特開 2022-181935 光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022181935

(43)【公開日】2022-12-08

(54)【発明の名称】光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/06 20060101AFI20221201BHJP

   H01S 3/16 20060101ALI20221201BHJP

   H01S 3/067 20060101ALI20221201BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20221201BHJP

【ＦＩ】

H01S3/06

H01S3/16

H01S3/067

G02B6/02 416

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021089181

(22)【出願日】2021-05-27

(71)【出願人】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐中 薫

【テーマコード（参考）】

2H250

5F172

【Ｆターム（参考）】

2H250AB14

2H250AC32

2H250AC33

2H250AD35

2H250AG02

2H250AG17

5F172AF03

5F172AF06

5F172AM02

5F172AM08

(57)【要約】

【課題】単一光子を発生させることが可能な光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装を提供する。
【解決手段】希土類元素を内部に含み、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を有する、光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

希土類元素を内部に含み、
前記希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を有する、光ファイバー。

【請求項2】

前記希土類元素が、Ｙｂ及びＥｒの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の光ファイバー。

【請求項3】

前記領域からの発光の少なくとも一部を増幅する共振器を備える、請求項１又は請求項２に記載の光ファイバー。

【請求項4】

前記共振器が、ファイバーブラッググレーティング又はナノクレーターを有する、請求項３に記載の光ファイバー。

【請求項5】

請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバーの前記領域の少なくとも一部に励起光を照射して、前記希土類元素を発光させる、発光方法。

【請求項6】

前記光ファイバーの長手方向端部を介して、前記励起光が照射される、請求項５に記載の発光方法。

【請求項7】

前記光ファイバーの外壁を介して、前記励起光が照射される、請求項５に記載の発光方法。

【請求項8】

請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバーと、
前記光ファイバーの前記領域の少なくとも一部に励起光を照射する光源と、
を備える、発光装置。

【請求項9】

外部共振器を備える、請求項８に記載の発光装置。

【請求項10】

希土類元素がドープされた光ファイバー母材を長手方向に延伸することにより、前記希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を延伸部に形成する工程を含む、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の光ファイバーの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバーは、光信号を高速で伝達することができるため、通信、コンピューター等の情報技術の分野で広く用いられている。そのような光ファイバーは、例えば、特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１１８６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

量子技術を用いた情報技術（量子情報技術）では、量子コンピューター、量子メモリ、量子暗号等、単一光子の量子力学的性質を利用する検討がなされている。しかしながら、特許文献１等の技術を始めとして、様々な技術が検討されているにも関わらず、単一光子を得るための技術が十分でないのが現状である。

【0005】

本開示は、このような状況を鑑みてなされたものであり、本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、単一光子を発生させることが可能な光ファイバーを提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記光ファイバーの製造方法を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記光ファイバーを用いた発光方法を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、上記光ファイバーを用いた発光装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、以下の態様を含む。
＜１＞ 希土類元素を内部に含み、
希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を有する、光ファイバー。
＜２＞ 希土類元素が、Ｙｂ及びＥｒの少なくとも１つを含む、＜１＞に記載の光ファイバー。
＜３＞ 上記領域からの発光の少なくとも一部を増幅する共振器を備える、＜１＞又は＜２＞に記載の光ファイバー。
＜４＞ 共振器が、ファイバーブラッググレーティングを有する、＜３＞に記載の光ファイバー。
＜５＞ ＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の光ファイバーの上記領域の少なくとも一部に励起光を照射して、希土類元素を発光させる、発光方法。
＜６＞ 光ファイバーの長手方向端部を介して、励起光が照射される、＜５＞に記載の発光方法。
＜７＞ 光ファイバーの外壁を介して、励起光が照射される、＜５＞に記載の発光方法。
＜８＞ ＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の光ファイバーと、
光ファイバーの上記領域の少なくとも一部に励起光を照射する光源と、
を備える、発光装置。
＜９＞ 外部共振器を備える、＜８＞に記載の発光装置。
＜１０＞ 希土類元素がドープされた光ファイバー母材を長手方向に延伸することにより、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を延伸部に形成する工程を含む、＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の光ファイバーの製造方法。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一実施形態によれば、単一光子を発生させることが可能な光ファイバーが提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記光ファイバーの製造方法が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記光ファイバーを用いた発光方法が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、上記光ファイバーを用いた発光装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、光ファイバーの一例を示す模式図である。

【図2】図２は、光ファイバーの一例を示す模式図である。

【図3】図３は、光ファイバーの一例を示す模式図である。

【図4】図４は、光ファイバーを用いた発光方法の一例を示す模式図である。

【図5】図５は、光ファイバーを用いた発光方法の一例を示す模式図である。

【図6】図６は、発光装置の一例を示す模式図である。

【図7】図７は、発光装置の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示に係る光ファイバー及びその製造方法、発光方法並びに発光装置の詳細を説明する。

【0010】

本開示において「～」を用いて示された数値範囲は、「～」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。
本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において、２以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
本開示において、各成分の量は、各成分に該当する物質が複数種存在する場合には、特に断らない限り、複数種の物質の合計量を意味する。
本開示において、「工程」という語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。

【0011】

以下の説明において参照する図面は、例示的、かつ、概略的に示されたものであり、本開示は、これらの図面に限定されない。同じ符号は、同じ構成要素を示す。また、図面の符号は省略することがある。

【0012】

＜光ファイバー＞
本開示に係る光ファイバーは、希土類元素を内部に含み、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を有する。

【0013】

希土類元素は、励起光により励起されて発光する、すなわち、光子を発生する性質を有しており、例えば、特許文献１に記載されているような、希土類元素をドープした光ファイバーが検討されている。しかし、希土類元素を光ファイバーに単にドープするだけでは、単一光子を発生させることは難しい。

【0014】

これに対して、本開示に係る光ファイバーは、内部に含まれる希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を有している。そのため、この領域に励起光を照射した際、回折限界を超える距離で単一の原子に分離した希土類元素を励起することができる。そして、励起された希土類元素の原子が単一光子源として機能し、単一光子を発生させることが可能である。

【0015】

本開示に係る光ファイバーにおいて、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域を「特定領域」と呼ぶことがある。

【0016】

例えば、図１に示される光ファイバー１００は、希土類元素を含んでおり、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する特定領域１０を有する。

【0017】

光の回折限界は、希土類元素の発光の波長程度である。特定領域において、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在することは、特定領域に励起光を照射した際、単一光子の発生を観察することで確認することができる。

【0018】

単一光子の発生は、以下の要領で観察することができる。
光ファイバーの特定領域に励起光を照射し、希土類元素を発光させる。希土類元素の発光は、光学顕微鏡（例えば、３０倍～４０倍の倍率）を用いて特定領域を目視で観察することにより、確認することができる。希土類元素の発光について、光子相関測定により光子統計を得ることで、希土類元素の原子から発生した光子が単一光子状態であることを確認することができる。具体的には、希土類元素の発光をビームスプリッタにより２方向に分離し、分離した２方向の光について、それぞれ単一光子検出器を使用して観測することにより、単一光子検出器２台を使用した同時観測測定を行う。両検出器で同時刻に観測される光子の検出確率がほぼゼロである場合、希土類元素の原子から発生した光子が単一光子状態にあるとして計測する。このようにして、単一光子の発生を観察することができる。

【0019】

光ファイバーの材質として、石英ガラスを好適に用いることができる。また、光ファイバーは、中央のコア部をクラッド部で覆ったコア／クラッド構造を有するものであってよい。

【0020】

特定領域の径は特に限定されず、例えば、０．３μｍμ～２．０μｍであってよい。
特定領域の径は、電子顕微鏡、又は光学顕微鏡（例えば３０倍～４０倍の倍率）を使用する方法により測定することができる。また、特定領域の径は、スケールの判明しているテストターゲット等を同時に観測することで、径を計算する方法により測定することができる。

【0021】

光ファイバーは、特定領域以外の他の領域を含んでよい。例えば、図１に示すように、光ファイバー１００は、特定領域１０以外の他の領域、すなわち、非特定領域５０及びテーパー部３０を含んでよく、特定領域１０と非特定領域５０とが、テーパー部３０を介して連続した構造を有してよい。ある態様では、テーパー部３０の一部において、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在してよく、上記一部は、特定領域１０の一部であり得る。このような光ファイバー１００は、例えば、後述するように、希土類元素がドープされた光ファイバー母材を長手方向に延伸することにより製造することができる。このようにして製造された光ファイバーにおいて、特定領域は、光ファイバー母材が細線化したものであり、一方、非特定領域は、光ファイバー母材と同一の構造を有し、例えば、中央のコア部をクラッド部で覆ったコア／クラッド構造を有する。例えば、非特定領域の径は、５μｍ～５０μｍであってよく、コア部の径は、０．３μｍ～２．０μｍであってよい。
非特定領域及びコア部の径は、電子顕微鏡、又は光学顕微鏡（例えば３０倍～４０倍の倍率）を使用する方法により測定することができる。また、非特定領域及びコア部の径は、スケールの判明しているテストターゲット等を同時に観測することで、径を計算する方法により測定することができる。

【0022】

［希土類元素］
希土類元素は、量子情報技術の分野において有益である。例えば、希土類元素は、常温であっても光学的に活性であり、光励起及び励起光の光学測定が容易である。

【0023】

また、希土類元素は、固体中（光ファイバー中）で安定した固有エネルギー準位を形成し、更に、外部環境に影響されにくい小さな固有エネルギー均一幅を有する。そのため、希土類元素は、光励起が容易である。
これに対して、量子ドットは、固体中で安定した固有エネルギー準位を形成することができない。

【0024】

また、希土類元素の原子から発生した単一光子は、ナノメートルオーダーの導波路（例えば、ある態様において、特定領域）及び共振器への導波が容易である。

【0025】

希土類元素の種類は特に限定されないが、例えば、Ｙｂは、１／２の核スピンを有する同位体が存在するため、量子コンピューター、量子メモリ等への適用の観点から好ましい。また、Ｅｒは、発生する光の波長が光通信で使われている波長に極めて近く、光通信への応用の観点から好ましい。

【0026】

希土類元素は、１種を単独で用いてよく、２種以上を併用してもよい。上記観点から、光ファイバーは、Ｙｂ及びＥｒの少なくとも１つを含むことが好ましい。

【0027】

希土類元素の光ファイバーへのドープ量（ｍ^－３）は、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する限りは特に限定されない。

【0028】

［共振器］
光ファイバーは、特定領域からの発光の少なくとも一部を増幅する共振器を備えてよい。

【0029】

共振器の構成は特に限定されないが、例えば、光ファイバー中に設けられた２つの光反射器と、これらで挟まれた区間とからなる共振器が挙げられる。

【0030】

光ファイバーにおける共振器の位置は特に限定されず、２つの光反射器はそれぞれ、特定領域、テーパー部又は非特定領域のいずれに配置されていてもよい。

【0031】

例えば、特定領域１０の少なくとも一部を挟むように２つの光反射器が配置されてなる共振器であってよい。この態様において、例えば、図２に示すように、光ファイバー１０２の特定領域１０の一部に、光反射器７２及び光反射器７４を設けることにより、２つの光反射器と、これらで挟まれた区間とからなる共振器７０としてよい。これにより、特定領域で発生する単一光子の発生効率を共振器により増幅することができる。
この態様において、光反射器の長手方向の長さは、例えば、１０μｍ～１００μｍであってよく、光反射器により挟まれた区間の長さは、例えば、１０μｍ～１００μｍであってよい。

【0032】

また、例えば、特定領域１０を挟まないように２つの光反射器が配置されてなる共振器であってよい。例えば、図３に示すように、光ファイバー１０４の非特定領域５２の一部に、光反射器７７及び光反射器７９を設けることにより、２つの光反射器と、これらで挟まれた区間とからなる共振器７５としてよい。これにより、特定領域で発生した単一光子の発生効率を共振器により増幅することができる。
この態様において、光反射器の長手方向の長さは、例えば、１０μｍ～１００μｍであってよく、光反射器により挟まれた区間の長さは、例えば、１０μｍ～１００μｍであってよい。

【0033】

共振器の構造は特に限定されず、公知のものであってよい。例えば、共振器は、ファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：ＦＢＧ）を有してよく、また、ナノクレーターを有してよい。ＦＢＧ及びナノクレーターは、光反射器として機能する。
ＦＢＧとしては、例えば、光ファイバーの内部に屈折率の分布が設けられた構造、光ファイバーの内部に周期構造が設けられた構造等が挙げられる。
また、ナノクレーターとしては、光ファイバーの外壁に複数の凹部が設けられた構造、光ファイバーの外壁に一次元フォトニック結晶が設けられた構造等が挙げられる。

【0034】

＜発光方法＞
本開示に係る発光方法では、本開示に係る光ファイバーの特定領域の少なくとも一部に励起光を照射して、希土類元素を発光させる。これにより、励起された希土類元素の原子が単一光子源として機能し、単一光子を発生させることが可能である。

【0035】

例えば、図１に示される光ファイバー１００を用いた、図４及び図５に示される発光方法が挙げられる。

【0036】

図４に示される発光方法では、光ファイバー１００の長手方向端部９０を介して、特定領域１０に、光源３００から励起光（矢印Ａ_１）を照射する。これにより、励起された希土類元素が発光し、希土類元素の原子から単一光子が発生する。希土類元素の発光は、光ファイバー１００の特定領域１０を介して、光ファイバー１００の長手方向端部９２に向かって導波することができる。例えば、長手方向端部９２に導波された光（矢印Ａ_２）、又は特定領域１０からの発光を上述の方法で分析することにより、単一光子の発生を観察することができる。

【0037】

図５に示される発光方法では、光ファイバー１００の外壁を介して、特定領域１０に、光源３００から励起光（矢印Ａ_１）を照射する。これにより、励起された希土類元素が発光し、希土類元素の原子から単一光子が発生する。希土類元素の発光は、光ファイバー１００の特定領域１０を介して、光ファイバー１００の長手方向端部９０及び長手方向端部９２の少なくとも一方に向かって導波することができる。例えば、長手方向端部９０又は長手方向端部９２に導波された光（矢印Ａ_２）を上述の方法で分析することにより、単一光子の発生を観察することができる。

【0038】

励起光として、例えば、光ファイバーにドープされた希土類元素の種類に応じて、適切な励起波長を有するレーザー光を用いてよい。例えば、Ｙｂの励起波長として、９１５ｎｍ及び９７５ｎｍが挙げられ、Ｅｒの励起波長として、９８０ｎｍ及び１４８０ｎｍが挙げられる。

【0039】

＜発光装置＞
本開示に係る発光装置は、本開示に係る光ファイバーと、
光ファイバーの特定領域の少なくとも一部に励起光を照射する光源と、
を備える。これにより、励起された希土類元素の原子が単一光子源として機能し、単一光子を発生させることが可能である。

【0040】

光源は、上述した励起光を照射することができる限りは特に限定されない。光ファイバー及び励起光の詳細については、上述した通りである。

【0041】

光ファイバーの特定領域の少なくとも一部に励起光を照射する態様は特に限定されず、発光方法において上述した方法を用いてよい。

【0042】

例えば、図６に示される発光装置７００は、光ファイバー１００及び光源３００を備えている。光源３００から照射された励起光（矢印Ａ_１）が、光ファイバー１００の長手方向端部９０を介して特定領域１０に照射される。これにより、励起された希土類元素が発光し、希土類元素の原子から単一光子が発生する。希土類元素の発光は、光ファイバー１００の特定領域１０を介して、光ファイバー１００の長手方向端部９２に向かって導波され、導波された光（矢印Ａ_２）を長手方向端部９２から取り出すことができる。

【0043】

発光装置は、光ファイバーに備えられ得る上述の共振器以外に、例えば、外部共振器等の他の共振器を備えてよい。外部共振器等の他の共振器の構成は特に限定されず、公知の構成を用いてよい。外部共振器として、光反射器（例えば、ミラー）を含むものが挙げられる。

【0044】

例えば、図７に示される発光装置７０２は、光ファイバー１００、光源３００及び外部共振器５００を備えている。外部共振器５００は、光反射器５２０及び光反射器５４０を含んでいる。光源３００から照射された励起光（矢印Ａ_１）が、光ファイバー１００の長手方向端部９０を介して特定領域１０に照射される。これにより、励起された希土類元素が発光し、希土類元素の原子から単一光子が発生する。希土類元素の発光は、光ファイバー１００の特定領域１０を介して、光ファイバー１００の長手方向端部９２に向かって導波される。導波された光（矢印Ａ_２）が、外部共振器５００に導入されて、増幅される。増幅された光（矢印Ａ_３）を外部共振器５００から取り出すことができる。

【0045】

＜光ファイバーの製造方法＞
本開示に係る光ファイバーの製造方法は特に限定されないが、以下の本開示に係る光ファイバーの製造方法を好適に用いることができる。
本開示に係る光ファイバーの製造方法は、希土類元素がドープされた光ファイバー母材を長手方向に延伸することにより、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域（すなわち、特定領域）を延伸部に形成する工程（以下、「延伸工程」と呼ぶことがある）を含む。

【0046】

［延伸工程］
希土類元素がドープされた光ファイバー母材（以下、単に「光ファイバー母材」と呼ぶことがある）は、例えば、以下のようにして、長手方向に延伸することができる。

【0047】

まず、光ファイバー母材の一部を、光ファイバー母材の融点以上の温度に加熱する。加熱方法は特に限定されず、例えば、セラミックヒーター、ガスバーナー等を用いてよい。

【0048】

次いで、光ファイバー母材の加熱部を介して、光ファイバー母材の２カ所を保持しながら、長手方向に向かって加熱部を延伸する。これにより、延伸部において、希土類元素間の距離が長くなり、特定領域を延伸部に形成することができ、例えば、図１に示される光ファイバー１００を作製することができる。ある態様では、テーパー部３０の一部において、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在してよく、上記一部は、特定領域１０の一部であり得る。

【0049】

光ファイバー母材を延伸する際、延伸の程度は、希土類元素の光ファイバー母材へのドープ量（ｍ^－３）を考慮して適宜決定することができる。すなわち、ドープ量（ｍ^－３）は、光ファイバー母材の単位体積中の個数であるため、光ファイバー母材をどの程度延伸させれば、希土類元素間の距離がどの程度長くなるのかを推定することができる。このような推定に基づいて、回折限界を超える距離となるように、延伸の程度を決定することができる。

【0050】

光ファイバー母材は特に限定されず、公知のものを用いてよい。
光ファイバー母材の材質として、石英ガラスを好適に用いることができる。また、光ファイバーは、中央のコア部をクラッド部で覆ったコア／クラッド構造を有するものであってよい。例えば、光ファイバー母材の径は、５μｍ～５０μｍであってよく、コア部の径は、５μｍ～５０μｍであってよい。

【0051】

光ファイバー母材の製造方法は特に限定されず、公知の方法で製造されたものであってよい。例えば、ＭＣＶＤ法（Ｍｏｄｅｆｉｅｄ Ｃｈｅｍｏｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）、ＶＡＤ法（Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ Ａｘｉａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）等が挙げられる。また、希土類元素をドープせずに上記方法により作製した光ファイバー母材に、気相法により希土類元素を昇華させて光ファイバー母材にドーピングしてもよい。

【0052】

希土類元素の詳細については、上述の通りである。
また、希土類元素の光ファイバー母材へのドープ量は、光ファイバー母材を長手方向に延伸した際、特定領域を延伸部に形成することができる限りは、特に限定されない。

【0053】

［他の工程］
本開示に係る光ファイバーの製造方法は、光ファイバーを延伸する上記工程以外の他の工程を含んでよい。

【0054】

例えば、本開示に係る光ファイバーの製造方法は、特定領域からの発光の少なくとも一部を増幅する共振器を光ファイバーに形成する工程（以下、「共振器形成工程」と呼ぶことがある）を含んでよい。共振器の詳細については、上述の通りである。
共振器形成工程は特に限定されず、公知の工程を用いてよい。

【実施例0055】

以下、実施例を挙げて本開示をより具体的に説明する。但し、本開示は、これらの実施例に限定されない。

【0056】

＜延伸工程＞
Ｙｂでドープされた光ファイバー母材（ｎＬｉｇｈｔ， Ｉｎｃ．社製の「ＹＢ１２００－４／１２５」）の一部（長手方向に２ｍｍ～３ｍｍの領域）を、ガスバーナーを用いて、光ファイバー母材の融点以上の温度に加熱した。

【0057】

次いで、光ファイバー母材の加熱部を介して、光ファイバー母材の２カ所を保持しながら、長手方向に向かって加熱部を２．５ｃｍ延伸した。これにより、希土類元素の少なくとも一部が、回折限界を超える距離で単一の原子に分離して存在する領域、すなわち、特定領域１０を延伸部に形成して、図１に示される光ファイバー１００を作製した。

【0058】

＜発光＞
得られた光ファイバー１００を用いて、以下の要領で、特定領域中の希土類元素を発光させた。
励起光の光源として、ソーラボ社製の温度調整機能つきレーザーダイオードマウントに、ＤｉｇｉＫｅｙ社のレーザーダイオードを取り付けたレーザー光源を用いた。
図４に示すように、光ファイバー１００の長手方向端部９０を介して、特定領域１０に、光源３００から励起光（励起波長：９８０ｎｍ、矢印Ａ_１）を照射した。これにより、特定領域１０において、２４ｎｍ～７７μｍの距離で分離した５箇所で、励起された希土類元素の発光を確認した。希土類元素の発光は、光学顕微鏡（３０倍の倍率）を用いて特定領域１０を目視で観察することにより、確認した。

【0059】

特定領域１０の希土類元素の発光を、以下の要領で分析することにより、単一光子の発生を観察した。
希土類元素の発光について、光子相関測定により光子統計を得ることで、希土類元素の原子から発生した光子が単一光子状態であることを確認した。具体的には、希土類元素の発光をビームスプリッタにより２方向に分離し、分離した２方向の光について、それぞれ単一光子検出器を使用して観測することにより、単一光子検出器２台を使用した同時観測測定を行った。両検出器で同時刻に観測される光子の検出確率がほぼゼロである場合、希土類元素の原子から発生した光子が単一光子状態にあるとして計測した。このようにして、単一光子の発生を観察した。

【符号の説明】

【0060】

１０ 特定領域
３０ テーパー領域
５０、５２ 非特定領域
７０、７５ 共振器
７２、７４、７７、７９ 光反射器
９０、９２ 長手方向端部
１００、１０２、１０４ 光ファイバー
３００ 光源
５００ 外部共振器
５２０、５４０ 光反射器
７００、７０２ 発光装置
Ａ_１ 励起光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】