CN102197496A - 光子检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明得到一种光子检测器，无需特殊的带除滤波器，通过可以以任意的驱动频率工作的正弦波状的选通信号使APD能够响应。本发明的光子检测器具备：正弦波发生器(3)，生成正弦波状的选通信号；分束器(7)，对选通信号进行分支；偏置电路(5)，将对经由了分束器(7)的选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给雪崩光电二极管；虚拟电路(6)，输入经由了分束器(7)的选通信号并输出模拟了雪崩光电二极管的响应信号；差动放大器(10)，对来自雪崩光电二极管的响应信号和来自虚拟电路(6)的响应信号的差动输入进行放大；以及比较器(11)，在来自差动放大器(10)的输出是规定的阈值电压以上时输出光子检测信号。
Description
技术领域
本发明涉及在光通信·量子密码等信息处理领域中需要的光子检测器。
背景技术
在以往的利用通信波段雪崩光电二极管(以下，将雪崩光电二极管记载为APD)的光子检测器中，通过在对APD施加了比击穿电压稍微低的DC偏置的状态下与光子的入射定时(timing)对齐地施加矩形波脉冲，并观察其响应波形，来进行光子检测(例如，参照专利文献1)。
在该检测方式中，在光子非检测时APD发挥与电容器类似的功能，所以来自APD的响应波形成为矩形波的微分波形，稳定地具有正的充电脉冲和负的放电脉冲。在光子检测时，由于流过雪崩电流，所以在响应波形上重叠信号脉冲。通常，通过阈值辨别来判定变得比充电脉冲大的信号脉冲，由此可以实现光子检测。
因此，存在如果信号脉冲不变得大于充电脉冲则无法进行光子检测这样的问题，可使用的APD被大幅限制。相对于此，还有如下检测方式：使用2个APD，使各响应信号相互逆相地合波而使充电脉冲抵消(例如，参照专利文献2)。
在该检测方式中，难以使彼此的充电脉冲完全抵消，所以提出了如下方法：通过代替矩形波脉冲而将正弦波输入到APD，从而避免产生充电脉冲、放电脉冲。此时，光子非检测时的APD的响应波形是正弦波，在光子检测时，非正弦波分量的信号被重叠。
为此，有通过使用带除滤波器来去除正弦波分量而抽出信号分量的方法(例如，参照非专利文献1)。该检测方式的问题在于，需要得到尽可能去除正弦波分量的特性良好的带除滤波器、以及由于滤波器的频率依赖性而无法自由地改变驱动频率。
专利文献1：日本特开2005-114712号公报
专利文献2：日本特开2003-243691号公报
非专利文献1：N.Namekata、S.Sasamori、and S.Inoue、″800MHz Single-photon detection at 1550-nm using an InGaAs/InP avalanche photodiode operated with a sine wave gating、″Optical Express vol.14、No.21、10043、2006.
发明内容
在以往的使用了通信波段APD的光子检测中将正弦波输入到APD的方式中，为了从其响应波形中抽出信号，通过带除滤波器来去除非信号分量即正弦波分量。因此，存在依赖于带除滤波器而无法自由地选择驱动频率的问题。另外，为了有效地抽出信号分量而需要准备Q值非常高的带除滤波器。
本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于提供一种光子检测器，不需要特殊的带除滤波器，通过能以任意的驱动频率工作的正弦波状的选通信号使APD能够响应。
本发明提供一种光子检测器，具备：正弦波发生器，生成正弦波状的选通信号；分束器，对来自所述正弦波发生器的选通信号进行分支；偏置电路，与光子的输入同步地，将对由所述分束器分支出的一个选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给作为光子检测元件的雪崩光电二极管；虚拟电路，由电容器和电阻构成，输入由所述分束器分支出的另一个选通信号并输出模拟了所述雪崩光电二极管的响应信号；差动放大器，对光子检测时的来自所述雪崩光电二极管的响应信号和来自所述虚拟电路的响应信号的差动输入进行放大；以及比较器，在来自所述差动放大器的输出是规定的阈值电压以上时，输出光子检测信号。
根据本发明，通过抵消去除来自雪崩光电二极管的光子非检测时的响应波形，从而可以以高SN比地抽出光子检测信号分量，与使用带除滤波器的方式不同，抽出没有选通信号的频率依赖性的光子检测信号，所以可以自由地改变驱动频率。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的光子检测器的结构的框图。
图2是从图1所示的正弦波发生器3产生的正弦波的波形图。
图3是图1所示的APD1的光子检测时和光子非检测时的响应波形图。
图4是示出来自图1所示的差动放大器10的光子检测信号的波形图。
图5是示出本发明的实施方式2的光子检测器的结构的框图。
图6是示出本发明的实施方式3的光子检测器的结构的框图。
图7是示出本发明的实施方式4的光子检测器的结构的框图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的光子检测器的结构的框图。图1所示的实施方式1的光子检测器包括：作为光子检测元件的APD1；与APD1连接的具有例如50Ω的电阻值的电阻2；用于对APD1提供选通信号的正弦波发生器3；用于对APD1施加DC电压的DC偏置4；使来自正弦波发生器3的选通信号和来自DC偏置4的DC电压重叠的偏置电路5；由电容器6a和电阻6b构成，用于模拟APD1的虚拟电路6；将来自正弦波发生器3的选通信号提供到APD1和虚拟电路6这双方的分束器(在图中记载为BS)7；调整虚拟电路6的输出信号的振幅的衰减器(在图中记载为ATT)8；调整衰减器8的输出信号的相位的移相器9；对APD1的响应信号和经由了衰减器8以及移相器9的虚拟电路6的输出信号进行差动放大的差动放大器10；将来自差动放大器10的输出信号与阈值电压Vth进行比较，仅在来自差动放大器10的输出信号的振幅是阈值电压Vth以上时输出光子检测信号的比较器(在图中记载为COMP)11。
接下来说明动作。在图1中，APD1是根据通信波段(例如，1550nm)的光子的输入有无而响应波形变化的光学器件。为了产生该反应，需要与光子的输入定时对齐地输入选通信号。正弦波发生器3是用于此的选通信号源，构成为可以调整正弦波的相位，以如图2所示使正弦波的振幅峰值位置与向APD1输入光子的输入定时对齐。
分束器7将从正弦波发生器3产生的正弦波信号分波成2个。被分波的1个正弦波信号在偏置电路5中，与从DC偏置4产生的比APD1的击穿电压稍微低的DC电压重叠而施加到APD1。入射了该选通信号时的APD1的响应波形是图3。APD1如图3所示，在没有光子检测且在APD1中没有产生雪崩时使正弦波的响应波形返回，但如果光子被输入而引起雪崩，则产生对于正弦波重叠了虚线表示的信号的检测信号。
由分束器7分波了的另1个正弦波信号被施加到由电容器6a和电阻6b构成的APD1的虚拟电路6。该虚拟电路6是微分电路，对没有光子检测时的来自APD1的响应波形进行模拟。例如，电容器6a是20nF、电阻6b是50Ω。来自该虚拟电路6的输出信号是正弦波。为了使来自该虚拟电路6的正弦波信号的振幅与来自APD1的响应波形的正弦波的振幅一致，通过衰减器8调整振幅。接下来，为了使经由了衰减器8的来自虚拟电路6的正弦波信号的相位与来自APD1的响应波形的正弦波的相位一致，通过移相器9调整相位。
来自APD1的输出信号、和被调整了振幅以及相位的来自虚拟电路6的输出信号输入到差动放大器10。此时，被调整了振幅以及相位的来自虚拟电路6的输出信号是相位反转输入。其结果，作为来自差动放大器10的输出信号，如图4所示可以得到只有正弦波分量被抵消的光子检测信号的波形。此时，对于通过APD1的雪崩得到的光子检测信号，可以以充分大的振幅抽出，所以通过比较器11使具有比阈值电压大的振幅的信号通过，从而可以容易地进行光子检测。
如上所述，根据实施方式1，使用虚拟电路6，对来自APD1的光子非检测时的响应波形进行模拟，与来自APD1的响应波形抵消，消除光子非检测时的波形，从而可以以高SN比抽出光子检测信号分量。实施方式1的检测方式与使用带除滤波器的方式不同，是抽出没有选通信号的频率依赖性的光子检测信号的方式，所以可以自由地改变驱动频率。
另外，在基于正弦波选通信号的输入而产生的APD1的响应波形中，与矩形波选通信号的输入时不同，不产生高频分量，所以无需进行电气容量、电阻值的微调整，可以容易地构成虚拟电路6。因此，与希望只去除正弦波分量的Q值高的带除滤波器相比，可以用廉价的常见的通用的部件来构成虚拟电路6。
另外，在该检测方式中，使用虚拟电路6来进行光子检测信号的抽出，所以不仅可以应用于正弦波选通信号而且还可以应用于矩形波选通信号。
实施方式2.
在上述的实施方式1中，仅通过衰减器8和移相器9来调整来自虚拟电路6的输出信号，通过差动放大器10使光子非检测时的响应波形抵消消除，但在该实施方式2中，示出了如下例子：在无法充分地去除非光子检测信号的分量时，在差动放大器10与比较器11之间插入了高通滤波器。
图5是示出本发明的实施方式2的光子检测器的结构的框图。在图2中，与图1所示的实施方式1的光子检测器的结构相同的部分附加同一符号，省略其说明。图5所示的实施方式2的光子检测器相对图1的结构，在差动放大器10与比较器11之间插入了高通滤波器12。
如图4所示，在正弦波选通信号分量没有被光子非检测时的响应波形(粗的、频度高的曲线)抵消消除而残留时，光子检测信号的分量如图4所示的细的、频度小的曲线那样，由比正弦波选通信号高频的分量构成，所以通过插入高通滤波器12，可以以高SN比地抽出光子检测信号。作为高通滤波器12，例如，相对200MHz的正弦波选通信号，插入300MHz的高通滤波器即可。
如上所述，根据实施方式2，通过在差动放大器10与比较器11之间插入高通滤波器12，从而可以以更高SN比地进行光子检测信号的抽出。另外，在利用衰减器以及移相器9调整来自虚拟电路6的输出信号时，例如，可以使精度从1dB刻度的衰减量的调整缓和为2dB刻度的疏调整。
实施方式3.
在上述的实施方式1以及2中，使用来自虚拟电路6的输出信号，使光子非检测时的响应波形抵消消除，但在正弦波选通信号的情况下，由于来自APD1的光子非检测时响应波形也是正弦波，所以即使不使用虚拟电路6也可以进行非光子检测信号分量的抵消去除。在该实施方式3中，示出从实施方式1的结构删除了虚拟电路6的例子。
图6是示出本发明的实施方式3的光子检测器的结构的框图。在图6中，与图1所示的实施方式1的光子检测器的结构相同的部分附加同一符号而示出，其说明省略。图6所示的实施方式3的光子检测器是在图1的结构中删除虚拟电路6而得到的，具备：生成正弦波状的选通信号的正弦波发生器3；对来自正弦波发生器3的选通信号进行分支的分束器7；与光子的输入同步地，将对由分束器7分支出的一个选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给APD1的偏置电路5；对由分束器7分支出的另一个选通信号进行振幅调整的衰减器8；对来自衰减器8的输出信号进行相位调整的移相器9；对光子检测时的来自APD1的响应信号和来自移相器9的输出信号的差动输入进行放大的差动放大器10；以及在来自差动放大器10的输出是规定的阈值电压以上时输出光子检测信号的比较器11。
来自APD1的光子非检测时的响应波形即正弦波和正弦波选通信号是频率相同的相似的波形，所以如果使用衰减器8和移相器9来进行振幅以及相位的调整，则可以通过差动放大器10抵消消除。
如上所述，根据实施方式3，通过针对实施方式1的结构删除虚拟电路6，由此可以抑制向构成依赖于频率的虚拟电路6的微分电路流入能量，可以抑制对正弦波选通信号的APD1实际地施加的振幅的依赖于频率的变化。因此，可以实现没有虚拟电路6中的无用能量的消耗以及APD1的频率依赖的稳定动作。
实施方式4.
在上述的实施方式1至3中，使用其他正弦波分量来抵消消除了光子非检测时的响应波形即正弦波分量，但如果使用不使正弦波分量通过的高通滤波器则可以容易地去除正弦波分量。在该实施方式3中，示出如下例子：从图5所示的实施方式2的结构中，删除了分束器7、虚拟电路6、衰减器8、移相器9、差动放大器10。
图7是示出本发明的实施方式4的光子检测器的结构的框图。在图7中，与图5所示的实施方式2的光子检测器的结构相同的部分附加同一符号而示出，其说明省略。图7所示的实施方式4的光子检测器是在图5的结构中删除分束器7、虚拟电路6、衰减器8、移相器9、差动放大器10而得到的，具备：生成正弦波状的选通信号的正弦波发生器3；与光子的输入同步地，将对来自正弦波发生器3的选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给APD1的偏置电路5；从来自APD1的响应信号中切断正弦波选通信号的主要频率分量的高通滤波器12；以及在来自高通滤波器12的输出是规定的阈值电压以上时输出光子检测信号的比较器11。
来自APD1的光子检测时的信号分量是相比于光子非检测时的响应波形即正弦波分量充分高的高频，所以仅通过高通滤波器12就可以抽出光子检测信号。
如上所述，根据实施方式4，在用正弦波选通信号驱动APD1的情况下，仅通过高通滤波器12就可以抽出光子检测信号，所以在图2的结构中，删除分束器7、虚拟电路6、衰减器8、移相器9、差动放大器10，可以非常廉价地构成光子检测器。另外，相对于带除滤波器，可以得到频带特性急剧的廉价的滤波器作为高通滤波器12。
Claims (5)
1.一种光子检测器，具备：
正弦波发生器，生成正弦波状的选通信号；
分束器，对来自所述正弦波发生器的选通信号进行分支；
偏置电路，与光子的输入同步地，将对由所述分束器分支出的一个选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给作为光子检测元件的雪崩光电二极管；
虚拟电路，由电容器和电阻构成，输入由所述分束器分支出的另一个选通信号并输出模拟了所述雪崩光电二极管的响应信号；
差动放大器，对光子检测时的来自所述雪崩光电二极管的响应信号和来自所述虚拟电路的响应信号的差动输入进行放大；以及
比较器，在来自所述差动放大器的输出是规定的阈值电压以上时，输出光子检测信号。
2.根据权利要求1所述的光子检测器，其特征在于，还具备：
衰减器，对来自所述虚拟电路的响应信号进行振幅调整；以及
移相器，对来自所述虚拟电路的响应信号进行相位调整，
所述差动放大器对来自所述雪崩光电二极管的响应信号、和经由所述衰减器以及所述移相器被调整了振幅以及相位的来自虚拟电路的响应信号的差动输入进行放大。
3.根据权利要求1所述的光子检测器，其特征在于，
在所述差动放大器与所述比较器之间，还具备对正弦波选通信号的主要频率分量进行切断的高通滤波器。
4.一种光子检测器，具备：
正弦波发生器，生成正弦波状的选通信号；
分束器，对来自所述正弦波发生器的选通信号进行分支；
偏置电路，与光子的输入同步地，将对由所述分束器分支出的一个选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给作为光子检测元件的雪崩光电二极管；
衰减器，对由所述分束器分支出的另一个选通信号进行振幅调整；
移相器，对来自所述衰减器的输出信号进行相位调整；
差动放大器，对光子检测时的来自所述雪崩光电二极管的响应信号和来自所述移相器的输出信号的差动输入进行放大；以及
比较器，在来自所述差动放大器的输出是规定的阈值电压以上时，输出光子检测信号。
5.一种光子检测器，具备：
正弦波发生器，生成正弦波状的选通信号；
偏置电路，与光子的输入同步地，将对来自所述正弦波发生器的选通信号重叠了规定的DC电压的信号提供给作为光子检测元件的雪崩光电二极管；
高通滤波器，从来自所述雪崩光电二极管的响应信号中切断正弦波选通信号的主要频率分量；以及
比较器，在来自所述高通滤波器的输出是规定的阈值电压以上时，输出光子检测信号。
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