特許 6029072 光パラメトリック発振器とそれを用いたランダム信号発生装置及びイジングモデル計算装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6029072

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】光パラメトリック発振器とそれを用いたランダム信号発生装置及びイジングモデル計算装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/39 20060101AFI20161114BHJP

   G02F 3/00 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/39

   G02F3/00

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-39586(P2014-39586)

(22)【出願日】2014年2月28日

(65)【公開番号】特開2015-163922(P2015-163922A)

(43)【公開日】2015年9月10日

【審査請求日】2016年1月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504202472

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人情報・システム研究機構

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】武居 弘樹

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 卓弘

(72)【発明者】

【氏名】井上 恭

(72)【発明者】

【氏名】山本 喜久

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００１６１６８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１１８０６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０９−２９７３３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００− １／１２５

１／２１− ７／００

Ｓｃｏｐｕｓ

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる光周波数ｆｐ１、ｆｐ２を有する時間同期した２つの光パルスを繰り返し周期Ｔｐで出力する２つのポンプ光源と、
前記２つの光パルスを合波して出力する光合波手段と、
前記光合波手段から同一時刻に入射された前記２つの光パルスにより光パラメトリック増幅する３次の非線形光学媒質と、透過光周波数ｆｓの光フィルタとを有する光共振器とを備え、
前記光フィルタの光周波数ｆｓは、ｆｐ１＋ｆｐ２＝２ｆｓの関係が成り立つように設定されており、
前記光共振器の共振器長は、発生した光パルスが光共振器を１周する時間が前記ポンプ光パルスの繰り返し周期ＴｐのＮ_１倍（Ｎ_１は任意の自然数）となり、かつ発生した光パルス間の相対位相が０またはπであることを特徴とする光パラメトリック発振器。

【請求項2】

前記３次の非線形光学媒質は光ファイバであり、前記光共振器はリング共振器であることを特徴とする請求項１に記載の光パラメトリック発振器。

【請求項3】

前記３次の非線形光学媒質において発生した光パルスの異なる光周波数ｆｐ１、ｆｐ２のポンプ光それぞれに対しての位相ミスマッチΔｋ’がΔｋ’＞０を満たすように、非線形光学媒質のゼロ分散波長および分散スロープと、前記光フィルタの光周波数ｆｓとを設定することを特徴とする請求項１または２記載の光パラメトリック発振器。

【請求項4】

ポンプ光パルスのコヒーレンス時間が発振光の光共振器一周時間に比べて十分長いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光パラメトリック共振器。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の光パラメトリック共振器と、
該光パラメトリック共振器から出力された隣接する光パルス間の位相差が０であるかπであるかを測定する位相差測定手段とを備え、
前記測定手段で測定した位相差をビット０及び１に割り振ることでランダム信号を発生することを特徴とするランダム信号発生装置。

【請求項6】

前記位相差測定手段は、光パルス間の時間差に等しい遅延時間を有する遅延干渉計と、光検出器とを有することを特徴とする請求項５に記載のランダム信号発生装置。

【請求項7】

請求項１から４のいずれかに記載の光パラメトリック発振器と、
前記光パラメトリック発振器から出力された隣接する光パルス間の位相差が０であるかπであるかを測定する位相差測定手段とを備えたイジングモデル計算装置であって、
前記光共振器は、Ｎ_１（Ｎ_１≧２）個の発振光パルスのうちの任意の２個を適切な強度と位相で結合するための光結合手段をＮ_２個有し（Ｎ_２は任意の自然数）、前記光結合手段で任意の２パルス間の結合の強度と位相を制御することによりイジングモデルを模擬することを特徴とするイジングモデル計算装置。

【請求項8】

請求項７のイジングモデル計算装置において、前記光結合手段は、光分岐のための光カプラと、光遅延線と、光強度変調器と、光位相変調器と、光合波のための光カプラとを有することを特徴とするイジングモデル計算装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、相対位相が０またはπである独立な光パラメトリック発振を一つの光共振器中で実現する光パラメトリック発振器に関する。また、該光パラメトリック発振器を用いたランダム信号発生器及びイジングモデル計算装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光パラメトリック発振器は、光パラメトリック増幅現象を増幅手段とする光発振器であり、従来のレーザでは発生が難しい波長においてコヒーレント光を発生するための手段として広く用いられている。光パラメトリック増幅とは、非線形光学媒質にポンプ光とともにシグナル光を入力すると、シグナル光が増幅されるとともに、アイドラ光と呼ばれる光が発生する現象である。例えば２次の非線形光学効果の場合には、ポンプ光、シグナル光、アイドラ光の角周波数をωp、ωs、ωiとすると、ωp＝ωs＋ωiの関係が成り立つ。最近、２次の非線形光学媒質を用いて、シグナル光とアイドラ光の周波数が同一となる縮退した光パラメトリック共振器が構築されている（非特許文献１）。２次の非線形光学媒質を用いた縮退した光パラメトリック共振器においては、ポンプ光位相(φp) とシグナル光位相(φs) には以下の関係が成り立つ（非特許文献２）。

【0003】

【数1】

【0004】

ここで、ｎは任意の整数である。これより、発生するシグナル光の位相は、φｐ＋π／４に対して０またはπの相対位相を持つ。相対位相０で発振するかπで発振するかは自然放出雑音の位相により決定されるため、完全にランダムである。すなわち、閾値を超えた発振においては、振幅は一定であるが、０またはπの離散化した相対位相をもつ。

【0005】

さらに、パルス化したポンプ光を用いて、シグナル光の光共振器一周時間をポンプ光の繰り返し周期のＮ_１倍（Ｎ_１は自然数）とすることで、一つの光共振器中にＮ_１個の独立な縮退した光パラメトリック発振器を生成することが可能である。このとき、各々の縮退した光パラメトリック発振器間の相対位相は０またはπとなる。光共振器の光出力からは、ランダムな相対位相をもつＮ_１個の光パラメトリック発振パルスが周期的に出力される。

【0006】

上記のパルス多重された縮退パラメトリック発振器を用いて、ランダム信号を発生する手法が非特許文献１において提案、実証されている。本手法においては、光共振器から出力される光パラメトリック発振パルス列における隣接パルス間の位相差を測定し、例えば位相差が０であればビット０、πであればビット１を割り当てることにより、Ｎ_１ビットのランダム信号を発生することができる。さらに、ポンプ光を光共振器寿命より長い周期でＯＦＦにすることにより、新たなパターンのＮ_１ビットランダム信号を周期的に発生することができる。ここで、光共振器寿命は、ｎを共振器の屈折率、Ｌを共振器長、ｃを光速、ｄを共振器の一周あたりの損失とすると、ｎＬ／ｃｄと表される。

【0007】

また、パルス多重された縮退パラメトリック発振器の位相特性を用いて、強磁性体の理論モデルであるイジングモデルの基底状態探索問題を解く計算機を構築する手法が提案されている（非特許文献３）。イジングモデルは、磁性材料の物性理解だけにとどまらす、最近ではＮＰ完全問題などをマッピング可能なモデルとして注目されている。イジングモデルは、スピン数が増大するにつれ解くことが非常に困難になるが、非特許文献３に記載の手法により効率よく解くことのできる可能性が示唆されている。

【0008】

＋１、−１の２つの自由度を持つＮ個のスピンからなるイジングモデルのハミルトニアンは次式で表される。

【0009】

【数2】

【0010】

ここで、σｊはｊ番目のスピンを表し、Ｊ_ｊ，ｌはｊ番目及びｌ（エル）番目のスピンの間の結合計数であり、Ｊ_ｊ，ｌ＞０は強磁性、Ｊ_ｊ，ｌ＜０は反磁性を表す。非特許文献３の記載に基づいて、イジングモデルをパルス多重された縮退パラメトリック発振器を用いて実装した例を図１に示す。図１において、ポンプパルスレーザ１１から繰り返し周期Ｔｐの光パルスが出力され、スイッチ１２でＯＮ／ＯＦＦされる。スイッチ１２がＯＮのとき、ダイクロイックミラー１３を介して２次の非線形光学媒質１４に光パルスが入力され、２次の非線形光学効果により光パルスが発生する。なお、ダイクロイックミラーは、ポンプ光波長は透過し、シグナル光波長は反射するよう設定されている。２次の非線形光学効果により発生した光パルスとポンプ光は、鏡１５で反射され、部分透過鏡１６で一部が反射され、光結合手段１７を介して再びダイクロイックミラー１３を介して２次の非線形光学媒質１４に入力される。また、部分透過鏡１６で反射されず透過した光パルスとポンプ光は、１ビット干渉計（遅延時間Ｔｐ）１９および光検出器２０でパルス間の位相を測定された後、記録装置２１に記録される。各スピンをパルス多重された縮退パラメトリック発振器の相対位相の値（＝｛０，π｝）に対応させる。

【0011】

また、スピン間の結合は、光共振器４中に光分岐素子、パルスの繰り返し周期Ｔｐのｎ倍（ｎは自然数）の時間遅延を持つ遅延線、光強度変調器、光位相変調器、光合波素子からなる光結合回路を挿入することにより実装する。例えばパルスの繰り返し周期に等しい遅延線を有する光結合回路の場合、隣接するパルス間の結合を実現できる。強度変調器のオンオフにより、時分割多重されているｊ番目、ｊ＋１番目のパルス間の結合のオンオフが可能である。また、位相変調器によりｊ番目、ｊ＋１番目のパルス間の結合位相を０またはπに設定することで、Ｊｊ，ｊ＋１の正負を制御することができる。光結合回路の個数は、パルス多重度及び設定する問題に依存する。非特許文献３の記載では、ＭＡＸ−ＣＵＴと呼ばれるＮＰ困難な問題が、古典的な総当たり法に比べて効率よく解けることが計算機シミュレーションによって予測されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】A. Marandi,N. C. Leindecker, K. L. Vodopyanov, and R. L. Byer, “All-optical quantum random bit generation from intrinsically binary phase of parametric oscillators,” Opt. Express 20, 19322 (2012).

【非特許文献2】A. Marandi,N. C. Leindecker, V. Pervak, R. L. Byer, and K. L. Vodopyanov, “Coherence properties of a broadband femtosecond mid-IR optical parametric oscillator operating at degeneracy,” Opt. Express 20,7255 (2012).

【非特許文献3】Z. Wang, A. Marandi, K. Wen, R. L. Byer, and Y. Yamamoto, “A coherent Ising machine based on degenerated optical parametric oscillators,” arXiv:1311.2696 (2013).

【非特許文献4】K. Inoue and T. Mukai, Signal wavelength dependence of gain saturation in a fiber optical parametric amplifier,” Opt. Lett. 26, 10-12 (2001).

【非特許文献5】G. P. Agrawal, “Nonlinear fiber optics,” Academic Press, Inc. (1989).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、従来の光パラメトリック発振器（例えば非特許文献１参照）では、２次の非線形光学効果を用いて相対位相がランダムな光パルス列を発生させているが、２次の非線形光学効果を用いた縮退した光パラメトリック発振器では、ポンプ光の波長は、パラメトリック発振光（シグナル光）の波長の半分とする必要があるため、２つの大きく異なる波長に対応した光素子が混在した装置が必要になるという問題があった。

【0014】

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、２つの大きく異なる波長に対応した光素子が混在した装置を用意する必要のない、縮退した光パラメトリック発振器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、異なる光周波数ｆｐ１、ｆｐ２を有する時間同期した２つの光パルスを繰り返し周期Ｔｐで出力する２つのポンプ光源と、前記２つの光パルスを合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段から同一時刻に入射された前記２つの光パルスにより光パラメトリック増幅する３次の非線形光学媒質と、透過光周波数ｆｓの光フィルタとを有する光共振器とを備え、前記光フィルタの光周波数ｆｓは、ｆｐ１＋ｆｐ２＝２ｆｓの関係が成り立つように設定されており、前記光共振器の共振器長は、発生した光パルスが光共振器を１周する時間が前記ポンプ光パルスの繰り返し周期ＴｐのＮ_１倍（Ｎ_１は任意の自然数）となり、かつ発生した光パルス間の相対位相が０またはπであることを特徴とする光パラメトリック発振器である。

【0016】

他の一実施形態に記載された発明は、上記光パラメトリック共振器と、該光パラメトリック共振器から出力された隣接する光パルス間の位相差が０であるかπであるかを測定する位相差測定手段とを備え、前記測定手段で測定した位相差をビット０及び１に割り振ることでランダム信号を発生するランダム信号発生装置である。

【0017】

さらに他の一実施形態に記載された発明は、上記光パラメトリック発振器と、前記光パラメトリック発振器から出力された隣接する光パルス間の位相差が０であるかπであるかを測定する位相差測定手段とを備えたイジングモデル計算装置であって、前記光共振器は、Ｎ_１（Ｎ_１≧２）個の発振光パルスのうちの任意の２個を適切な強度と位相で結合するための光結合手段をＮ_２個有し（Ｎ_２は任意の自然数）、前記光結合手段で任意の２パルス間の結合の強度と位相を制御することによりイジングモデルを模擬することを特徴とするイジングモデル計算装置である。

【発明の効果】

【0018】

本発明により、光パルス多重縮退の光パラメトリック共振器の多重度を容易にあげることが可能である。さらに、高い多重度を生かして、高速なランダム信号発生や、多数のスピンから構成されるイジングモデルの基底状態探索問題を解く計算機を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】イジングモデルをパルス多重された縮退パラメトリック発振器を用いて実装した従来例を示す図である。

【図2】実施形態１のパラメトリック発振器の構成例を示す図である。

【図3】ポンプ波長λｐを変化させた時のシグナル光波長の利得を示す図である。

【図4】実施形態４のランダム信号発生装置の構成例を示す図である。

【図5】実施形態５のイジングモデル計算装置の構成例を示す図である。

【図6】図５に示すイジングモデル計算装置の光結合手段の詳細例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（実施形態１）
本実施形態では、同期した２波長（ｆｐ１、ｆｐ２）のポンプパルス光を３次の非線形光学媒質および光フィルタを備える光共振器に入射することによって、縮退した光パラメトリック発振を実現している。光フィルタの透過光周波数は、ｆｓ＝（ｆｐ１＋ｆｐ２）／２に設定される。図２は、本実施形態で用いられる光共振器の構成例を示す図である。本実施形態では、光周波数ｆｐ１、ｆｐ２の光パルスを同じ繰り返し周波数１／Ｔｐ（繰り返し周期Ｔｐ）で、かつ同じタイミングで出力する２つのポンプパルスレーザ１、２から出力される光パルス列を、光合波手段３により合波し、光入力手段４１を介して光共振器４に入力する。光共振器４は、光入力手段４１、３次の非線形光学媒質４２、光フィルタ４３、偏波コントローラ４４、光出力手段４５を備えるリング共振器として構成されている。光共振器長は、光共振器４中の光パルス一周時間がＮ_１Ｔｐ（Ｎ_１：自然数）となるような長さである。

【0021】

入力された２波長のポンプパルス列が３次の非線形光学媒質４２に入力されると、四光波混合による光パラメトリック増幅がおこる。光フィルタ４３の透過中心波長をｆｓ＝（ｆｐ１＋ｆｐ２）／２に設定することにより、縮退パラメトリック発振を実現できる。

【0022】

ここで、３次非線形光学媒質４２中の四光波混合過程について説明する。２つのポンプ光電界の複素振幅をそれぞれＥｐ１、Ｅｐ２、シグナル光、アイドラ光電界の複素振幅をそれぞれＥｓ、Ｅｉとすると、これらの間には次式に述べる結合方程式が成り立つ（非特許文献４）。なお、γは非線形定数を表す。

【0023】

【数3】

【0024】

【数4】

【0025】

【数5】

【0026】

【数6】

【0027】

シグナルとアイドラが縮退している場合を考える（Ｅｓ＝Ｅｉ）。Ｅｘ＝Ａ_ｘｅ^ｉφｘ,ｘ＝｛ｐ１，ｐ２，ｓ｝とすると、シグナルの振幅Ａｓに対して次式が成り立つ。

【0028】

【数7】

【0029】

【数8】

【0030】

【数9】

【0031】

【数10】

【0032】

上式（１０）において、ｋｓ、ｋｐ１、ｋｐ２はそれぞれシグナル、ポンプパルスレーザ１からのポンプ光、ポンプパルスレーザ２からのポンプ光の波数である。式（７）、（９）によると、θ＝２ｎπ（ｎ：自然数）のとき、シグナル光は増幅されることがわかる。このとき、

【0033】

【数11】

【0034】

ここで、

【0035】

【数12】

【0036】

とおいた。このように、φｓ０に対して０またはπの位相差を持つ成分のシグナル光が効率よく増幅される。

【0037】

３次の非線形光学媒質中の２ポンプ波長、シグナル・アイドラ縮退の四光波混合を増幅過程として用いた光パラメトリック発振器においては、共振器により帰還されたシグナル光のうち、φｓ０に対して０またはπの位相差を持つ成分のシグナル光が発振する。閾値を超えた定常状態においてのφｓ０に対しての位相差が０になるかπになるかは、発振に至るまでの過渡状態において発生した自然放出雑音の初期位相により決定されるため、完全にランダムになる。このように、２次の非線形媒質を用いた光パラメトリック発振と同様、出力される縮退した光パラメトリック発振器パルスの相対位相は、０またはπの自由度を有する。また、光パルスの共振器１周時間Ｎ_１ＴｐにおいてＮ_１を大きくする（共振器長を長くする）ことにより、縮退した光パラメトリック発振器パルスの多重度を大きくすることができる。

【0038】

本実施形態では、光パラメトリック発振を発生させるのに３次の非線形光学効果を生じる３次の非線形光学媒質を用いている。よって、２次の非線形光学効果を用いた場合に生じる大きく異なる波長に対応した光素子に対応する装置は必要ない。また、３次の非線形光学媒質としては、光ファイバを用いることができる。すなわち、本構成は、光共振器を構成する光ファイバそのものを非線形媒質として使用できる。よって、光ファイバとの結合損失の問題は回避できる。さらに、光ファイバを長くすることにより、四光波混合過程の相互作用長が大きくなるため、利得も増大する。よって、本構成は、高いパルス多重度を有する縮退した光パラメトリック共振器を実現するために適している。また、近い波長に対応した光素子のみで光パラメトリック発振器を構成できることから、相対位相のランダムな光パルス列を発生させることができる光パラメトリック発振器を安価に実現することができる。

【0039】

なお、上記では３次の非線形光学媒質として光ファイバを用いる例を説明してきたが、これに限定されるものではなく、３次の非線形光学効果を生じる非線形光学結晶や光導波路などであってもよい。また、光共振器の構成もリング共振器に限定されるものではなく、例えばファブリ・ペロー共振器などであってもよい。

【0040】

（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１の構成の装置において、ポンプ光、シグナル光、アイドラ光の位相ミスマッチΔｋ’がΔｋ’＞０となるように、非線形光学媒質のゼロ分散波長、分散スロープ、ポンプ光の波長、発振光の波長をそれぞれ設定する。これらの値を設定することにより、位相雑音源となる非縮退の四光波混合過程によって光パラメトリック発振が起こらないようにしている。実施形態１では、非線形媒質中で２波長ポンプの四光波混合過程のみしか起こらないと仮定したが、現実には、一方の波長のポンプ光のみによるシグナル・アイドラ非縮退の四光波混合過程によっても光パラメトリック発振が起こる可能性がある。シグナル・アイドラ非縮退の光パラメトリック発振によって得られるシグナル光・アイドラ光の位相は完全にランダムであるため、これらの光が光フィルタの透過中心波長ｆｓに入り込む場合には、縮退した光パラメトリック発振器において位相雑音源となるが、実施形態２ではこれを防止している。

【0041】

非特許文献５によると、ポンプパワーＰｐｘ（ｘ＝｛１，２｝）の１波長ポンプの四光波混合の利得は次式で与えられる。

【0042】

【数13】

【0043】

ここで、１波長ポンプの場合の位相ミスマッチΔｋ’は次式で与えられる。

【0044】

【数14】

【0045】

ここで、ｋｓ、ｋｐｘは実施形態１の縮退した光パラメトリック発振器におけるシグナル光、ポンプ光の波数である。また、ｋｉは、光周波数ｆｐｘの１波長ポンプの場合に発生するアイドラ光の波数である。アイドラ光の光周波数ｆｉは、ｆｉ＝２ｆｐｘ−ｆｓで与えられる。４次以上の高次分散の影響が無視できるとすると、Δｋ’は以下のように得られる。

【0046】

【数15】

【0047】

ここで、λｐｘ、λｓ、λ_０はそれぞれポンプ光波長、シグナル光波長、ゼロ分散波長であり、ｄＤ／ｄλは分散スロープである。またｃは光速を表す。式（１２）より、Δｋ’＞０となれば、１波長ポンプ光による非縮退の四光波混合過程による光パラメトリック発振の利得が生じないことがわかる。すなわち、Δｋ’＞０となるように、式（１４）に沿って非線形光学媒質のゼロ分散波長λ_０、分散スロープｄＤ／ｄλ、ポンプ光の波長λｐｘ、発振光の波長λｓをそれぞれ設定すれば、実施形態１で説明した２波長ポンプ光による縮退パラメトリック発振によって生成させたパルス光に、１波長ポンプ光による縮退パラメトリック発振に起因した位相雑音が重畳することはない。

【0048】

式（１２）、式（１４）を用いて、１波長ポンプの四光波混合の利得が発生しない条件を見積もることができる。例として、ゼロ分散波長１５３７ｎｍ、分散スロープ０．０３ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ、非線形定数γ＝１１の光ファイバを用いた場合について以下に説明する。通常、効率よく２ ポンプ波長の四光波混合を起こすには、ゼロ分散波長に対し短波長側と長波長側にそれぞれポンプ波長を配置する。式（１４）からは、分散スロープが正の場合、λｐ＜λ０の時にはΔｋ’＞０となり利得は発生しない。よって、ポンプ波長を１５３１ｎｍに固定し、ゼロ分散波長に対して長波長側のポンプ光によるパラメトリック増幅のシグナル光に対する利得が発生する領域を計算する。シグナル光波長λｓを、ポンプ光波長λｐ１（＝１５３１ｎｍ）、λｐ２に対して２／λｓ＝１／λｐ１＋１／λｐ２となるように設定すると、式（１２）、式（１４）より長波長側ポンプ波長λｐを変化させた時のシグナル光波長の利得は図３のように求められる。これより、例えば長波長側ポンプのピークパワーを０．５Ｗと設定する場合には、波長を約１５４９ｎｍより長波長側に設定することで、１波長ポンプの四光波混合による雑音を抑圧した縮退した光パラメトリック共振器が構成可能である。

【0049】

（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１、２のパルス多重の縮退した光パラメトリック共振器と同様の構成の共振器において、ポンプ光パルスのコヒーレンス時間を発振光の光共振器一周時間に比べて十分長く設定する。

【0050】

実施形態１、２のようなパルス多重の縮退した光パラメトリック共振器においては、ポンプ光のコヒーレンス時間が光パルスの光共振器一周時間より短い場合、非線形光学媒質からパラメトリック増幅過程により発生したシグナル光が光共振器を一周し、再びポンプ光と合波され非線形光学媒質においてパラメトリック増幅される際、ポンプ光と光の位相関係が揺らぐ。ポンプ光と光の位相関係が揺らぐと、位相が定まった縮退した光パラメトリック発振が達成できない。本実施形態の縮退した光パラメトリック共振器では、コヒーレンス時間が光共振器一周時間より十分長いポンプ光パルスを用いることで、ポンプ光と光の位相関係が揺らぐことがなくなり、位相が定まった縮退した光パラメトリック発振が達成できる。特に、コヒーレンス時間の長い連続光レーザを外部変調することで、コヒーレンス時間の長いポンプ光パルスを生成することが可能である。

【0051】

（実施形態４）
本実施形態では、実施形態１から実施形態３のいずれかのパルス多重の縮退した光パラメトリック共振器を用いてランダム信号発生器を構成する。図４は、本実施形態のランダム信号発生器の構成例を示す図である。本実施形態のランダム信号発生器は、実施形態１の構成に加えて、光スイッチ５と、１ビット遅延干渉計１９と、光検出器２０と、信号変換装置２１とをさらに備えている。具体的には図４に示すように、光合波手段３と光入力手段４１の間にポンプ光のＯＮ／ＯＦＦのための光スイッチ５を挿入し、光出力手段４５の後に、縮退した光パラメトリック共振器パルス間の位相差を測るための手段として、パルス間隔Ｔｐに等しい時間遅延をもつ１ビット遅延干渉計１９と、その出力に接続された光検出器２０を備えている。また、光検出器２０からの出力信号を閾値処理して０または１のデジタル信号に変換するための信号変換装置２１をさらに備えている。

【0052】

１ビット遅延干渉計１９の２腕間の位相差は、隣接する光パルス間の位相差が０の時、光パルスがポートＡから出力され、πの時ポートＢから出力されるよう調整されている。よって、光検出器２０は位相差０の時光を検出し、πの時には何も検出しない。信号変換装置では、光検出器出力信号の大小に対して閾値処理し、例えば信号大の場合にはビット０、小の場合にはビット１を割り当てることで、バイナリのビット列を得る。上に述べたように、原理的にパルス多重の縮退した光パラメトリック共振器から出力される光パルスの相対位相は原理的に０またはπの何れかをランダムにとるので、共振器に多重されたパルス数がＮ_１の場合、Ｎ_１ビットのランダム信号を得ることができる。

【0053】

さらに、光スイッチ５を用いてポンプパルスレーザを光共振器寿命(cavity lifetime)より長い周期でオンオフすることにより、新たな位相パターンの縮退した光パラメトリック発振を行い、新たなパターンのＮ_１ビットランダム信号を周期的に発生することができる。ここで、光共振器寿命は、ｎを共振器の屈折率、Ｌを共振器長、ｃを光速、ｄを共振器の一周あたりの損失とすると、ｎＬ／ｃｄと表される。

【0054】

本実施形態により、従来の手法に比べパルス多重数Ｎ_１の増大が容易であるから、より高速なランダム信号発生が可能になる。

【0055】

（実施形態５）
本実施形態では、実施形態１から実施形態３のいずれかのパルス多重の縮退した光パラメトリック共振器を用いてイジングモデル計算装置を構成している。図５は、本実施形態のイジングモデル計算装置の構成例を示す図である。

【0056】

本実施形態のイジングモデル計算装置は、実施形態１の構成に加えて、光スイッチ５と、光結合手段６と、１ビット遅延干渉計１９と、光検出器２０と、信号変換装置２１とをさらに備えている。具体的には図５に示すように、光合波手段３と光入力手段４１の間にポンプ光のＯＮ／ＯＦＦのための光スイッチ５を挿入しており、また光出力手段４５の後に、光パラメトリック共振器パルス間の位相差を測るための手段として、パルス間隔Ｔｐに等しい時間遅延をもつ１ビット遅延干渉計１９と、その出力に接続された光検出器２０を備えている。また、光検出器２０からの出力信号を処理、記録するための信号処理装置２１を備えている。さらに、共振器４中に、光結合手段６が挿入されている。

【0057】

図６は、光結合手段６をさらに詳細に示す図である。光結合手段６は、光分岐手段６５と、光合波手段６１との間に、強度変調器６４と、Ｎ_２組の位相変調器６３と、光遅延線６２とを有する経路が並列に設けられて構成されている。ｋはその絶対値が１≦|ｋ|≦Ｎ_２（Ｎ_２は自然数）となる整数とする。光分岐手段と光結合手段の間に経路０からＮ_２までのＮ_２＋１の経路があり、経路ｋには経路ｋの強度変調器（ＩＭｋ）、経路ｋの位相変調器（ＰＭｋ）、経路ｋの光遅延線（ＤＬｋ）が挿入されている。光遅延線ｋを適切に設定することにより、光路ｋは光路０に比べ、ｋＴｐ長く設定されている（ｋが負の整数の場合は、｜ｋ｜Ｔｐ短く設定される）。このように、ｋ番目の光路において強度変調器ｋをオンにすることで、ｋ番目の光路と０番目の光路とでｋビット遅延干渉計を構成することができ、これにより、１≦ｊ≦Ｎ_１の任意のｊ番目の光パラメトリック発振パルスとｊ＋ｋ番目のパルスとの間の光学的結合を実現することができる。

【0058】

これは、強度変調器ｋをオンにすることで、式（２）におけるＪ_{ｍ，ｍ＋ｋ}（ｍは１≦ｍ≦Ｎ_１の任意の自然数）をゼロ以外の値に設定できることに相当する。また、位相変調器の位相を０またはπに設定することで、Ｊ_{ｍ，ｍ＋ｋ}の値を正、負に設定することができる。

【0059】

このように、図５の系を用いて０、πの２値の位相を持つＮ_１個の縮退した光パラメトリック発振パルス群において、Ｎ２通りの異なる時間間隔だけ離れたパルスに対して、任意の結合計数Ｊ_ｊ，ｌを設定することが可能なイジングモデル系を構築することができる。

【0060】

光結合手段６中の位相変調器６３と強度変調器６４を、プログラムしたいイジングモデル系にあわせて駆動した後、光スイッチ５をオンにしてポンプ光を光共振器４に導入する。パルス多重の縮退した光パラメトリック発振が定常状態になったあと、光出力手段４５の後に備えられた１ビット遅延干渉計１９と検出器２０により、実施形態３に述べたのと同様にして各パルス間の位相差を測定する。測定結果は信号処理装置２１により記録される。これにより、全Ｎ１パルスの相対位相が得られる。このようにして得られた位相の組み合わせは、設定したＪ_ｊ，ｌからなるマルチモード光共振器中で最も低いポンプパワーで発振する位相の組み合わせに相当しているため、プログラムしたイジングモデル系の基底状態を得ることと等価である。

【符号の説明】

【0061】

１、２ ポンプパルスレーザ
３ 光合波手段
４ 光共振器
４１ 光入力手段
４２ ３次の非線形光学媒質
４３ 光フィルタ
４４ 偏波コントローラ
４５ 光出力手段
５ 光スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】