまい、単一光子の生成が停止してしまう場合がある。このように、集光位置の位置ずれが生じると反射光強度（反射光量）は減少することになる。Then, the condensing position optimizing unit controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42 and sets the condensing position of the excitation light to the optimum condensing position determined as described above. Thereby, the condensing position of excitation light is aligned with the center position of the top surface of the quantum dot structure 50.
By the way, as described above, the condensing position of the excitation light is optimized by the shape information acquisition means and the condensing position optimization means. If the single photon generation element 11 is continuously irradiated with the excitation light, the cooling table 13 is used. In some cases, the position of condensing shifts due to thermal drift, and generation of single photons stops. As described above, when the condensing position is displaced, the reflected light intensity (the amount of reflected light) decreases.

このため、本実施形態では、ドリフトによる集光位置の位置ずれを補償するドリフト補償手段として、反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量（反射光量の減少量）に応じて励起光の集光位置の位置ずれを補償する集光位置ずれ補償手段を備える。
集光位置ずれ補償手段は、単一光子発生装置１０が動作中、即ち、励起光が単一光子発生素子１１に照射されている間、反射光強度（反射光量）をモニタし、前回最適化制御が行なわれた際の最適な集光位置における反射光強度（反射光量）を基準とする反射光強度の低下量（反射光量の減少量）が、第１の閾値を超えた場合に、以下の位置ずれ補償制御（ドリフト補償制御）を行なう。For this reason, in this embodiment, as a drift compensation unit that compensates for the misalignment of the condensing position due to drift, excitation is performed according to the amount of decrease in reflected light intensity (amount of decrease in reflected light amount) detected by the reflected light intensity detection unit. Condensing position deviation compensation means for compensating for the positional deviation of the light collecting position is provided.
The condensing position deviation compensation means monitors the reflected light intensity (reflected light amount) while the single photon generation device 10 is operating, that is, while the excitation light is applied to the single photon generation element 11, and is optimized last time. When the amount of decrease in reflected light intensity (amount of decrease in reflected light amount) based on the reflected light intensity (reflected light amount) at the optimum light condensing position when control is performed exceeds the first threshold, the following Misalignment compensation control (drift compensation control).

集光位置ずれ補償手段は、位置ずれ補償制御として、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えた場合に、３軸ステージ４１を制御して集光位置をＸ軸方向及びＹ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これに基づいて集光位置を再設定する。
また、本実施形態では、反射光強度の低下量が第１の閾値よりも所定値だけ大きい値に設定される第２の閾値を超えた場合は、上述の形状情報取得手段及び集光位置最適化手段による集光位置最適化制御（再最適化）を行なうようにしている。The condensing position deviation compensation means controls the three-axis stage 41 to control the condensing position in the X-axis direction and the Y-axis direction when the amount of decrease in reflected light intensity exceeds the first threshold as the position deviation compensation control. The position information of the three-axis stage 41 where the reflected light intensity increases (that is, the position information of the excitation light condensing position) is acquired, and the condensing position is reset based on this.
In the present embodiment, when the amount of decrease in the reflected light intensity exceeds the second threshold set to a value larger than the first threshold by a predetermined value, the above-described shape information acquisition unit and the converging position optimal Focusing position optimization control (re-optimization) is performed by the optimization means.

なお、本実施形態では、図１に示すように、上述のように構成される単一光子発生装置１０の出力部３２に、所望の波長の単一光子の発光強度を検出する単一光子検出器（発光強度検出手段）３３を接続している。そして、制御演算部４３に単一光子検出器３３から単一光子の発光強度が供給されるようにしている。
単一光子検出器３３は、単一光子発生素子１１によって生成された単一光子の波長、数、発光のタイミング、発光強度等を検出・測定するものであり、アバランシェ型フォトダイオードや光電子増倍管、あるいはアレイ型検出器と組み合わせた分光器からなる。In the present embodiment, as shown in FIG. 1, single photon detection for detecting the emission intensity of a single photon having a desired wavelength at the output unit 32 of the single photon generator 10 configured as described above. A device (light emission intensity detecting means) 33 is connected. The single-photon emission intensity is supplied from the single-photon detector 33 to the control calculation unit 43.
The single photon detector 33 detects and measures the wavelength, number, timing of light emission, light emission intensity, and the like of a single photon generated by the single photon generation element 11, and is an avalanche photodiode or photomultiplier. It consists of a spectrometer combined with a tube or array type detector.

そして、本実施形態では、制御演算部４３は、メモリ４５等に記憶されたプログラムを実行することによって、単一光子検出器３３によって検出された単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）のデータを取得するとともに、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報；これは量子ドット構造体の位置情報に相当する）を取得し、これらに基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段として機能するように構成している。このようにして得られた発光強度分布によって、量子ドット構造体５０における量子ドットの配置情報を得ることができる。   In the present embodiment, the control calculation unit 43 executes the program stored in the memory 45 or the like, and thereby the emission intensity (or power spectrum) data of the single photon detected by the single photon detector 33. And the position information of the three-axis stage 41 (or the stage controller 42) (that is, the position information of the condensing position of the excitation light; this corresponds to the position information of the quantum dot structure). It is configured to function as a light emission intensity distribution acquisition means for acquiring a light emission intensity distribution based on it. The arrangement information of the quantum dots in the quantum dot structure 50 can be obtained from the emission intensity distribution thus obtained.

なお、単一光子検出器３３を接続しないで、単一光子を出力部３２から取り出すようにしても良い。
以下、単一光子発生装置１０の動作を説明する。
まず、図１に示すように、クライオスタット１２内の冷却台１３上に単一光子発生素子１１を固定し、クライオスタット１２内を排気して真空状態にし、さらに冷凍機１４からの液体ヘリウムにより単一光子発生素子１１を例えば１０Ｋに冷却する。In addition, a single photon may be taken out from the output unit 32 without connecting the single photon detector 33.
Hereinafter, the operation of the single photon generator 10 will be described.
First, as shown in FIG. 1, a single photon generating element 11 is fixed on a cooling table 13 in a cryostat 12, the inside of the cryostat 12 is evacuated to be in a vacuum state, and further, single by a liquid helium from a refrigerator 14. The photon generating element 11 is cooled to 10K, for example.

励起光源２０によって例えば波長１．４５μｍのパルス状の励起光がシングルモード光ファイバ２１に出射され、１ｘ２カプラ２２のフォワードポート（Forward Port）からコムポート（Com Port）を通過して光ファイバ２３を伝播し、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域における反射を利用して光ファイバ２５に結合し、入出力部２６から空間へ出射する。   For example, pulsed pumping light having a wavelength of 1.45 μm is emitted to the single mode optical fiber 21 by the pumping light source 20, passes through the Com Port from the forward port of the 1 × 2 coupler 22, and passes through the optical fiber 23. It propagates, couples to the optical fiber 25 using the reflection in the suppression band of the bandpass filter 24, and exits from the input / output unit 26 to the space.

入出力部２６から出射した励起光は集光光学系２７のレンズ２７ａによって平行光に変換され、さらにレンズ２７ｂによって光学窓１６を介して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光される。
量子ドット構造体５０で反射した反射光（励起光と同じ波長である）は、励起光と逆向きに伝搬し、１ｘ２カプラ２２のコムポート（Com Port）からリターンポート（Return Port）を通過し、光ファイバ２８を介して光検出器２９へ送られる。Excitation light emitted from the input / output unit 26 is converted into parallel light by the lens 27a of the condensing optical system 27, and further condensed by the lens 27b onto the quantum dot structure 50 of the single photon generating element 11 through the optical window 16. Is done.
The reflected light reflected by the quantum dot structure 50 (having the same wavelength as the excitation light) propagates in the opposite direction to the excitation light and passes through the return port from the 1 × 2 coupler 22 Com Port. And sent to the photodetector 29 via the optical fiber 28.

制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される形状情報取得手段が、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、集光光学系２７を介して量子ドット構造体５０に照射される励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させる。そして、形状情報取得手段が、光検出器２９によって検出される量子ドット構造体５０からの反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、これをメモリ４５に記憶させる。   The shape information acquisition means realized by the control arithmetic unit 43 executing the program stored in the memory 45 controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42 and the quantum information via the condensing optical system 27. The condensing position of the excitation light irradiated to the dot structure 50 is scanned in the XY plane of FIG. Then, the shape information acquisition means detects the intensity data of the reflected light from the quantum dot structure 50 detected by the photodetector 29 and the position information of the triaxial stage 41 (or the stage controller 42) (that is, the excitation light). (Position information of the light collecting position) is acquired, and these are correlated to acquire the shape information of the quantum dot structure 50 and stored in the memory 45.

また、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置最適化手段が、メモリ４５に記憶された量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて励起光の集光位置を最適化する。
つまり、集光位置最適化手段が、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に設定する。Further, the converging position optimizing means realized by executing the program stored in the memory 45 by the control calculation unit 43 is the shape information (that is, reflected light) of the quantum dot structure 50 stored in the memory 45. Based on the intensity distribution, the condensing position of the excitation light is optimized.
That is, the condensing position optimization means determines the condensing position where the reflected light intensity is maximum as the optimum condensing position (see FIG. 8), and controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42 to excite. The light condensing position is set to an optimum light condensing position.

これにより、単一光子発生素子１１によって励起光に応じた波長の単一光子が生成され、集光光学系２７を介して入出力部２６に入射し、光ファイバ２５を伝播し、バンドパスフィルタ２４によって不必要な背景光が除去され、所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみが選別され、光ファイバ３１を介して出力部３２から取り出される。   As a result, a single photon having a wavelength corresponding to the excitation light is generated by the single photon generating element 11, enters the input / output unit 26 via the condensing optical system 27, propagates through the optical fiber 25, and is a bandpass filter. Unnecessary background light is removed by 24, and only single photons of an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band (for example, 1.55 μm band) are selected and taken out from the output unit 32 via the optical fiber 31.

なお、本実施形態では、単一光子が生成されている間、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置ずれ補償手段（ドリフト補償手段）によって、必要に応じて、集光位置の位置ずれ補償制御（集光位置の再最適化制御）が行なわれる。
つまり、まず、図９に示すように、集光位置ずれ補償手段は、現在の集光位置における反射光強度を取得する（ステップＳ１０）。In the present embodiment, while the single photon is generated, the control calculation unit 43 executes the program stored in the memory 45 by the condensing position deviation compensation unit (drift compensation unit). If necessary, the condensing position misalignment compensation control (condensing position reoptimization control) is performed.
That is, first, as shown in FIG. 9, the condensing position deviation compensating means obtains the reflected light intensity at the current condensing position (step S10).

次いで、集光位置ずれ補償手段は、現在の反射光強度と前回最適化制御が行なわれた際の最適な集光位置における反射光強度（基準反射光強度）との差（反射光強度の低下量；反射光量の減少量）を求める（ステップＳ２０）。
次に、集光位置ずれ補償手段は、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ３０）。Next, the condensing position deviation compensation means determines the difference (decrease in the reflected light intensity) between the current reflected light intensity and the reflected light intensity (reference reflected light intensity) at the optimum condensed position when the previous optimization control was performed. Amount; decrease amount of reflected light amount) is obtained (step S20).
Next, the condensing position deviation compensation unit determines whether or not the amount of decrease in the reflected light intensity exceeds the first threshold (step S30).

ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯルート）は、後述のような集光位置の再最適化制御を行なわずに処理を終了する。
一方、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳルート）、さらに、集光位置ずれ補償手段は、反射光強度の低下量が第１の閾値よりも所定値だけ大きな値に設定される第２の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ４０）。If it is determined in step S30 that the amount of decrease in the reflected light intensity does not exceed the first threshold (NO route), the process ends without performing re-optimization control of the light collection position as described later.
On the other hand, when it is determined that the amount of decrease in the reflected light intensity exceeds the first threshold (YES route), the condensing position deviation compensating unit further determines that the amount of decrease in the reflected light intensity is greater than the first threshold. It is determined whether or not a second threshold that is set to a value that is larger by a value is exceeded (step S40).

その結果、反射光強度の低下量が第２の閾値を超えていないと判定した場合（即ち、第１の閾値を超えているが第２の閾値を超えていない場合）（ＮＯルート）、集光位置ずれ補償手段は、３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置をＸ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する（ステップＳ５０）。   As a result, when it is determined that the amount of decrease in the reflected light intensity does not exceed the second threshold (that is, when the first threshold is exceeded but does not exceed the second threshold) (NO route), The optical position deviation compensation means controls the triaxial stage 41, moves the excitation light condensing position by a small amount in the X axis direction, and increases the position of the reflected light intensity (that is, the excitation light). (Position information of the light condensing position) is acquired (step S50).

次いで、集光位置ずれ補償手段は、３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置をＹ軸方向に微少量だけ移動させ、反射光強度が増加する３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得する（ステップＳ６０）。
そして、集光位置ずれ補償手段は、取得された３軸ステージ４１の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）に基づいて集光位置を再設定する（ステップＳ７０）。Next, the condensing position deviation compensating means controls the three-axis stage 41, moves the condensing position of the excitation light by a small amount in the Y-axis direction, and position information of the three-axis stage 41 in which the reflected light intensity increases (that is, , Position information on the condensing position of the excitation light) is acquired (step S60).
Then, the condensing position deviation compensation unit resets the condensing position based on the acquired position information of the three-axis stage 41 (that is, position information of the condensing position of the excitation light) (step S70).

一方、ステップＳ４０において、反射光強度の低下量が第２の閾値を超えていると判定した場合（ＹＥＳルート）、上述の形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって集光位置の再最適化制御が行なわれ、再度、集光位置が最適化される（ステップＳ８０，Ｓ９０）。
つまり、まず、形状情報取得手段は、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させ、光検出器２９によって検出される反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得する（ステップＳ８０）。On the other hand, when it is determined in step S40 that the amount of decrease in the reflected light intensity exceeds the second threshold (YES route), the refocusing of the condensing position is performed by the shape information acquisition unit and the condensing position optimization unit. Control is performed, and the condensing position is optimized again (steps S80 and S90).
That is, first, the shape information acquisition unit controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42, scans the condensing position of the excitation light within the XY plane of FIG. 6, and reflects the light detected by the photodetector 29. The light intensity data and the position information of the three-axis stage 41 (or the stage controller 42) (that is, the position information of the condensing position of the excitation light) are acquired and correlated to obtain the shape information of the quantum dot structure 50. Is acquired (step S80).

次に、集光位置最適化手段は、量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に再設定する（ステップＳ９０）。
このようにして集光位置を再設定した後（ステップＳ７０，Ｓ９０）、集光位置ずれ補償手段は、再設定した集光位置における反射光強度と基準反射光強度との差（反射光強度の低下量；反射光量の減少量）を求め（ステップＳ１００）、ステップＳ３０へ戻り、再度、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えているか否かを判定する。Next, the condensing position optimizing means determines the condensing position where the reflected light intensity is the maximum as the optimum condensing position based on the shape information of the quantum dot structure 50 (that is, the reflected light intensity distribution). (See FIG. 8) The three-axis stage 41 is controlled via the stage controller 42 to reset the condensing position of the excitation light to the optimum condensing position (step S90).
After resetting the condensing position in this way (steps S70 and S90), the condensing position deviation compensating means determines the difference between the reflected light intensity and the reference reflected light intensity at the reset condensing position (the reflected light intensity). A reduction amount; a reduction amount of the reflected light amount) is obtained (step S100), and the process returns to step S30 to determine again whether or not the reduction amount of the reflected light intensity exceeds the first threshold value.

以後、ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定するまで、ステップＳ４０からステップＳ１００までの処理を繰り返す。
そして、ステップＳ３０において、反射光強度の低下量が第１の閾値を超えていないと判定した場合（ＮＯルート）、集光位置の再最適化制御を終了する。
ところで、本実施形態では、図１に示すように、出力部３２に単一光子検出器３３を接続しているため、この単一光子検出器３３によって単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）が検出される。そして、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される発光強度分布取得手段によって、単一光子検出器３３によって検出された単一光子の発光強度（あるいはパワースペクトル）のデータ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報；これは量子ドット構造体の位置情報に相当する）が取得され、これらに基づいて発光強度分布が取得される。Thereafter, the processing from step S40 to step S100 is repeated until it is determined in step S30 that the amount of decrease in reflected light intensity does not exceed the first threshold.
In Step S30, when it is determined that the amount of decrease in the reflected light intensity does not exceed the first threshold (NO route), the re-optimization control of the condensing position is terminated.
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1, since the single photon detector 33 is connected to the output unit 32, the single photon detector 33 uses the single photon detector 33 to emit light (or power spectrum). Is detected. Then, the light emission intensity (or power spectrum) of the single photon detected by the single photon detector 33 by the light emission intensity distribution acquisition means realized by the control arithmetic unit 43 executing the program stored in the memory 45. ) And position information of the three-axis stage 41 (or the stage controller 42) (that is, position information of the excitation light condensing position; this corresponds to position information of the quantum dot structure). The emission intensity distribution is acquired based on the above.

したがって、本実施形態にかかる単一光子発生装置によれば、励起光が照明光を兼ねており、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているため、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間に集光光学系２７のみを設ければ良く、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制できるという利点がある。
また、励起光の波長がバンドパスフィルタ２４の抑圧帯域に入るようにして、バンドパスフィルタ２４の抑圧帯域を利用することで、例えば図１０に示すように、励起光を光ファイバ２５に結合させ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に結合させるためのＷＤＭカプラ、所望の波長の単一光子を取り出すためのバンドパスフィルタ、背景光（ノイズ）を除去するためのローパスフィルタなどの複数の光学素子を設ける必要がなく、入出力部２６と出力部３２との間の伝送路上の光学素子（ここではバンドパスフィルタ２４）が１つで済み、光学部品数を低減できる。これにより、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置１０を実現できることになる。Therefore, according to the single photon generator according to the present embodiment, the excitation light serves as the illumination light, and the optical path of the excitation light and the optical path of the illumination light are shared. Only the condensing optical system 27 needs to be provided between the single-photon generator 11 and the single-photon generator 11, and there is an advantage that the loss between the input / output unit 26 and the single-photon generator 11 can be minimized.
Further, by using the suppression band of the bandpass filter 24 so that the wavelength of the pumping light falls within the suppression band of the bandpass filter 24, for example, the excitation light is coupled to the optical fiber 25 as shown in FIG. And a WDM coupler for coupling the reflected light from the single photon generating element 11 to the optical fiber 23, a bandpass filter for extracting a single photon of a desired wavelength, and for removing background light (noise). There is no need to provide a plurality of optical elements such as a low-pass filter, and only one optical element (here, band-pass filter 24) on the transmission path between the input / output unit 26 and the output unit 32 is required, reducing the number of optical components. it can. As a result, the low-loss single photon generator 10 can be realized while reducing the cost and saving the space.

さらに、本実施形態では、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、この形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化するようにしているため、単一光子発生素子１１によって確実に単一光子を発生させ、かつ、発生した単一光子を確実に集光でき、これにより、単一光子を効率的に出力できることになる。   Furthermore, in this embodiment, the shape information acquisition unit and the condensing position optimization unit acquire the shape information of the quantum dot structure 50 of the single photon generation element 11 using the excitation light as illumination light, and this shape. Since the condensing position of the excitation light is optimized based on the information, the single photon generation element 11 can reliably generate a single photon, and the generated single photon can be reliably collected, Thereby, a single photon can be output efficiently.

例えば、シングルモード光ファイバのコア径が１０μｍであり、量子ドット構造体５０のサイズが数百ｎｍ〜１μｍの場合、集光光学系２７の結像倍率を５倍とすれば、光ファイバ２５のコアの単一光子発生素子１１への投影サイズは２μｍとなる。単一光子発生装置１０は、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているので、３軸ステージ４１の位置再現性の精度で集光位置が設定できる。３軸ステージ４１の位置再現性の精度は１０ｎｍ程度であるので、１μｍ以下の位置決め精度が可能である。この結果、単一光子発生装置１０は、単一光子を確実に生成し、かつ、集光できることになる。   For example, when the core diameter of the single mode optical fiber is 10 μm and the size of the quantum dot structure 50 is several hundred nm to 1 μm, if the imaging magnification of the condensing optical system 27 is 5 times, The projection size of the core onto the single photon generating element 11 is 2 μm. Since the single photon generator 10 shares the optical path of the excitation light and the optical path of the illumination light, the condensing position can be set with the accuracy of the position reproducibility of the three-axis stage 41. Since the accuracy of position reproducibility of the triaxial stage 41 is about 10 nm, positioning accuracy of 1 μm or less is possible. As a result, the single photon generator 10 can reliably generate and collect single photons.

さらに、単一光子発生素子１１の反射光強度をモニタしながら単一光子を集光することができるため、クライオスタット内の温度変化によって集光位置の位置ずれが生じても、集光位置ずれ補償手段によって、３軸ステージ４１の位置制御を行なうことで集光位置の位置ずれを補償することができ、単一光子の経時的な生成が可能となり、集光安定性を向上させることができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態にかかる単一光子発生装置について、図１１，図１２を参照しながら説明する。Further, since the single photon can be collected while monitoring the reflected light intensity of the single photon generating element 11, even if the position of the condensing position is shifted due to the temperature change in the cryostat, the converging position deviation is compensated. By controlling the position of the three-axis stage 41 by means, it is possible to compensate for the misalignment of the condensing position, so that single photons can be generated over time, and condensing stability can be improved.
[Second Embodiment]
A single photon generator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態の単一光子発生装置は、上述の第１実施形態のものに対し、バンドパスフィルタの代わりにノッチフィルタを用いている点が異なる。
つまり、本単一光子発生装置７０では、図１１に示すように、集光光学系２７及び光ファイバ２５を伝搬してきた光の中から所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別するノッチフィルタ７１を用いている。なお、図１１では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。The single photon generator of this embodiment is different from that of the first embodiment described above in that a notch filter is used instead of a bandpass filter.
In other words, as shown in FIG. 11, the single photon generator 70 is included in a desired wavelength band (here, 1.55 μm band) from the light propagating through the condensing optical system 27 and the optical fiber 25. A notch filter 71 that selects single photons having an arbitrary wavelength is used. In FIG. 11, the same components as those in the first embodiment (see FIG. 1) are denoted by the same reference numerals.

特に、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにして、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用することで、励起光を導入することができ、また、反射光を透過させて除去しながら、所望の波長帯に含まれる任意の波長の単一光子のみを反射させて取り出すことができ、さらに、背景光を低減することができる。これにより、光ファイバ２５の入出力部２６と出力部３２との間の光学部品数も低減でき、この結果、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置７０を実現できることになる。   In particular, by using the transmission band of the notch filter 71 so that the wavelength of the excitation light falls within the transmission band of the notch filter 71, the excitation light can be introduced, and the reflected light is transmitted and removed. However, only a single photon having an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band can be reflected and extracted, and background light can be reduced. As a result, the number of optical components between the input / output unit 26 and the output unit 32 of the optical fiber 25 can also be reduced. As a result, the low-loss single photon generator 70 can be achieved while suppressing cost and saving space. Can be realized.

ここで、ノッチフィルタ７１は、図１１に示すように、励起光源２０からの励起光（例えば波長１．４μｍ以上の励起光）が透過して集光光学系２７へ導かれ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光が透過して１ｘ２カプラ２２へ導かれるように、光ファイバ（第１光ファイバ）２３と光ファイバ（第１光ファイバ）２５との間に介装される。また、ノッチフィルタ７１は、単一光子発生素子１１が発生した所望の波長の単一光子（例えば１．５５μｍ帯の任意の波長の単一光子）を取り出すための光ファイバ（第２光ファイバ）３１に接続されている。   Here, as shown in FIG. 11, the notch filter 71 transmits the excitation light from the excitation light source 20 (for example, excitation light having a wavelength of 1.4 μm or more) and is guided to the condensing optical system 27. It is interposed between the optical fiber (first optical fiber) 23 and the optical fiber (first optical fiber) 25 so that the reflected light from the photon generating element 11 is transmitted and guided to the 1 × 2 coupler 22. The notch filter 71 is an optical fiber (second optical fiber) for taking out a single photon having a desired wavelength generated by the single photon generating element 11 (for example, a single photon having an arbitrary wavelength in the 1.55 μm band). 31 is connected.

つまり、ノッチフィルタ７１は、図１２に示すように、トランスミッションポート（Transmission Port）と、リフレクションポート（Reflection Port）と、コモンポート（Common Port）とを備え、リフレクションポートに光ファイバ（第２光ファイバ）３１が接続されており、コモンポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２５が接続されており、トランスミッションポートに光ファイバ（第１光ファイバ）２３が接続されている。   That is, as shown in FIG. 12, the notch filter 71 includes a transmission port, a reflection port, and a common port, and an optical fiber (second optical fiber) is provided in the reflection port. ) 31 is connected, an optical fiber (first optical fiber) 25 is connected to the common port, and an optical fiber (first optical fiber) 23 is connected to the transmission port.

また、ノッチフィルタ７１は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを含むものとして構成される。
ここで、誘電体多層膜フィルタ７１Ａは、単一光子発生素子１１が発生した単一光子のうち所望の波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子を選別しうるように、所望の単一光子の波長λcを抑圧する狭帯域の抑圧帯域（光強度が３０ｄＢ以上抑圧される帯域）と、抑圧帯域を挟んで両側に隣接し、励起光源２０からの励起光の波長λexc（＝λc−Δλ）を透過する透過帯域とを有するものとして構成される。The notch filter 71 includes a dielectric multilayer filter 71A.
Here, the dielectric multilayer filter 71A selects a single photon having an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band (here, 1.55 μm band) among the single photons generated by the single photon generation element 11. As can be seen, a narrow suppression band (a band in which the light intensity is suppressed by 30 dB or more) for suppressing the wavelength λ c of a desired single photon and an excitation from the excitation light source 20 are adjacent to both sides across the suppression band. And a transmission band that transmits the light wavelength λ exc (= λ c −Δλ).

ここでは、上述のように、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにしているため、励起光源２０からの励起光はノッチフィルタ７１を透過し、また、単一光子発生素子１１からの励起光の反射光もノッチフィルタ７１を透過することになる。
つまり、図１２に示すように、光ファイバ２３を介してノッチフィルタ７１のトランスミッションポートから入ってきた励起光は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを透過してコモンポートに結合し、光ファイバ２５を介して単一光子発生素子１１へ送られるようになっている。また、光ファイバ２５を介してノッチフィルタ７１のコモンポートから入ってきた反射光は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを透過してトランスミッションポートに結合し、光ファイバ２３を介して光検出器２９へ送られるようになっている。Here, as described above, since the wavelength of the excitation light falls within the transmission band of the notch filter 71, the excitation light from the excitation light source 20 passes through the notch filter 71, and the single photon generation element 11. The reflected light of the excitation light from the light also passes through the notch filter 71.
That is, as shown in FIG. 12, the excitation light that has entered from the transmission port of the notch filter 71 through the optical fiber 23 passes through the dielectric multilayer filter 71A and is coupled to the common port. Are sent to the single photon generating element 11. Reflected light that has entered from the common port of the notch filter 71 via the optical fiber 25 passes through the dielectric multilayer filter 71A, is coupled to the transmission port, and is sent to the photodetector 29 via the optical fiber 23. It is supposed to be.

一方、光ファイバ２５を介してノッチフィルタ７１のコモンポートから入ってきた単一光子は、誘電体多層膜フィルタ７１Ａで反射してリフレクションポートに結合し、光ファイバ３１を介して取り出されるようになっている。
このように、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用して、励起光源２０から光ファイバ２１，２３を介して伝搬してくる励起光を光ファイバ２５に透過・結合させるとともに、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に透過・結合させるようにして、励起光や反射光が単一光子を取り出す出力部３２側へ伝播しないようにする一方、ノッチフィルタ７１の抑圧帯域を利用して、単一光子発生素子１１によって生成された単一光子を光ファイバ３１に反射・結合させて取り出すようにしている。また、ノッチフィルタ７１によって背景光（ノイズ）も除去されることになる。On the other hand, a single photon that has entered from the common port of the notch filter 71 via the optical fiber 25 is reflected by the dielectric multilayer filter 71A, coupled to the reflection port, and taken out via the optical fiber 31. ing.
As described above, the transmission band of the notch filter 71 is used to transmit and couple the pumping light propagating from the pumping light source 20 through the optical fibers 21 and 23 to the optical fiber 25 and to generate the single photon generating element 11. The transmitted light is transmitted and coupled to the optical fiber 23 so that the excitation light and the reflected light do not propagate to the output unit 32 side for extracting a single photon, while using the suppression band of the notch filter 71. The single photon generated by the single photon generating element 11 is reflected and coupled to the optical fiber 31 to be taken out. In addition, background light (noise) is also removed by the notch filter 71.

なお、本実施形態では、ノッチフィルタ７１を、誘電体多層膜フィルタ７１Ａを含むものとして構成しているが、これに限られるものではなく、エタロンフィルタを含むものとして構成しても良い。
このため、本単一光子発生装置７０は、以下のように動作する。
励起光源２０によって例えば波長１．４５μｍのパルス状の励起光がシングルモード光ファイバ２１に出射され、１ｘ２カプラ２２のフォワードポート（Forward Port）からコムポート（Com Port）を通過して光ファイバ２３を伝播し、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用して光ファイバ２５に結合し、入出力部２６から空間へ出射する。In this embodiment, the notch filter 71 is configured to include the dielectric multilayer filter 71A, but is not limited thereto, and may be configured to include an etalon filter.
For this reason, this single photon generator 70 operates as follows.
For example, pulsed pumping light having a wavelength of 1.45 μm is emitted to the single mode optical fiber 21 by the pumping light source 20, passes through the Com Port from the forward port of the 1 × 2 coupler 22, and passes through the optical fiber 23. Propagated, coupled to the optical fiber 25 using the transmission band of the notch filter 71, and emitted from the input / output unit 26 to the space.

入出力部２６から出射した励起光は集光光学系２７のレンズ２７ａによって平行光に変換され、さらにレンズ２７ｂによって光学窓１６を介して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０に集光される。
量子ドット構造体５０で反射した反射光（励起光と同じ波長である）は、励起光と逆向きに伝搬し、１ｘ２カプラ２２のコムポート（Com Port）からリターンポート（Return Port）を通過し、光ファイバ２８を介して光検出器２９へ送られる。Excitation light emitted from the input / output unit 26 is converted into parallel light by the lens 27a of the condensing optical system 27, and further condensed by the lens 27b onto the quantum dot structure 50 of the single photon generating element 11 through the optical window 16. Is done.
The reflected light reflected by the quantum dot structure 50 (having the same wavelength as the excitation light) propagates in the opposite direction to the excitation light and passes through the return port from the 1 × 2 coupler 22 Com Port. And sent to the photodetector 29 via the optical fiber 28.

制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される形状情報取得手段が、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御し、集光光学系２７を介して量子ドット構造体５０に照射される励起光の集光位置を図６のＸＹ平面内で走査させる。そして、形状情報取得手段が、光検出器２９によって検出される量子ドット構造体５０からの反射光の強度データ、及び、３軸ステージ４１（あるいはステージコントローラ４２）の位置情報（即ち、励起光の集光位置の位置情報）を取得し、これらを関連づけて、量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、これをメモリ４５に記憶させる。   The shape information acquisition means realized by the control arithmetic unit 43 executing the program stored in the memory 45 controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42 and the quantum information via the condensing optical system 27. The condensing position of the excitation light irradiated to the dot structure 50 is scanned in the XY plane of FIG. Then, the shape information acquisition means detects the intensity data of the reflected light from the quantum dot structure 50 detected by the photodetector 29 and the position information of the triaxial stage 41 (or the stage controller 42) (that is, the excitation light). (Position information of the light collecting position) is acquired, and these are correlated to acquire the shape information of the quantum dot structure 50 and stored in the memory 45.

また、制御演算部４３がメモリ４５に記憶されているプログラムを実行することによって実現される集光位置最適化手段が、メモリ４５に記憶された量子ドット構造体５０の形状情報（即ち、反射光強度分布）に基づいて励起光の集光位置を最適化する。
つまり、集光位置最適化手段が、反射光強度が最大となる集光位置を最適な集光位置として決定し（図８参照）、ステージコントローラ４２を介して３軸ステージ４１を制御して励起光の集光位置を最適な集光位置に設定する。Further, the converging position optimizing means realized by executing the program stored in the memory 45 by the control calculation unit 43 is the shape information (that is, reflected light) of the quantum dot structure 50 stored in the memory 45. Based on the intensity distribution, the condensing position of the excitation light is optimized.
That is, the condensing position optimization means determines the condensing position where the reflected light intensity is maximum as the optimum condensing position (see FIG. 8), and controls the three-axis stage 41 via the stage controller 42 to excite. The light condensing position is set to an optimum light condensing position.

これにより、単一光子発生素子１１によって励起光に応じた波長の単一光子が生成され、集光光学系２７を介して入出力部２６に入射し、光ファイバ２５を伝播し、ノッチフィルタ７１によって不必要な背景光が除去され、所望の波長帯（例えば１．５５μｍ帯）に含まれる任意の波長の単一光子のみが選別され、光ファイバ３１を介して出力部３２から取り出される。   As a result, a single photon having a wavelength corresponding to the excitation light is generated by the single photon generation element 11, enters the input / output unit 26 via the condensing optical system 27, propagates through the optical fiber 25, and is notched filter 71. Thus, unnecessary background light is removed, and only single photons having an arbitrary wavelength included in a desired wavelength band (for example, 1.55 μm band) are selected and taken out from the output unit 32 via the optical fiber 31.

なお、その他の構成及び動作は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生装置によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、励起光が照明光を兼ねており、励起光の光路と照明光の光路を共通化しているため、光ファイバ２５の入出力部２６と単一光子発生素子１１との間に集光光学系２７のみを設ければ良く、入出力部２６と単一光子発生素子１１との間の損失を最低限に抑制できるという利点がある。Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment described above, and thus description thereof is omitted here.
Therefore, according to the single photon generator according to the present embodiment, the excitation light serves as the illumination light as in the first embodiment, and the optical path of the excitation light and the illumination light are shared. Therefore, it is only necessary to provide the condensing optical system 27 between the input / output unit 26 of the optical fiber 25 and the single photon generation element 11, and between the input / output unit 26 and the single photon generation element 11. There is an advantage that loss can be minimized.

また、励起光の波長がノッチフィルタ７１の透過帯域に入るようにして、ノッチフィルタ７１の透過帯域を利用することで、励起光を光ファイバ２５に結合させ、かつ、単一光子発生素子１１からの反射光を光ファイバ２３に結合させるためのカプラ、所望の波長の単一光子を取り出すためのノッチフィルタ、背景光を除去するためのローパスフィルタなどの複数の光学素子を設ける必要がなく、入出力部２６と出力部３２との間の伝送路上の光学素子（ここではノッチフィルタ７１）が１つで済み、光学部品数を低減できる。これにより、コストを低く抑え、省スペース化を図りながら、低損失な単一光子発生装置７０を実現できることになる。   Further, by using the transmission band of the notch filter 71 so that the wavelength of the excitation light falls within the transmission band of the notch filter 71, the excitation light is coupled to the optical fiber 25, and from the single photon generation element 11. It is not necessary to provide a plurality of optical elements such as a coupler for coupling the reflected light to the optical fiber 23, a notch filter for extracting a single photon of a desired wavelength, and a low-pass filter for removing background light. Only one optical element (here, the notch filter 71) on the transmission path between the output unit 26 and the output unit 32 is required, and the number of optical components can be reduced. As a result, a low-loss single photon generator 70 can be realized while reducing costs and saving space.

さらに、本実施形態では、形状情報取得手段及び集光位置最適化手段によって、励起光を照明光として使用して単一光子発生素子１１の量子ドット構造体５０の形状情報を取得し、この形状情報に基づいて励起光の集光位置を最適化するようにしているため、単一光子発生素子１１によって確実に単一光子を発生させ、かつ、発生した単一光子を確実に集光でき、これにより、単一光子を効率的に出力できることになる。   Furthermore, in this embodiment, the shape information acquisition unit and the condensing position optimization unit acquire the shape information of the quantum dot structure 50 of the single photon generation element 11 using the excitation light as illumination light, and this shape. Since the condensing position of the excitation light is optimized based on the information, the single photon generation element 11 can reliably generate a single photon, and the generated single photon can be reliably collected, Thereby, a single photon can be output efficiently.

また、単一光子発生素子１１の反射光強度をモニタしながら単一光子を集光することができるため、クライオスタット内の温度変化によって集光位置の位置ずれが生じても、集光位置ずれ補償手段によって、３軸ステージ４１の位置制御を行なうことで集光位置の位置ずれを補償することができ、単一光子の経時的な生成が可能となり、集光安定性を向上させることができる。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、量子ドット構造体５０の頂上面側（ＩｎＰキャップ層５６側）から励起光を照射しているが（図６参照）、これに限られるものではなく、例えば量子ドット構造体５０の底面側（ＩｎＰ基板５１側）から励起光を照射するように構成しても良い。この場合、図８に示した反射光強度分布はその上下が逆になる。このため、集光位置最適化手段は、反射光強度が最小になる集光位置を最適な集光位置として決定することになる。Further, since the single photon can be collected while monitoring the reflected light intensity of the single photon generating element 11, even if the position of the condensing position is deviated due to a temperature change in the cryostat, the condensing position deviation is compensated. By controlling the position of the three-axis stage 41 by means, it is possible to compensate for the misalignment of the condensing position, so that single photons can be generated over time, and condensing stability can be improved.
[Others]
In each of the embodiments described above, the excitation light is irradiated from the top surface side (InP cap layer 56 side) of the quantum dot structure 50 (see FIG. 6). You may comprise so that excitation light may be irradiated from the bottom face side (InP board | substrate 51 side) of the dot structure 50. FIG. In this case, the reflected light intensity distribution shown in FIG. For this reason, the condensing position optimizing means determines the condensing position at which the reflected light intensity is minimum as the optimum condensing position.

また、上述の各実施形態では、量子ドット構造体をメサ構造の構造体として構成しているが、これに限られるものではなく、例えばピラー（柱状）構造の構造体として構成しても良い。
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。In each of the above-described embodiments, the quantum dot structure is configured as a mesa structure. However, the structure is not limited thereto, and may be configured as a pillar (columnar) structure, for example.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

Claims (10)

単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を透過する透過帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を抑圧する抑圧帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が反射して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたバンドパスフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。A single photon generating element;
An excitation light source that emits excitation light applied to the single photon generating element;
The excitation light propagating from the excitation light source through the first optical fiber is condensed on the single photon generation element, while the single photon generated by the single photon generation element by the irradiation of excitation light is converted into the first light. A condensing optical system incident on the fiber;
A transmission band that transmits a wavelength of a desired single photon generated by the single photon generation element; and a suppression band that suppresses a wavelength of excitation light from the excitation light source. A band-pass filter interposed in the first optical fiber so as to be reflected and guided to the condensing optical system, and connected to a second optical fiber for extracting a single photon of the desired wavelength; A single photon generator characterized by comprising: 前記励起光源と前記バンドパスフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生装置。 A duplexer interposed in the first optical fiber between the excitation light source and the bandpass filter;
Reflected light intensity detecting means connected to the duplexer via a third optical fiber for detecting the intensity of reflected light from the single photon generating element;
2. A control unit that controls a condensing position of excitation light collected by the condensing optical system based on intensity of reflected light detected by the reflected light intensity detecting unit. A single photon generator as described . 単一光子発生素子と、
前記単一光子発生素子に照射される励起光を出射する励起光源と、
前記励起光源から第１光ファイバを介して伝播する励起光を前記単一光子発生素子に集光させる一方、励起光の照射によって前記単一光子発生素子が発生した単一光子を前記第１光ファイバに入射させる集光光学系と、
前記単一光子発生素子が発生した所望の単一光子の波長を抑圧する抑圧帯域と、前記励起光源からの励起光の波長を透過する透過帯域とを有し、前記励起光源からの励起光が透過して前記集光光学系へ導かれるように前記第１光ファイバに介装されるとともに、前記所望の波長の単一光子を取り出すための第２光ファイバに接続されたノッチフィルタとを備えることを特徴とする単一光子発生装置。A single photon generating element;
An excitation light source that emits excitation light applied to the single photon generating element;
The excitation light propagating from the excitation light source through the first optical fiber is condensed on the single photon generation element, while the single photon generated by the single photon generation element by the irradiation of excitation light is converted into the first light. A condensing optical system incident on the fiber;
The excitation light from the excitation light source has a suppression band that suppresses the wavelength of a desired single photon generated by the single photon generation element, and a transmission band that transmits the wavelength of the excitation light from the excitation light source. A notch filter interposed in the first optical fiber so as to be transmitted and guided to the condensing optical system, and connected to a second optical fiber for taking out a single photon of the desired wavelength. A single photon generator characterized by that. 前記励起光源と前記ノッチフィルタとの間の前記第１光ファイバに介装された分波器と、
前記分波器に第３光ファイバを介して接続され、前記単一光子発生素子からの反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、
前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度に基づいて前記集光光学系によって集光される励起光の集光位置を制御する制御手段とを備えることを特徴とする、請求項３記載の単一光子発生装置。 A duplexer interposed in the first optical fiber between the excitation light source and the notch filter;
Reflected light intensity detecting means connected to the duplexer via a third optical fiber for detecting the intensity of reflected light from the single photon generating element;
And a controlling means for controlling the condensing position of the excitation light is condensed by the condensing optical system on the basis of the intensity of the detected reflected light by the reflected light intensity detecting means, according to claim 3 A single photon generator as described . 前記励起光源は、共鳴励起又は近共鳴励起を生じさせうる波長の励起光を出射するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。The excitation light source is characterized by being configured to emit excitation light having a wavelength that can cause resonance excitation or near resonant excitation, single photon according to any one of claims 1-4 Generator. 前記集光光学系の位置を制御する位置制御機構を備え、
前記制御手段が、前記位置制御機構を制御して励起光の集光位置を制御することを特徴とする、請求項２，４，５のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。A position control mechanism for controlling the position of the condensing optical system;
6. The single-photon generator according to claim 2 , wherein the control unit controls the position control mechanism to control a condensing position of excitation light. 7. 前記制御手段は、
励起光の集光位置を走査させ、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光の強度と励起光の集光位置とに基づいて形状情報を取得する形状情報取得手段と、
前記形状情報取得手段によって取得された形状情報に基づいて集光位置を最適化する集光位置最適化手段とを備えることを特徴とする、請求項２，４〜６のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。The control means includes
Shape information acquisition means for scanning the condensing position of the excitation light and acquiring shape information based on the intensity of the reflected light detected by the reflected light intensity detection means and the condensing position of the excitation light;
The condensing position optimizing unit that optimizes the condensing position based on the shape information acquired by the shape information acquiring unit, and comprising any one of claims 2 and 4-6. Single photon generator. 前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量に応じて励起光の集光位置の位置ずれを補償する集光位置ずれ補償手段を備えることを特徴とする、請求項７記載の単一光子発生装置。The control unit includes a condensing position deviation compensating unit that compensates for the positional deviation of the condensing position of the excitation light according to the amount of decrease in the reflected light intensity detected by the reflected light intensity detecting unit. The single photon generator according to claim 7 . 前記制御手段は、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第１の閾値を超えた場合は、前記集光位置ずれ補償手段による位置ずれ補償制御を行ない、前記反射光強度検出手段によって検出された反射光強度の低下量が第２の閾値を超えた場合は、前記形状情報取得手段及び前記集光位置最適化手段による集光位置最適化制御を行なうように構成されることを特徴とする、請求項８記載の単一光子発生装置。When the amount of decrease in the reflected light intensity detected by the reflected light intensity detection unit exceeds a first threshold, the control unit performs misregistration compensation control by the condensing position deviation compensating unit, and the reflected light When the amount of decrease in the reflected light intensity detected by the intensity detection unit exceeds the second threshold, the condensing position optimization control is performed by the shape information acquisition unit and the condensing position optimization unit. The single photon generator according to claim 8, wherein: 前記第２光ファイバに接続され、前記所望の波長の単一光子の発光強度を検出する発光強度検出手段と、
前記制御手段が、前記発光強度検出手段によって検出された発光強度と励起光の集光位置とに基づいて発光強度分布を取得する発光強度分布取得手段を備えることを特徴とする、請求項２，４〜９のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。A light emission intensity detecting means connected to the second optical fiber for detecting the light emission intensity of a single photon of the desired wavelength;
The control means comprises emission intensity distribution acquisition means for acquiring an emission intensity distribution based on the emission intensity detected by the emission intensity detection means and the condensing position of the excitation light. The single photon generator according to any one of 4 to 9 .
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