WO2014003221A1 - Photon detection device and method - Google Patents

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WO2014003221A1
WO2014003221A1 PCT/KR2012/005144 KR2012005144W WO2014003221A1 WO 2014003221 A1 WO2014003221 A1 WO 2014003221A1 KR 2012005144 W KR2012005144 W KR 2012005144W WO 2014003221 A1 WO2014003221 A1 WO 2014003221A1
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WO
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signal
photon detection
photon
integrator
detection element
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Application number
PCT/KR2012/005144
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Korean (ko)
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한상욱
문성욱
보우지드압세타
이민수
우민기
김일영
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한국과학기술연구원
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    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02Details
    • GPHYSICS
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    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44Electric circuits
    • GPHYSICS
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    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/10Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void

Definitions

  • a device and method for detecting photons are described in detail below.
  • the single photon detection device is a very important configuration in many fields such as quantum cryptography system, optical network inspection equipment or semiconductor device analysis. Fibers are the most suitable for long distance communication because they exhibit minimal loss and low dispersion at 1.55 ⁇ m. At this 1.55 ⁇ m wavelength, the most common single photon detection device is based on InGaAs / InP Avalanche Photodiode. InGaAs / InP avalanche photodiodes have advantages such as small size and low driving voltage.
  • InGaAs / InP avalanche photodiodes typically operate above the breakdown voltage, which is called Geiger mode.
  • Geiger mode the avalanche photodiode has a large reverse voltage applied to its junction, resulting in a large electric field.
  • Photons incident on the junction region then generate electron-hole pairs.
  • the electron-hole pairs generated in the junction region are accelerated by the strong electromagnetic field applied to the junction region.
  • the electron-hole pairs which have been given sufficient energy by the electromagnetic field, are in turn accelerated and create new electron-hole pairs. This phenomenon is called avalanche.
  • the time for extinguishing the remaining carriers is called dead time.
  • the present invention provides a single photon detection apparatus and method that are robust to after pulse noise.
  • Photon detection device includes a photon detection element for outputting an electrical signal in accordance with the input signal and the signal of the incident photon; An integrator which integrates an electrical signal output from the photon detection element; And a comparator for outputting a signal for distinguishing an integrated signal output from the integrator and a threshold voltage magnitude.
  • the photon detection method includes the steps of outputting an electrical signal in accordance with the input signal and the signal by the incident photon, integrating the electrical signal; And outputting a signal that distinguishes the magnitude of the integrated signal from a threshold voltage.
  • Photons can be detected by integrating the electrical signal output from the photon detection element and dividing the magnitude of the integrated signal.
  • the structure and detection method proposed in the present invention can detect an electrical signal of a significantly smaller size than the conventional invention, thereby reducing the magnitude of the avalanche current generated by a single photon, which is a trapped carrier. ) Can be reduced. As a result, after-pulse noise can be reduced, making a single photon detection device robust to after-pulse noise.
  • FIG. 1 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating input and output signals of the photon detection element illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a signal of the circuit diagram shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a flowchart according to an embodiment of the present invention.
  • the photon detection apparatus 100 includes a photon detection element 110, an integrator 120, and a comparator 130.
  • the photon detecting apparatus 100 shown in FIG. 1 only components related to the present exemplary embodiment are shown. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that other general purpose components may be further included in addition to the components shown in FIG. 1. For example, a count that counts a signal output from the comparator 130 and counts photons may be connected to an output terminal of the comparator 130.
  • the photon detection device 100 is a device for determining whether to detect photons. In other words, when the photon is incident, the photon detecting apparatus 100 determines whether the photon is detected by integrating an electrical signal generated by the incident photon. Since the photon detection device 100 determines whether to detect photons using a threshold value for distinguishing the magnitude of the integrated signal of the output of the photon detection element 110 changed by the signal generated by the avalanche, the weak avalanche Even if is detected, it is possible to determine whether to detect photons.
  • the photon detecting device 110 is a light receiving device that generates an electric signal when photons are incident.
  • the photon detection device 110 determines an operation time according to an input signal. In other words, in the case of a periodic signal in which an input signal is repeated on-off, the photon detection element 110 also operates according to the input signal.
  • the photon detection element 110 responds to incident photons only during the operation time. The operation of the photon detection element 110 will be described in detail below with reference to FIG. 3.
  • the photon detection element 110 may be an avalanche photodiode.
  • the gate signal is applied to the avalanche photodiode.
  • a capacitive response inherent to the avalanche photodiode occurs.
  • the capacitive response signal of the avalanche photodiode has the form of a vibrating sine wave. Accordingly, when a photon is incident on the avalanche photodiode to generate an avalanche signal, the avalanche photodiode outputs an electrical signal in which the capacitive response and the avalanche signal are combined to the integrator 120.
  • the integrator 120 integrates the electrical signal input from the photon detection element 110 and outputs the integrated signal to the comparator.
  • the integrator 120 integrates only an electrical signal based on a capacitive response when no avalanche signal is generated, and integrates an electrical signal obtained by combining the capacitive response and avalanche signal when an avalanche signal occurs. Therefore, the magnitude of the integrated signal integrated in the integrator 120 varies depending on whether the avalanche signal is generated.
  • the integrator 120 outputs the integrated signal to the comparator 130.
  • the comparator 130 compares an integrated signal input from the integrator 120 with a threshold value and outputs a comparison result.
  • the threshold is a value for distinguishing whether or not an avalanche signal is generated. In other words, the threshold value is set to distinguish the integral signal when the avalanche signal has occurred and the integral signal when the avalanche signal has not occurred.
  • the comparator 130 outputs a comparison result. For example, the comparator 130 may output a signal indicating 1 or 0 to indicate whether an avalanche signal is generated. In other words, according to the output value of the comparator 130, it is determined whether photons are detected.
  • the photon detection device 100 integrates the electrical signal output from the photon detection element 110 by using the integrator 120, and distinguishes the magnitude of the integrated signal by using a threshold value, so that a weak avalanche is achieved. When generated, it is possible to determine whether to detect photons. A method of determining whether the photon detection device 100 detects photons will be described in detail below.
  • FIG. 2 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
  • the photon detection apparatus 100 includes a synthesizer 140, a photon detection element 110, an integrator 120, and a comparator 130.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the photon detection device 100 shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, the components of the photon detecting apparatus 100 shown in FIG. 1 are illustrated in a circuit diagram. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may also be applied to the photon detection apparatus according to the embodiment of FIG. 2.
  • the synthesizer 140 synthesizes the gate signal 21 and the DC bias voltage 22 and outputs the synthesized signal to the photon detection element 110.
  • the synthesized signal may be a signal obtained by moving the gate signal 21 vertically by the DC bias voltage 22.
  • the gate signal 21 is a periodic signal having a predetermined period.
  • the gate signal 21 may be any one of a square wave signal, a sine wave signal, or a bipolar gate signal, and other types of signals may be used.
  • the DC bias voltage 22 is a DC voltage having a predetermined magnitude and may be a voltage lower than the breakdown voltage of the photon detection device 110.
  • the synthesized signal changes from a voltage lower than the breakdown voltage of the photon detection element 110 to a voltage higher than the breakdown voltage of the photon detection element 110.
  • the maximum value of the synthesized signal is greater than the breakdown voltage of the photon detection element 110
  • the minimum value of the synthesized signal is less than the breakdown voltage of the photon detection element 110.
  • the photon detection element 110 outputs an electrical signal according to a signal input from the synthesizer 140 or a signal by an incident photon.
  • the photon detection element 110 outputs an electrical signal based on a signal input from the synthesizer 140 when no photons are incident. In other words, the photon detection element 110 outputs only the capacitive response.
  • the photon detecting element 110 outputs an electrical signal based on a signal input from the synthesizer 140 and an electrical signal by the incident photons. In other words, the photon detection element 110 outputs an electrical signal including a capacitive response and an avalanche signal.
  • the integrator 120 integrates the electrical signal input from the photon detection element 110 with time, and outputs the integrated signal to the comparator 130. Therefore, the size of the signal output from the integrator 120 varies according to the input electrical signal. For example, when the electrical signal input to the integrator 120 includes an electrical signal by an incident photon, the integrator 120 outputs 1V, and the electrical signal input to the integrator 120 is incident to the photon incident. Integrator 120 may output 3V if it does not include the electrical signal.
  • the signal output from the integrator 120 is not limited to the above example.
  • the comparator 130 compares the signal input from the integrator 120 with a threshold and outputs a comparison result.
  • the threshold value is preset to distinguish electrical signals output from integrator 120.
  • V REF 26 represents an example of a threshold input to the comparator. For example, when the signal input from the integrator 120 is 1V or 3V as in the above case, the threshold value may be set to any one of values between 1V and 3V.
  • the comparator 130 compares the signal input from the integrator 120 with a threshold value, and outputs a signal representing 1 when the threshold is large, and outputs a signal representing 0 when the threshold is small.
  • the photon detecting apparatus 100 may determine whether photons are detected by the photon detecting element 110 through a signal output from the comparator 130.
  • the photon detecting apparatus 100 determines that a photon is detected, and when the signal indicating 0 indicates that a photon is not detected. Can be. It will be appreciated by those skilled in the art that, depending on the integrator 120, thresholds, and the like, the signal indicative of the detection of photons may vary.
  • the resistor 23 included in the photon detection device 110 of FIG. 2 may have a size of 50 ⁇ and the resistor 25 may have a size of 5 nF, but the resistor 25 may have a size of 5 nF.
  • the size is not limited to this.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating input and output signals of the photon detection element illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating an example of an input signal input to the input terminal S1 of the photon detection element 110
  • FIG. 3B is an output terminal S2 of the photon detection element 110.
  • V1 is a voltage that represents the maximum value of the input signal value
  • V BR represents the breakdown voltage (Breakdown Voltage) of a photon detection element (110)
  • V DC indicates the input signals a minimum value .
  • V DC is a voltage value corresponding to the DC bias voltage 22 in FIG. 2.
  • the input signal is a signal having a constant period, and maintains the voltage of V1 for a predetermined time.
  • the output signal has a waveform according to the signal by the input signal and photons. If no avalanche signal is present (31), the output signal has a waveform that increases or decreases or decreases and increases at the edge of the input signal. If an avalanche signal is present 32, the output signal has a waveform that increases at the moment the avalanche occurs. Therefore, depending on the presence of the avalanche signal, the waveform of the output signal is different, the integral signal obtained by integrating the output signal of the waveform of different forms in the integrator 120 is also different. For example, the value integrating the output signal when the avalanche signal is present is larger than the value integrating the output signal when the avalanche signal is not present.
  • the photon detection apparatus 100 may determine whether an avalanche signal is present, that is, whether a photon is detected by distinguishing different integrated signals.
  • FIG. 4 is a circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
  • the buffer 400 provides V APD_out to the integrating circuit 410 using the first amplifier 401.
  • the integrating circuit 410 integrates the input V APD_out and outputs it to the comparing circuit 420.
  • the comparison circuit 420 outputs a result of comparing the threshold value with the signal input from the integration circuit 410.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the photon detection device 100 shown in FIG. 1. Referring to FIG. 4, the components of the photon detection apparatus 100 shown in FIG. 1 are shown in a circuit diagram. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may be applied to the photon detection apparatus according to the embodiment of FIG. 4.
  • the buffer 400 provides the input signal V APD_out to the integrating circuit 410.
  • V APD_out may be the output signal of FIG. 3 (b).
  • the buffer 400 outputs V APD_out input through the (+) terminal of the first amplifier 401 through the ( ⁇ ) terminal.
  • the integration circuit 410 includes a first switch 411, a second switch 412, a capacitor 413, and a second amplifier 414.
  • the first switch 411 controls the period and integration time that the integration circuit 410 integrates. In other words, since the integrating circuit 410 receives the input signal V APD_out only when the first switch 411 is closed, the first switch 411 can control the period and time that the integrating circuit 410 integrates. Can be. For example, the period in which the first switch 411 is opened and closed is the same as the period of the input signal S1 of FIG. 3A, and the time when the first switch 411 is closed is the input of FIG. 3A. It may be equal to the time when V1 of the signal S1 is maintained.
  • the second switch 412 removes the electrical signal accumulated in the integrator 120.
  • the second switch 412 is connected in parallel with the capacitor 413.
  • the second switch 412 is closed, the charge accumulated in the capacitor 413 is removed. Accordingly, the second switch 412 is closed and opened before the integrating circuit 410 integrates the input signal, thereby removing the previous input signal and integrating only the newly input input signal.
  • Capacitor 413 accumulates charges input to integrating circuit 410.
  • the second amplifier 414 receives V REF1 at the (+) terminal and maintains the voltage V int_in at the ( ⁇ ) terminal as V REF1 .
  • the output voltage V int_out of the integrating circuit 410 represents a voltage obtained by adding the voltage accumulated in the capacitor 413 to V int_in .
  • the comparison circuit 420 includes a third switch 421, a fourth switch 422, and a third amplifier 423.
  • the third switch 421 controls the input of V int_out to the comparison circuit 420.
  • V int_out is input to the comparison circuit 420 and compared with V REF2 .
  • the fourth switch 422 controls the input of V DD to the comparison circuit 420.
  • V DD is input to the comparison circuit 420 and compared with V REF2 . Therefore, the third switch 421 and the fourth switch 422 are not closed at the same time.
  • the third switch 421 is closed, the fourth switch 422 is opened, and when the third switch 421 is opened, the fourth switch 422 is closed.
  • the third and fourth switches 421 and 422 are controlled so that the comparison circuit 420 can compare V REF2 and V int_out or V REF2 and V DD .
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a signal of the circuit diagram shown in FIG. 4.
  • the first switch 411 is periodically closed.
  • the period of the first switch 411 may be the same as the period of the signal input to the photon detection element (110).
  • the time when the first switch 411 is closed may be the same as the time when the photon detection element 110 operates.
  • V APD_out is an output signal of the photon detection element 110 and has different waveforms depending on whether an avalanche signal is generated. For example, as shown in FIG. 5, when the avalanche signal does not occur, V APD_out may be in the form of a vibrating sine wave. On the contrary, when the avalanche signal is generated, the avalanche signal is added to the sine wave and thus may have the same shape as the first detection signal of the signal of V APD_out of FIG. 5.
  • the form of V APD_out of FIG. 5 is expressed for better understanding of the invention, and the waveform of V APD_out is not limited to the waveform of FIG. 5.
  • V APD_out exists only for a predetermined time every predetermined period. For example, V APD_out may only be present while photon detection element 110 is operating. In addition, V APD_out exists every predetermined period, but the period of V APD_out and the present time may be determined depending on the gate signal 21 of FIG. 2.
  • the first switch 411 controls the time for the integrator 120 to perform the integration operation. That is, the integrator performs the integration operation only during the time when the first switch 411 is closed.
  • the second switch 412 resets the signal stored in the integrator 120.
  • the second switch 412 operates before the integrator 120 performs the integration so that only the signal input after the integrator 120 is reset can be integrated.
  • V int_in holds V REF1 . Therefore, V int_out has a value by integrating the V APD_out relative to the V int_in.
  • the value of V int_in may be set to a value smaller than V DD .
  • V int_out represents a value obtained by integrating the V APD_out relative to the V int_in.
  • V int_out has a value obtained by adding a value obtained by integrating the value of V in V APD_out int_in.
  • V int_out illustrated in FIG. 5 will be described with time.
  • V int_out holds V REF1 when there is no V APD_out .
  • the first input V APD_out is when an avalanche signal occurs.
  • V int_out is decreased by the value obtained by the integration circuit 410 integrating V APD_out to become V avalanche .
  • V int_out maintains V avalanche until it is reset by the second switch 412 and again becomes V REF1 when it is reset by the second switch 412. When V int_out becomes V REF1 at V avalanche , some time delay may occur.
  • the second input V APD_out is a case where no avalanche signal occurs. After the second V APD_out is input, the V int_out increases or decreases as the integration circuit 410 integrates the value V APD_out. In FIG. 5, the case where V int_out increases and decreases to V REF1 has been described as an example. However, V int_out may be larger or smaller than V REF1 according to V APD_out .
  • V aPD_out which is a capacitive response of the avalanche photodiode, is a sinusoidal wave form, and V int_out has a value closer to V REF1 than V avalanche .
  • the third switch 421 is controlled to close for a predetermined time after the integration of the integration circuit 410 is completed so that V int_out can be input to the comparison circuit 420.
  • the fourth switch 422 is opened for a predetermined time after the integration of the integration circuit 410 is completed.
  • the third switch 421 operates opposite to the fourth switch 422.
  • V comp_in represents a voltage input to the comparison circuit 420.
  • V comp_in maintains V DD because the fourth switch 422 is closed when the third switch 421 is open.
  • V comp_in is opened and the fourth switch 422 in a state that the third switch 421 is closed, indicates a voltage equal to V int_out.
  • V comp_out represents a voltage output to the comparison circuit 420.
  • V comp_out compares V comp_in and V REF2 and outputs the result. For example, when an avalanche signal is input, V REF2 becomes greater than V comp_in , and V comp_out outputs a constant voltage to indicate that photons are detected. On the other hand, in the case where the avalanche signal is not input, the V REF2 is smaller than V comp_in, V comp_out does not output the voltage.
  • V REF1 is set to a value smaller than V DD
  • V REF2 is set to have a size between V REF1 and V avalanche . Accordingly, the photon detecting apparatus 100 may determine whether photons are detected by comparing the magnitudes of V comp_in and V REF2 .
  • FIG. 6 is a flowchart according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of detecting photons by the photon detecting apparatus 100 of FIG. 1. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may be applied to the photon detection method according to the embodiment of FIG. 6.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method for detecting photons according to an embodiment of the present invention.
  • the method of detecting photons according to the present exemplary embodiment includes steps that are processed in time series in the photon detecting apparatus 100 illustrated in FIG. 1. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 is applied to the method of detecting photons according to the present embodiment.
  • the method for detecting photons using the integrator 120 in the photon detecting apparatus 100 is composed of the following steps.
  • the photon detection apparatus 100 outputs an electrical signal according to an input periodic signal and a signal of an incident photon, integrates the output electrical signal according to the periodic signal, and outputs a signal that distinguishes the magnitude of the integrated signal. Steps.
  • the photon detection device 100 integrates the electrical signal for a predetermined time for each cycle of the periodic signal. In other words, the photon detection device 100 integrates the electrical signal at predetermined intervals and integrates only for a predetermined time.
  • the periodic signal is a signal obtained by combining the gate signal and the DC bias voltage.
  • the gate signal may be a pulse signal having a certain period.
  • the DC bias voltage is a DC voltage having a constant magnitude of voltage.
  • the predetermined time is determined according to the periodic signal.
  • the photon detection apparatus 100 outputs an integrated signal by adding an integrated value of an electrical signal to a predetermined first reference value, and outputs a result of comparing the integrated signal with a second reference value set for distinguishing the magnitude of the integrated signal.
  • the second reference value is set to a value between the first reference value and the integrated signal when the photon is incident. Therefore, the photon detection apparatus 100 compares the integrated signal with the second reference value and outputs different signals depending on whether the integrated signal is large or small, thereby indicating whether the photons are detected.
  • the DC bias voltage is set such that the minimum value of the periodic signal is smaller than the breakdown voltage of the photon detection element, and the maximum value of the periodic signal is greater than the breakdown voltage.
  • the photon detecting apparatus 100 may detect the avalanche signal having an amplitude smaller than the amplitude of the capacitive response of the photon detecting element 110 using the integrator 120. In other words, the photon detecting apparatus 100 integrates the avalanche signal generated together with the capacitive response by using the integrator 120 and compares the integral signal with a predetermined threshold value to determine whether the avalanche signal is generated. The determination may determine whether photons are detected.

Abstract

The photon detection device includes: a photon detecting element that outputs an electrical signal according to an input periodic signal and a signal generated by an incident photon; an integrator that integrates the electrical signal output from the photon detecting element; and a comparator that outputs a signal which distinguishes the magnitudes of the integrated signals output from the integrator from each other. The device can detect a photon even if a weak avalanche signal is generated.

Description

광자 검출 장치 및 방법Photon detection device and method
광자를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.A device and method for detecting photons.
단일 광자 검출 장치는 양자 암호 시스템, 광 네트워크 검사 장비 또는 반도체 디바이스 분석 등의 많은 분야에서 매우 중요한 구성이다. 광섬유는 1.55μm 파장에서 최소 손실과 낮은 분산을 나타내기 때문에 장거리 통신에 가장 적절한 파장이다. 이러한 1.55μm 파장에서 가장 일반적인 단일 광자 검출 장치는 InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)를 기반으로 한다. InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드는 크기가 소형이고, 구동 전압이 낮다는 등의 장점을 갖는다.The single photon detection device is a very important configuration in many fields such as quantum cryptography system, optical network inspection equipment or semiconductor device analysis. Fibers are the most suitable for long distance communication because they exhibit minimal loss and low dispersion at 1.55μm. At this 1.55μm wavelength, the most common single photon detection device is based on InGaAs / InP Avalanche Photodiode. InGaAs / InP avalanche photodiodes have advantages such as small size and low driving voltage.
단일 광자를 검출하기 위해서, InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드는 일반적으로 항복 전압(Breakdown voltage)이상에서 동작하는데 이 mode를 가이거 모드(Geiger mode)라고 한다. 가이거 모드에서 애벌런치 포토 다이오드는 접합(junction)에 큰 역전압이 인가되고 이로 인해 큰 전자장(electric field)이 생성된다. 이때 접합 영역으로 입사된 광자는 전자-정공 쌍을 생성한다. 접합 영역에서 생성된 전자-정공 쌍은 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 가속된다. 전자장에 의해 충분한 에너지를 얻은 전자-정공 쌍은 차례로 가속되고 새로운 전자-정공 쌍을 생성하는데, 이러한 현상이 누적적으로 진행하는 것을 애벌런치(avalanche, 전자사태)라고 한다.To detect single photons, InGaAs / InP avalanche photodiodes typically operate above the breakdown voltage, which is called Geiger mode. In Geiger mode, the avalanche photodiode has a large reverse voltage applied to its junction, resulting in a large electric field. Photons incident on the junction region then generate electron-hole pairs. The electron-hole pairs generated in the junction region are accelerated by the strong electromagnetic field applied to the junction region. The electron-hole pairs, which have been given sufficient energy by the electromagnetic field, are in turn accelerated and create new electron-hole pairs. This phenomenon is called avalanche.
애벌런치가 발생하는 동안, 애벌런치 과정에 의해 발생된 몇몇의 캐리어(전자 혹은 전공)들은 애벌런치 포토 다이오드의 Multiplication layer(증폭층)에 존재하는 Defect(결함) 부분에 남아 있게 된다(Trapping). 만약, 남아있던 캐리어가 애벌런치 포토 다이오드가 동작하는 시점에 이동을 시작하게 되면 (De-trapping) , 그것은 새로운 애벌런치를 야기할 수 있다. 이러한 애벌런치 현상을 애프터 펄스(afterpulse)라고 부른다. 이러한 애프터 펄스는 광자 검출시 오류를 일으키는 중요한 원인 중의 하나이다.While avalanches occur, some of the carriers (electrons or electrons) generated by the avalanche process remain trapped in the multiplication layer of the avalanche photodiode. If the remaining carrier starts to move at the time the avalanche photodiode operates (De-trapping), it can cause a new avalanche. This avalanche phenomenon is called an afterpulse. This after pulse is one of the important causes of error in photon detection.
광자 검출시 애프터 펄스를 줄이기 위해, 남은 캐리어를 소멸시키기 위한 시간을 충분히 설정하는 방법이 있다. 남은 캐리어를 소멸시키기 위한 시간을 데드 타임(Dead Time)이라고 하는데, 데드 타임이 길수록 남은 캐리어를 소멸시키에는 적절하지만, 광자 검출 시간이 길어지는 단점이 있다.In order to reduce the after-pulse at the time of photon detection, there is a method of sufficiently setting the time for extinguishing the remaining carriers. The time for dissipating the remaining carriers is called dead time. The longer the dead time is, the more suitable for dissipation of the remaining carriers, the longer the photon detection time is.
애프터 펄스 노이즈에 강인한 단일광자 검출 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. The present invention provides a single photon detection apparatus and method that are robust to after pulse noise.
본 발명의 일 측면에 따른 광자 검출 장치는 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 광자 검출 소자; 상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분하는 적분기; 및 상기 적분기로부터 출력된 적분 신호와 임계 전압 크기를 구분하는 신호를 출력하는 비교기를 포함한다.Photon detection device according to an aspect of the present invention includes a photon detection element for outputting an electrical signal in accordance with the input signal and the signal of the incident photon; An integrator which integrates an electrical signal output from the photon detection element; And a comparator for outputting a signal for distinguishing an integrated signal output from the integrator and a threshold voltage magnitude.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광자 검출 방법은 입력된 주기 신호와입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 단계, 상기 전기 신호를 적분하는 단계; 및 상기 적분된 신호와 임계 전압의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.In addition, the photon detection method according to an aspect of the present invention includes the steps of outputting an electrical signal in accordance with the input signal and the signal by the incident photon, integrating the electrical signal; And outputting a signal that distinguishes the magnitude of the integrated signal from a threshold voltage.
광자 검출 소자로부터 출력되는 전기 신호를 적분하고, 적분된 신호의 크기를 구분함으로써, 광자를 검출할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 구조 및 검출 방법은 기존 발명에 비해 현저히 작은 크기의 전기 신호를 검출할 수 있기 때문에 단일 광자에 의해 발생하는 애벌런치 전류의 크기를 줄일 수 있고 이는 트랩된(Trapped) 캐리어(carrier)의 수를 줄일 수 있음을 의미한다. 이는 결과적으로 애프터 펄스 노이즈를 줄일 수 있기 때문에 애프터 펄스 노이즈에 강인한 단일광자 검출 장치를 만들 수 있다.Photons can be detected by integrating the electrical signal output from the photon detection element and dividing the magnitude of the integrated signal. The structure and detection method proposed in the present invention can detect an electrical signal of a significantly smaller size than the conventional invention, thereby reducing the magnitude of the avalanche current generated by a single photon, which is a trapped carrier. ) Can be reduced. As a result, after-pulse noise can be reduced, making a single photon detection device robust to after-pulse noise.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다.1 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다.2 is a block diagram according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 광자 검출 소자의 입출력 신호를 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating input and output signals of the photon detection element illustrated in FIG. 2.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도이다.4 is a circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 4에 도시된 회로도의 신호를 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a signal of the circuit diagram shown in FIG. 4.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다.6 is a flowchart according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described embodiments of the present invention;
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광자 검출 장치(100)는 광자 검출 소자(110), 적분기(120) 및 비교기(130)를 포함한다. 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 비교기(130)로부터 출력되는 신호를 카운트하여 광자의 수를 세는 카운트가 비교기(130)의 출력 단자에 연결될 수 있다.1 is a block diagram according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the photon detection apparatus 100 includes a photon detection element 110, an integrator 120, and a comparator 130. In the photon detecting apparatus 100 shown in FIG. 1, only components related to the present exemplary embodiment are shown. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that other general purpose components may be further included in addition to the components shown in FIG. 1. For example, a count that counts a signal output from the comparator 130 and counts photons may be connected to an output terminal of the comparator 130.
광자 검출 장치(100)는 광자의 검출 여부를 결정하기 위한 장치이다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 광자가 입사하면, 입사된 광자에 의해 발생된 전기 신호를 적분하여 광자를 검출 여부를 결정한다. 광자 검출 장치(100)는 애벌런치에 의해 발생된 신호에 의해 달라진 광자 검출 소자(110)의 출력의 적분 신호 크기를 구분하기 위한 임계값을 이용하여 광자의 검출 여부를 결정하기 때문에, 약한 애벌런치가 발생하더라도 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.The photon detection device 100 is a device for determining whether to detect photons. In other words, when the photon is incident, the photon detecting apparatus 100 determines whether the photon is detected by integrating an electrical signal generated by the incident photon. Since the photon detection device 100 determines whether to detect photons using a threshold value for distinguishing the magnitude of the integrated signal of the output of the photon detection element 110 changed by the signal generated by the avalanche, the weak avalanche Even if is detected, it is possible to determine whether to detect photons.
광자 검출 소자(110)는 광자가 입사되면 전기 신호를 발생시키는 수광소자이다. 광자 검출 소자(110)는 입력되는 신호에 따라 동작 시간이 결정된다. 다시 말해서, 입력되는 신호가 온-오프(On-Off)를 반복하는 주기 신호의 경우, 광자 검출 소자(110)도 입력된 신호에 따라 동작한다. 광자 검출 소자(110)는 동작 시간 동안에만 입사된 광자에 반응한다. 광자 검출 소자(110)의 동작과 관련하여, 도 3 이하에서 상세히 설명한다.The photon detecting device 110 is a light receiving device that generates an electric signal when photons are incident. The photon detection device 110 determines an operation time according to an input signal. In other words, in the case of a periodic signal in which an input signal is repeated on-off, the photon detection element 110 also operates according to the input signal. The photon detection element 110 responds to incident photons only during the operation time. The operation of the photon detection element 110 will be described in detail below with reference to FIG. 3.
예를 들어, 광자 검출 소자(110)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)일 수 있다. 애벌런치 포토 다이오드에는 게이트 신호가 인가된다. 애벌런치 포토 다이오드에 게이트 신호가 인가되면, 애벌런치 포토 다이오드 고유의 용량성 응답(Capacitive Response)이 발생한다. 일반적으로 애벌런치 포토 다이오드의 용량성 응답 신호는 진동하는 사인파(sine wave) 형태를 갖는다. 따라서, 애벌런치 포토 다이오드에 광자가 입사되어 애벌런치 신호가 발생하면, 애벌런치 포토 다이오드는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 합쳐진 전기 신호를 적분기(120)로 출력한다. For example, the photon detection element 110 may be an avalanche photodiode. The gate signal is applied to the avalanche photodiode. When a gate signal is applied to the avalanche photodiode, a capacitive response inherent to the avalanche photodiode occurs. In general, the capacitive response signal of the avalanche photodiode has the form of a vibrating sine wave. Accordingly, when a photon is incident on the avalanche photodiode to generate an avalanche signal, the avalanche photodiode outputs an electrical signal in which the capacitive response and the avalanche signal are combined to the integrator 120.
적분기(120)는 광자 검출 소자(110)로부터 입력된 전기 신호를 적분하고, 적분 신호를 비교기로 출력한다. 적분기(120)는 애벌런치 신호가 발생하지 않는 경우에는 용량성 응답에 의한 전기 신호만을 적분하고, 애벌런치 신호가 발생한 경우에는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 합쳐진 전기 신호를 적분한다. 따라서, 애벌런치 신호의 발생 여부에 따라서, 적분기(120)에서 적분된 적분 신호의 크기는 달라진다. 적분기(120)는 적분 신호를 비교기(130)로 출력한다.The integrator 120 integrates the electrical signal input from the photon detection element 110 and outputs the integrated signal to the comparator. The integrator 120 integrates only an electrical signal based on a capacitive response when no avalanche signal is generated, and integrates an electrical signal obtained by combining the capacitive response and avalanche signal when an avalanche signal occurs. Therefore, the magnitude of the integrated signal integrated in the integrator 120 varies depending on whether the avalanche signal is generated. The integrator 120 outputs the integrated signal to the comparator 130.
비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 적분 신호와 임계값을 비교하여, 비교 결과를 출력한다. 임계값은 애벌런치 신호의 발생 여부를 구별하기 위한 값이다. 다시 말해서, 임계값은 애벌런치 신호가 발생한 경우의 적분 신호와 애벌런치 신호가 발생하지 않은 경우의 적분 신호를 구별하기 위한 값이 설정된다. 비교기(130)는 비교 결과를 출력한다. 예를 들어, 비교기(130)는 1 또는 0 을 나타내는 신호를 출력하여, 애벌런치 신호의 발생 여부를 표시할 수 있다. 다시 말해서, 비교기(130)의 출력값에 따라, 광자의 검출 여부가 결정된다.The comparator 130 compares an integrated signal input from the integrator 120 with a threshold value and outputs a comparison result. The threshold is a value for distinguishing whether or not an avalanche signal is generated. In other words, the threshold value is set to distinguish the integral signal when the avalanche signal has occurred and the integral signal when the avalanche signal has not occurred. The comparator 130 outputs a comparison result. For example, the comparator 130 may output a signal indicating 1 or 0 to indicate whether an avalanche signal is generated. In other words, according to the output value of the comparator 130, it is determined whether photons are detected.
상기와 같이, 광자 검출 장치(100)는 적분기(120)를 이용하여 광자 검출 소자(110)로부터 출력된 전기 신호를 적분하고, 임계값을 이용하여 적분 신호의 크기를 구별함으로써, 약한 애벌런치가 발생하여도 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다. 광자 검출 장치(100)가 광자의 검출 여부를 결정하는 방법에 관하여, 아래에서 상세히 설명하겠다.As described above, the photon detection device 100 integrates the electrical signal output from the photon detection element 110 by using the integrator 120, and distinguishes the magnitude of the integrated signal by using a threshold value, so that a weak avalanche is achieved. When generated, it is possible to determine whether to detect photons. A method of determining whether the photon detection device 100 detects photons will be described in detail below.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다. 도 2를 참조하면, 광자 검출 장치(100)는 합성기(140), 광자 검출 소자(110), 적분기(120) 및 비교기(130)를 포함한다. 도 2는 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 일례를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 구성요소를 회로도로 도시하였다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 2의 실시예에 따른 광자 검출 장치에도 적용된다.2 is a block diagram according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the photon detection apparatus 100 includes a synthesizer 140, a photon detection element 110, an integrator 120, and a comparator 130. FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the photon detection device 100 shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, the components of the photon detecting apparatus 100 shown in FIG. 1 are illustrated in a circuit diagram. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may also be applied to the photon detection apparatus according to the embodiment of FIG. 2.
합성기(140)는 게이트 신호(21) 및 직류 바이어스 전압(22)을 합성하여 광자 검출 소자(110)로 합성된 신호를 출력한다. 합성된 신호는 게이트 신호(21)를 직류 바이어스 전압(22)만큼 수직으로 이동시킨 신호일 수 있다. 게이트 신호(21)는 소정의 주기를 갖는 주기 신호이다. 예를 들어, 게이트 신호(21)는 스퀘어 웨이브 신호(square wave signal), 사인 웨이브 신호(sine wave signal) 또는 바이폴라 게이트 신호(bipolar gate signal) 중 어느 하나일 수 있으며, 다른 형태의 신호들도 가능하다. 직류 바이어스 전압(22)는 일정 크기를 갖는 직류 전압이며, 광자 검출 소자(110)의 항복 전압(Breakdown Voltage)보다 낮은 전압일 수 있다. 합성된 신호는 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 낮은 전압에서 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 높은 전압으로 변한다. 다시 말해서, 합성된 신호의 최대값은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 크고, 합성된 신호의 최소값은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 작다. 따라서, 합성된 신호가 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 큰 전압이 인가되는 시간 동안에, 광자 검출 소자(110)가 동작하여 입사된 광자에 의하여 애벌런치 신호가 발생한다. 이에 반하여, 합성된 신호가 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 작은 전압이 인가되는 시간 동안에는 광자 검출 소자(110)가 동작하지 않으므로, 광자가 입사되어도 애벌런치 신호가 발생하지 않는다.The synthesizer 140 synthesizes the gate signal 21 and the DC bias voltage 22 and outputs the synthesized signal to the photon detection element 110. The synthesized signal may be a signal obtained by moving the gate signal 21 vertically by the DC bias voltage 22. The gate signal 21 is a periodic signal having a predetermined period. For example, the gate signal 21 may be any one of a square wave signal, a sine wave signal, or a bipolar gate signal, and other types of signals may be used. Do. The DC bias voltage 22 is a DC voltage having a predetermined magnitude and may be a voltage lower than the breakdown voltage of the photon detection device 110. The synthesized signal changes from a voltage lower than the breakdown voltage of the photon detection element 110 to a voltage higher than the breakdown voltage of the photon detection element 110. In other words, the maximum value of the synthesized signal is greater than the breakdown voltage of the photon detection element 110, and the minimum value of the synthesized signal is less than the breakdown voltage of the photon detection element 110. Accordingly, while the synthesized signal is applied with a voltage greater than the breakdown voltage of the photon detection element 110, the photon detection element 110 operates to generate an avalanche signal by the incident photons. On the contrary, since the photon detection element 110 does not operate during the time when the synthesized signal is smaller than the breakdown voltage of the photon detection element 110, the avalanche signal does not occur even when photons are incident.
광자 검출 소자(110)는 합성기(140)로부터 입력된 신호 또는 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력한다. 광자 검출 소자(110)는 입사된 광자가 없는 경우에 합성기(140)로부터 입력된 신호에 의한 전기 신호를 출력한다. 다시 말해서, 광자 검출 소자(110)는 용량성 응답만을 출력한다. 또한, 광자 검출 소자(110)는 입사된 광자가 있는 경우에 합성기(140)로부터 입력된 신호 및 입사된 광자에 의한 전기 신호에 의한 전기 신호를 출력한다. 다시 말해서, 광자 검출 소자(110)는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 포함된 전기 신호를 출력한다.The photon detection element 110 outputs an electrical signal according to a signal input from the synthesizer 140 or a signal by an incident photon. The photon detection element 110 outputs an electrical signal based on a signal input from the synthesizer 140 when no photons are incident. In other words, the photon detection element 110 outputs only the capacitive response. In addition, when there are incident photons, the photon detecting element 110 outputs an electrical signal based on a signal input from the synthesizer 140 and an electrical signal by the incident photons. In other words, the photon detection element 110 outputs an electrical signal including a capacitive response and an avalanche signal.
적분기(120)는 광자 검출 소자(110)로부터 입력된 전기 신호를 시간에 따라 적분하고, 적분된 신호를 비교기(130)로 출력한다. 따라서, 적분기(120)로부터 출력되는 신호는 입력된 전기 신호에 따라서 그 크기가 달라진다. 예를 들어, 적분기(120)에 입력된 전기 신호가 입사된 광자에 의한 전기 신호를 포함하는 경우에 적분기(120)는 1V 를 출력하고, 적분기(120)에 입력된 전기 신호가 입사된 광자에 의한 전기 신호를 포함하지 않는 경우에 적분기(120)가 3V 를 출력할 수 있다. 적분기(120)로부터 출력되는 신호는 위 예에 한정되지 아니한다.The integrator 120 integrates the electrical signal input from the photon detection element 110 with time, and outputs the integrated signal to the comparator 130. Therefore, the size of the signal output from the integrator 120 varies according to the input electrical signal. For example, when the electrical signal input to the integrator 120 includes an electrical signal by an incident photon, the integrator 120 outputs 1V, and the electrical signal input to the integrator 120 is incident to the photon incident. Integrator 120 may output 3V if it does not include the electrical signal. The signal output from the integrator 120 is not limited to the above example.
비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교하고, 비교 결과를 출력한다. 임계값은 적분기(120)로부터 출력되는 전기 신호들을 구분하기 위하여 미리 설정된다. VREF(26)는 비교기에 입력되는 임계값의 일 예를 나타낸다. 예를 들어, 상기의 경우와 같이 적분기(120)로부터 입력되는 신호가 1V 또는 3V인 경우에, 임계값은 1V와 3V 사이의 값 중 어느 하나의 값으로 설정될 수 있다. 비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교하고, 임계값이 큰 경우에는 1을 나타내는 신호를 출력하고, 임계값이 작은 경우에는 0을 나타내는 신호를 출력한다. 광자 검출 장치(100)는 비교기(130)로부터 출력되는 신호를 통해서, 광자 검출 소자(110)에서 광자가 검출되었는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 비교기(130)로부터 출력된 신호가 1을 나타내는 신호인 경우, 광자 검출 장치(100)는 광자가 검출된 것으로 판단하고, 0을 나타내는 신호인 경우, 광자가 검출되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 적분기(120) 또는 임계값 등에 따라서, 광자의 검출을 나타내는 신호는 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.The comparator 130 compares the signal input from the integrator 120 with a threshold and outputs a comparison result. The threshold value is preset to distinguish electrical signals output from integrator 120. V REF 26 represents an example of a threshold input to the comparator. For example, when the signal input from the integrator 120 is 1V or 3V as in the above case, the threshold value may be set to any one of values between 1V and 3V. The comparator 130 compares the signal input from the integrator 120 with a threshold value, and outputs a signal representing 1 when the threshold is large, and outputs a signal representing 0 when the threshold is small. The photon detecting apparatus 100 may determine whether photons are detected by the photon detecting element 110 through a signal output from the comparator 130. For example, when the signal output from the comparator 130 is a signal indicating 1, the photon detecting apparatus 100 determines that a photon is detected, and when the signal indicating 0 indicates that a photon is not detected. Can be. It will be appreciated by those skilled in the art that, depending on the integrator 120, thresholds, and the like, the signal indicative of the detection of photons may vary.
또한, 도 2의 광자 검출 소자(110)에 포함된 저항(23)은 50Ω, 저항(25)은 50Ω 캐패시터(24)는 5nF의 크기를 일 수 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 각 소자의 크기는 이에 한정되지 않는다.In addition, the resistor 23 included in the photon detection device 110 of FIG. 2 may have a size of 50 Ω and the resistor 25 may have a size of 5 nF, but the resistor 25 may have a size of 5 nF. The size is not limited to this.
도 3은 도 2에 도시된 광자 검출 소자의 입출력 신호를 나타내는 도면이다. 도 3(a)는 광자 검출 소자(110)의 입력단(S1)에 입력되는 입력 신호(Input Signal)의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 광자 검출 소자(110)의 출력단(S2)에서 출력되는 출력 신호(APD Output Signal)의 일 예를 나타내는 도면이다. FIG. 3 is a diagram illustrating input and output signals of the photon detection element illustrated in FIG. 2. FIG. 3A is a diagram illustrating an example of an input signal input to the input terminal S1 of the photon detection element 110, and FIG. 3B is an output terminal S2 of the photon detection element 110. A diagram showing an example of an output signal (APD Output Signal) output from the).
도 3(a)를 참조하면, V1은 입력 신호의 최대값을 나타내는 전압값이고, VBR은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압(Breakdown Voltage)를 나타내고, VDC는 입력 신호의 최소값을 나타낸다. VDC는 도 2에서 직류 바이어스 전압(22)에 해당하는 전압값이다. 예를 들어, 입력 신호는 일정한 주기를 갖는 신호이고, 일정 시간 동안 V1의 전압을 유지한다.Referring to Figure 3 (a), V1 is a voltage that represents the maximum value of the input signal value, V BR represents the breakdown voltage (Breakdown Voltage) of a photon detection element (110), V DC indicates the input signals a minimum value . V DC is a voltage value corresponding to the DC bias voltage 22 in FIG. 2. For example, the input signal is a signal having a constant period, and maintains the voltage of V1 for a predetermined time.
도 3(b)를 참조하면, 출력 신호는 입력 신호 및 광자에 의한 신호에 따른 파형을 갖는다. 애벌런치 신호가 존재하지 않는 경우(31), 출력 신호는 입력 신호의 에지(edge)에서 증가했다 감소하거나, 감소했다 증가하는 파형을 갖는다. 애벌런치 신호가 존재하는 경우(32), 출력 신호는 애벌런치가 발생하는 순간에 증가하는 파형을 갖는다. 따라서, 애벌런치 신호의 존재 여부에 따라서, 출력 신호의 파형이 달라지고, 서로 다른 형태의 파형의 출력 신호를 적분기(120)에서 적분한 적분 신호도 달라진다. 예를 들어, 애벌런치 신호가 존재하는 경우의 출력 신호를 적분한 값은 애벌런치 신호가 존재하지 않는 경우의 출력 신호를 적분한 값보다 크다. 광자 검출 장치(100)는 서로 다른 적분 신호를 구별하여 애벌런치 신호의 존재 여부, 다시 말해서, 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.Referring to Figure 3 (b), the output signal has a waveform according to the signal by the input signal and photons. If no avalanche signal is present (31), the output signal has a waveform that increases or decreases or decreases and increases at the edge of the input signal. If an avalanche signal is present 32, the output signal has a waveform that increases at the moment the avalanche occurs. Therefore, depending on the presence of the avalanche signal, the waveform of the output signal is different, the integral signal obtained by integrating the output signal of the waveform of different forms in the integrator 120 is also different. For example, the value integrating the output signal when the avalanche signal is present is larger than the value integrating the output signal when the avalanche signal is not present. The photon detection apparatus 100 may determine whether an avalanche signal is present, that is, whether a photon is detected by distinguishing different integrated signals.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도이다. 도 4를 참조하면, 버퍼(400)는 제1 증폭기(401)를 이용하여 적분 회로에 VAPD_out을 적분 회로(410)로 제공한다. 적분 회로(410)는 입력된 VAPD_out을 적분하여 비교 회로(420)로 출력한다. 비교 회로(420)는 적분 회로(410)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교한 결과를 출력한다. 각 회로들의 기능을 상세히 설명한다. 도 4는 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 일례를 도시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 구성요소를 회로도로 도시하였다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 4의 실시예에 따른 광자 검출 장치에도 적용된다.4 is a circuit diagram according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the buffer 400 provides V APD_out to the integrating circuit 410 using the first amplifier 401. The integrating circuit 410 integrates the input V APD_out and outputs it to the comparing circuit 420. The comparison circuit 420 outputs a result of comparing the threshold value with the signal input from the integration circuit 410. The function of each circuit will be described in detail. FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the photon detection device 100 shown in FIG. 1. Referring to FIG. 4, the components of the photon detection apparatus 100 shown in FIG. 1 are shown in a circuit diagram. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may be applied to the photon detection apparatus according to the embodiment of FIG. 4.
버퍼(400)는 입력 신호인 VAPD_out을 적분 회로(410)로 제공한다. 예를 들어, VAPD_out은 도 3(b)의 출력 신호일 수 있다. 버퍼(400)는 제1 증폭기(401)의 (+) 단자를 통하여 입력된 VAPD_out을 (-) 단자를 통하여 출력한다.The buffer 400 provides the input signal V APD_out to the integrating circuit 410. For example, V APD_out may be the output signal of FIG. 3 (b). The buffer 400 outputs V APD_out input through the (+) terminal of the first amplifier 401 through the (−) terminal.
적분 회로(410)는 제1 스위치(411), 제2 스위치(412), 캐패시터(413) 및 제2 증폭기(414)를 포함한다. 제1 스위치(411)는 적분 회로(410)가 적분하는 주기 및 적분 시간을 제어한다. 다시 말해서, 적분 회로(410)는 제1 스위치(411)가 닫힌 경우에만 입력 신호인 VAPD_out을 입력 받기 때문에, 제1 스위치(411)는 적분 회로(410)가 적분하는 주기 및 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(411)가 열리고 닫히는 주기는 도 3(a)의 입력 신호(S1)의 주기와 동일하고, 제1 스위치(411)가 닫혀 있는 시간은 도 3(a)의 입력 신호(S1)의 V1이 유지되는 시간과 동일할 수 있다. 제2 스위치(412)는 적분기(120)에 누적된 전기 신호를 제거한다. 제2 스위치(412)는 캐패시터(413)와 병렬로 연결된다. 제2 스위치(412)가 닫히면, 캐패시터(413)에 축적된 전하가 제거된다. 따라서, 제2 스위치(412)는 적분 회로(410)가 입력 신호를 적분하기 전에 닫혔다 열림으로써 이전의 입력 신호를 제거하고, 새로 입력된 입력 신호만을 적분할 수 있도록 동작한다. 캐패시터(413)는 적분 회로(410)로 입력되는 전하를 축적한다. 제2 증폭기(414)는 (+) 단자에 VREF1을 입력 받아, (-) 단자의 전압(Vint_in)을 VREF1로 유지한다. 적분 회로(410)의 출력 전압(Vint_out)은 Vint_in에 캐패시터(413)에 축적된 전압이 더해진 전압을 나타낸다.The integration circuit 410 includes a first switch 411, a second switch 412, a capacitor 413, and a second amplifier 414. The first switch 411 controls the period and integration time that the integration circuit 410 integrates. In other words, since the integrating circuit 410 receives the input signal V APD_out only when the first switch 411 is closed, the first switch 411 can control the period and time that the integrating circuit 410 integrates. Can be. For example, the period in which the first switch 411 is opened and closed is the same as the period of the input signal S1 of FIG. 3A, and the time when the first switch 411 is closed is the input of FIG. 3A. It may be equal to the time when V1 of the signal S1 is maintained. The second switch 412 removes the electrical signal accumulated in the integrator 120. The second switch 412 is connected in parallel with the capacitor 413. When the second switch 412 is closed, the charge accumulated in the capacitor 413 is removed. Accordingly, the second switch 412 is closed and opened before the integrating circuit 410 integrates the input signal, thereby removing the previous input signal and integrating only the newly input input signal. Capacitor 413 accumulates charges input to integrating circuit 410. The second amplifier 414 receives V REF1 at the (+) terminal and maintains the voltage V int_in at the (−) terminal as V REF1 . The output voltage V int_out of the integrating circuit 410 represents a voltage obtained by adding the voltage accumulated in the capacitor 413 to V int_in .
비교 회로(420)는 제3 스위치(421), 제4 스위치(422) 및 제3 증폭기(423)를 포함한다. 제3 스위치(421)는 비교 회로(420)에 Vint_out이 입력되는 것을 제어한다. 제3 스위치(421)가 닫히면, Vint_out이 비교 회로(420)에 입력되어 VREF2와 비교된다. 제4 스위치(422)는 비교 회로(420)에 VDD가 입력되는 것을 제어한다. 제4 스위치(422)가 닫히면, VDD가 비교 회로(420)에 입력되어 VREF2와 비교된다. 따라서, 제3 스위치(421)와 제4 스위치(422)는 동시에 닫히지 않는다. 제3 스위치(421)가 닫히면, 제4 스위치(422)는 열리고, 제3 스위치(421)가 열리면, 제4 스위치(422)는 닫힌다. 따라서, 비교 회로(420)가 VREF2와 Vint_out를 비교하거나, VREF2와 VDD를 비교할 수 있도록 제3 및 4 스위치(421, 422)가 제어된다.The comparison circuit 420 includes a third switch 421, a fourth switch 422, and a third amplifier 423. The third switch 421 controls the input of V int_out to the comparison circuit 420. When the third switch 421 is closed, V int_out is input to the comparison circuit 420 and compared with V REF2 . The fourth switch 422 controls the input of V DD to the comparison circuit 420. When the fourth switch 422 is closed, V DD is input to the comparison circuit 420 and compared with V REF2 . Therefore, the third switch 421 and the fourth switch 422 are not closed at the same time. When the third switch 421 is closed, the fourth switch 422 is opened, and when the third switch 421 is opened, the fourth switch 422 is closed. Thus, the third and fourth switches 421 and 422 are controlled so that the comparison circuit 420 can compare V REF2 and V int_out or V REF2 and V DD .
도 5는 도 4에 도시된 회로도의 신호를 나타내는 도면이다. 제1 스위치(411)는 주기적으로 스위치가 닫힌다. 예를 들어, 제1 스위치(411)의 주기는 광자 검출 소자(110)에 입력되는 신호의 주기와 동일할 수 있다. 또한, 제1 스위치(411)가 닫혀있는 시간도 광자 검출 소자(110)가 동작하는 시간과 동일할 수 있다.FIG. 5 is a diagram illustrating a signal of the circuit diagram shown in FIG. 4. The first switch 411 is periodically closed. For example, the period of the first switch 411 may be the same as the period of the signal input to the photon detection element (110). In addition, the time when the first switch 411 is closed may be the same as the time when the photon detection element 110 operates.
VAPD_out은 광자 검출 소자(110)의 출력 신호로써, 애벌런치 신호의 발생 여부에 따라서 서로 다른 형태의 파형을 갖는다. 예를 들어, 도 5에서와 같이, 애벌런치 신호가 발생하지 않는 경우에 VAPD_out은 진동하는 사인파 형태일 수 있다. 이에 반하여 애벌런치 신호가 발생한 경우에는 사인파에 애벌런치 신호가 더해져 도 5의 VAPD_out의 신호의 첫 번째 검출 신호와 같은 형태일 수 있다. 도 5의 VAPD_out의 형태는 발명의 이해를 돕기 위해 표현한 것이며, VAPD_out의 파형은 도 5와 같은 파형에 한정되지 않는다. V APD_out is an output signal of the photon detection element 110 and has different waveforms depending on whether an avalanche signal is generated. For example, as shown in FIG. 5, when the avalanche signal does not occur, V APD_out may be in the form of a vibrating sine wave. On the contrary, when the avalanche signal is generated, the avalanche signal is added to the sine wave and thus may have the same shape as the first detection signal of the signal of V APD_out of FIG. 5. The form of V APD_out of FIG. 5 is expressed for better understanding of the invention, and the waveform of V APD_out is not limited to the waveform of FIG. 5.
VAPD_out은 소정의 주기마다 소정의 시간 동안만 존재한다. 예를 들어, VAPD_out은 광자 검출 소자(110)가 동작하는 동안에만 존재할 수 있다. 또한, VAPD_out은 소정의 주기마다 존재하는데VAPD_out의 주기와 존재하는 시간은 도 2의 게이트 신호(21)에 의존하여 결정될 수 있다.V APD_out exists only for a predetermined time every predetermined period. For example, V APD_out may only be present while photon detection element 110 is operating. In addition, V APD_out exists every predetermined period, but the period of V APD_out and the present time may be determined depending on the gate signal 21 of FIG. 2.
제1 스위치(411)은 적분기 (120) 가 적분 동작을 수행하는 시간을 제어한다. 즉, 제1 스위치(411)가 닫혀 있는 시간 동안만 적분기는 적분 동작을 수행한다.The first switch 411 controls the time for the integrator 120 to perform the integration operation. That is, the integrator performs the integration operation only during the time when the first switch 411 is closed.
제2 스위치(412)는 적분기(120)에 저장된 신호를 리셋(reset)한다. 제2 스위치(412)는 적분기(120)가 적분을 수행하기 전에 동작하여 적분기(120)가 리셋된 이후에 입력된 신호만을 적분할 수 있도록 한다.The second switch 412 resets the signal stored in the integrator 120. The second switch 412 operates before the integrator 120 performs the integration so that only the signal input after the integrator 120 is reset can be integrated.
Vint_in은 VREF1을 유지한다. 따라서, Vint_out은 Vint_in를 기준으로 VAPD_out을 적분한 값을 갖는다. Vint_in의 값은 VDD보다 작은 값으로 설정될 수 있다.V int_in holds V REF1 . Therefore, V int_out has a value by integrating the V APD_out relative to the V int_in. The value of V int_in may be set to a value smaller than V DD .
Vint_out은 Vint_in를 기준으로 VAPD_out을 적분한 값을 나타낸다. 다시 말해서, Vint_out은 Vint_in의 값에 VAPD_out을 적분한 값을 더한 값을 갖는다. 도 5에 도시된 Vint_out을 시간에 따라 설명한다. 먼저, Vint_out은 VAPD_out이 없을 때는 VREF1을 유지한다. 첫번째 입력된 VAPD_out은 애벌런치 신호가 발생한 경우이다. 첫번째 VAPD_out이 입력되면, 적분 회로(410)가 VAPD_out을 적분한 값만큼 Vint_out이 감소하여 Vavalanche가 된다. Vint_out은 제2 스위치(412)에 의해 리셋되기 전까지 Vavalanche을 유지하고, 제2 스위치(412)에 의해 리셋되면, 다시 VREF1이 된다. Vint_out이 Vavalanche에서 VREF1이 될 때, 약간의 시간 지연이 발생할 수 있다. 두번째 입력된 VAPD_out은 애벌런치 신호가 발생하지 않은 경우이다. 두번째 VAPD_out이 입력되면, 적분 회로(410)가 VAPD_out을 적분한 값만큼 Vint_out이 증감한다. 도 5에서는 Vint_out이 증감하여 VREF1이 된 경우를 예를 들어 설명하였지만, VAPD_out에 따라서 Vint_out은 VREF1보다 크거나 작을 수 있다. 일반적으로 애벌런치 신호가 없는 경우, 애벌런치 포토 다이오드의 용량성 응답인 VAPD_out은 증감하는 사인파 형태라고 할 때, Vint_out은 Vavalanche보다 VREF1에 더 근접한 값을 갖는다.V int_out represents a value obtained by integrating the V APD_out relative to the V int_in. In other words, V int_out has a value obtained by adding a value obtained by integrating the value of V in V APD_out int_in. V int_out illustrated in FIG. 5 will be described with time. First, V int_out holds V REF1 when there is no V APD_out . The first input V APD_out is when an avalanche signal occurs. When the first V APD_out is input, V int_out is decreased by the value obtained by the integration circuit 410 integrating V APD_out to become V avalanche . V int_out maintains V avalanche until it is reset by the second switch 412 and again becomes V REF1 when it is reset by the second switch 412. When V int_out becomes V REF1 at V avalanche , some time delay may occur. The second input V APD_out is a case where no avalanche signal occurs. After the second V APD_out is input, the V int_out increases or decreases as the integration circuit 410 integrates the value V APD_out. In FIG. 5, the case where V int_out increases and decreases to V REF1 has been described as an example. However, V int_out may be larger or smaller than V REF1 according to V APD_out . In general, when there is no avalanche signal, V aPD_out, which is a capacitive response of the avalanche photodiode, is a sinusoidal wave form, and V int_out has a value closer to V REF1 than V avalanche .
제3 스위치(421)는 적분 회로(410)의 적분이 종료된 이후에 일정 시간 동안 닫혀 비교 회로(420)에 Vint_out이 입력될 수 있도록 제어된다. 제4 스위치(422)는 적분 회로(410)의 적분이 종료된 이후에 일정 시간 동안 열린다. 제3 스위치(421)는 제4 스위치(422)와 반대로 동작한다.The third switch 421 is controlled to close for a predetermined time after the integration of the integration circuit 410 is completed so that V int_out can be input to the comparison circuit 420. The fourth switch 422 is opened for a predetermined time after the integration of the integration circuit 410 is completed. The third switch 421 operates opposite to the fourth switch 422.
Vcomp_in은 비교 회로(420)에 입력되는 전압을 나타낸다. Vcomp_in은 제3 스위치(421)가 열린 상태에서는 제4 스위치(422)가 닫힌 상태이므로, VDD를 유지한다. Vcomp_in은 제3 스위치(421)가 닫힌 상태에서는 제4 스위치(422)가 열리고, Vint_out과 동일한 전압을 나타낸다.V comp_in represents a voltage input to the comparison circuit 420. V comp_in maintains V DD because the fourth switch 422 is closed when the third switch 421 is open. V comp_in is opened and the fourth switch 422 in a state that the third switch 421 is closed, indicates a voltage equal to V int_out.
Vcomp_out은 비교 회로(420)에 출력되는 전압을 나타낸다. Vcomp_out은 Vcomp_in과 VREF2를 비교하여 그 결과를 출력한다. 예를 들어, 애벌런치 신호가 입력된 경우에, VREF2가 Vcomp_in보다 크게 되고, Vcomp_out은 일정한 전압을 출력하여 광자가 검출되었음을 나타낸다. 이와 반대로, 애벌런치 신호가 입력되지 않은 경우에, VREF2가 Vcomp_in보다 작게 되고, Vcomp_out은 전압을 출력하지 않는다.V comp_out represents a voltage output to the comparison circuit 420. V comp_out compares V comp_in and V REF2 and outputs the result. For example, when an avalanche signal is input, V REF2 becomes greater than V comp_in , and V comp_out outputs a constant voltage to indicate that photons are detected. On the other hand, in the case where the avalanche signal is not input, the V REF2 is smaller than V comp_in, V comp_out does not output the voltage.
도 5에서와 같이, VREF1은 VDD보다 작은 값으로 설정되고, VREF2은 VREF1과 Vavalanche사이의 크기를 갖도록 설정된다. 따라서, 광자 검출 장치(100)는 Vcomp_in과 VREF2의 크기를 비교하여 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.As shown in FIG. 5, V REF1 is set to a value smaller than V DD , and V REF2 is set to have a size between V REF1 and V avalanche . Accordingly, the photon detecting apparatus 100 may determine whether photons are detected by comparing the magnitudes of V comp_in and V REF2 .
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다. 도 6은 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)가 광자를 검출하는 방법을 나타낸 순서도이다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6의 실시예에 따른 광자 검출 방법에도 적용된다.6 is a flowchart according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of detecting photons by the photon detecting apparatus 100 of FIG. 1. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 may be applied to the photon detection method according to the embodiment of FIG. 6.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법의 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법은 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법에도 적용된다. 광자 검출 장치(100)에서 적분기(120)를 이용한 광자를 검출하는 방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다.6 is a flowchart of a method for detecting photons according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the method of detecting photons according to the present exemplary embodiment includes steps that are processed in time series in the photon detecting apparatus 100 illustrated in FIG. 1. Therefore, even if omitted below, the above description of the photon detection apparatus 100 is applied to the method of detecting photons according to the present embodiment. The method for detecting photons using the integrator 120 in the photon detecting apparatus 100 is composed of the following steps.
광자 검출 장치(100)는 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하고, 주기 신호에 따라 출력된 전기 신호를 적분하고, 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.The photon detection apparatus 100 outputs an electrical signal according to an input periodic signal and a signal of an incident photon, integrates the output electrical signal according to the periodic signal, and outputs a signal that distinguishes the magnitude of the integrated signal. Steps.
광자 검출 장치(100)는 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분한다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 정해진 주기마다 전기 신호를 적분하고, 미리 정해진 시간 동안만 적분한다. 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호이다. 예를 들어, 게이트 신호는 일정한 주기를 갖는 펄스 신호일 수 있다. 직류 바이어스 전압은 일정한 크기의 전압을 갖는 직류 전압이다. 소정의 시간은 주기 신호에 따라 결정된다. 광자 검출 장치(100)는 소정의 제1 기준값에 전기 신호를 적분한 값을 더하여 적분 신호를 출력하고, 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2 기준값과 적분 신호를 비교한 결과를 출력한다. 이때, 제2 기준값은 제1 기준값과 광자가 입사했을 때의 적분 신호의 사이의 값으로 설정된다. 따라서, 광자 검출 장치(100)는 적분 신호와 제2 기준값을 비교하여 적분 신호가 큰 경우와 작은 경우에 따라 서로 다른 신호를 출력함으로써, 광자의 검출 여부를 나타낸다. 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정된다.The photon detection device 100 integrates the electrical signal for a predetermined time for each cycle of the periodic signal. In other words, the photon detection device 100 integrates the electrical signal at predetermined intervals and integrates only for a predetermined time. The periodic signal is a signal obtained by combining the gate signal and the DC bias voltage. For example, the gate signal may be a pulse signal having a certain period. The DC bias voltage is a DC voltage having a constant magnitude of voltage. The predetermined time is determined according to the periodic signal. The photon detection apparatus 100 outputs an integrated signal by adding an integrated value of an electrical signal to a predetermined first reference value, and outputs a result of comparing the integrated signal with a second reference value set for distinguishing the magnitude of the integrated signal. At this time, the second reference value is set to a value between the first reference value and the integrated signal when the photon is incident. Therefore, the photon detection apparatus 100 compares the integrated signal with the second reference value and outputs different signals depending on whether the integrated signal is large or small, thereby indicating whether the photons are detected. The DC bias voltage is set such that the minimum value of the periodic signal is smaller than the breakdown voltage of the photon detection element, and the maximum value of the periodic signal is greater than the breakdown voltage.
상기와 같이, 광자 검출 장치(100)는 적분기(120)를 이용하여, 광자 검출 소자(110)의 용량성 응답의 진폭보다 작은 크기의 진폭을 갖는 애벌런치 신호를 검출할 수 있다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 용량성 응답과 함께 발생한 애벌런치 신호를 적분기(120)를 이용하여 적분하고, 적분 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하는 과정을 통하여, 애벌런치 신호가 발생하였는지 판단하여 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.As described above, the photon detecting apparatus 100 may detect the avalanche signal having an amplitude smaller than the amplitude of the capacitive response of the photon detecting element 110 using the integrator 120. In other words, the photon detecting apparatus 100 integrates the avalanche signal generated together with the capacitive response by using the integrator 120 and compares the integral signal with a predetermined threshold value to determine whether the avalanche signal is generated. The determination may determine whether photons are detected.

Claims (15)

  1. 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 광자 검출 소자;A photon detection element for outputting an electrical signal according to the input periodic signal and the signal of the incident photon;
    상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분하는 적분기; 및An integrator which integrates an electrical signal output from the photon detection element; And
    상기 적분기로부터 출력된 적분 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 광자 검출 장치.And a comparator for outputting a signal for discriminating the magnitude of the integrated signal output from the integrator.
  2. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 적분기는 상기 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분하는 광자 검출 장치.And the integrator integrates the electrical signal for a predetermined time every period of the periodic signal.
  3. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 소정의 시간은 상기 광자 검출 소자에 입력되는 상기 주기 신호에 따라 결정되는 광자 검출 장치. And said predetermined time is determined in accordance with said periodic signal input to said photon detection element.
  4. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 적분기는 소정의 제1 기준값에 상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분한 값을 더한 적분 신호를 출력하고, The integrator outputs an integral signal obtained by adding a value obtained by integrating an electrical signal output from the photon detection element to a predetermined first reference value,
    상기 비교기는 상기 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2 기준값과 상기 적분 신호를 비교한 비교 결과를 출력하는 광자 검출 장치.And the comparator outputs a comparison result of comparing the integrated signal with a second reference value set to distinguish the magnitude of the integrated signal.
  5. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    상기 제2 기준값은 상기 제1 기준값과 광자가 입사했을 때 상기 적분기로부터 출력되는 적분 신호의 사이의 값으로 설정되는 광자 검출 장치.And the second reference value is set to a value between the first reference value and an integrated signal output from the integrator when photons are incident.
  6. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    게이트 신호를 출력하는 신호 생성기를 더 포함하고,A signal generator for outputting a gate signal,
    상기 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호인 광자 검출 장치.And the periodic signal is a signal obtained by combining a gate signal and a direct current bias voltage.
  7. 제 6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정되는 광자 검출 장치. And the DC bias voltage is set such that the minimum value of the periodic signal is smaller than the breakdown voltage of the photon detection element and the maximum value of the periodic signal is greater than the breakdown voltage.
  8. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein
    상기 광자 검출 소자는 애벌런치 포토 다이오드인 광자 검출 장치.And the photon detection element is an avalanche photodiode.
  9. 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 단계;Outputting an electrical signal in accordance with the input periodic signal and the signal by the incident photons;
    상기 전기 신호를 적분하는 단계; 및Integrating the electrical signal; And
    상기 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함하는 광자 검출 방법.And outputting a signal for discriminating the magnitude of the integrated signal.
  10. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 적분하는 단계는 상기 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분하는 광자 검출 방법.And the integrating step integrates the electrical signal for a predetermined time for each period of the periodic signal.
  11. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10,
    상기 소정의 시간은 상기 주기 신호에 따라 결정되는 광자 검출 방법.And said predetermined time is determined in accordance with said periodic signal.
  12. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 적분하는 단계는 소정의 제1 기준값에 상기 전기 신호를 적분한 값을 더하여 적분 신호를 출력하고,The integrating may include adding an integrated value of the electrical signal to a first predetermined reference value and outputting an integrated signal.
    상기 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계는 상기 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2기준값과 상기 적분 신호를 비교한 결과를 출력하는 광자 검출 방법.And outputting a signal for discriminating the magnitude of the integrated signal outputs a result of comparing the integrated signal with a second reference value set to distinguish the magnitude of the integrated signal.
  13. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12,
    상기 제2 기준값은 상기 제1 기준값과 광자가 입사했을 때 상기 적분 신호의 사이의 값으로 설정되는 광자 검출 방법.And the second reference value is set to a value between the first reference value and the integrated signal when photons are incident.
  14. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13,
    상기 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호인 광자 검출 방법.And the periodic signal is a signal obtained by combining a gate signal and a direct current bias voltage.
  15. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14,
    상기 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정되는 광자 검출 방법.And the DC bias voltage is set such that the minimum value of the periodic signal is smaller than the breakdown voltage of the photon detection element and the maximum value of the periodic signal is greater than the breakdown voltage.
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