JP2003243694A - 単一光子の検出方法および単一光子の検出装置 - Google Patents
単一光子の検出方法および単一光子の検出装置Info
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
- H04N25/773—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters comprising photon counting circuits, e.g. single photon detection [SPD] or single photon avalanche diodes [SPAD]
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- Signal Processing (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 単一光子の入射を精度良く検出し得る単一光
子の検出方法および検出装置を提供する。 【解決手段】 アバランシェフォトダイオード１１のブ
レークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源
２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号
Ｓｔに同期して生成され所定電圧との合成電圧がブレー
クダウン電圧を上回る第１のパルス電圧Ｖｐ１とをアバ
ランシェフォトダイオード１１に印加した状態において
アバランシェフォトダイオード１１に光子Ｐｈを入射さ
せ、アバランシェフォトダイオード１１によって出力さ
れるパルス信号Ｓｐの出力レベルが所定のしきい値を超
えたときに光子Ｐｈの入射を検出する単一光子の検出方
法であって、アバランシェフォトダイオード１１に対す
る第１のパルス電圧Ｖｐ１の印加開始タイミングを光子
Ｐｈの入射付近の最適タイミングに調整する。
子の検出方法および検出装置を提供する。 【解決手段】 アバランシェフォトダイオード１１のブ
レークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源
２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号
Ｓｔに同期して生成され所定電圧との合成電圧がブレー
クダウン電圧を上回る第１のパルス電圧Ｖｐ１とをアバ
ランシェフォトダイオード１１に印加した状態において
アバランシェフォトダイオード１１に光子Ｐｈを入射さ
せ、アバランシェフォトダイオード１１によって出力さ
れるパルス信号Ｓｐの出力レベルが所定のしきい値を超
えたときに光子Ｐｈの入射を検出する単一光子の検出方
法であって、アバランシェフォトダイオード１１に対す
る第１のパルス電圧Ｖｐ１の印加開始タイミングを光子
Ｐｈの入射付近の最適タイミングに調整する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、単一光子発生源に
よって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオ
ードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装
置に関するものである。
よって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオ
ードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の検出方法に従って単一光子を検
出可能に構成された検出装置として、図６に示す単一光
子検出装置５１が従来から知られている。この単一光子
検出装置５１は、単一光子発生源５２によって出射され
た単一光子（以下、「光子」ともいう）Ｐｈを検出する
ためのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰ
Ｄ」ともいう）１１と、ＡＰＤ１１にバイアス電圧Ｖｂ
を印加するＤＣバイアス電源１２と、単一光子発生源５
２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号
Ｓｔに同期してパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に出力する
パルスジェネレータ５３と、ＡＰＤ１１によって出力さ
れるパルス信号Ｓｐに基づいて光子Ｐｈの入射有無を検
出してその入射数をカウントするカウンタ５４とを備え
ている。この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介
して単一光子発生源５２に接続されている。また、ＡＰ
Ｄ１１は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地
されると共にカソード端子がＤＣバイアス電源１２およ
びパルスジェネレータ５３に接続されている。
出可能に構成された検出装置として、図６に示す単一光
子検出装置５１が従来から知られている。この単一光子
検出装置５１は、単一光子発生源５２によって出射され
た単一光子（以下、「光子」ともいう）Ｐｈを検出する
ためのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰ
Ｄ」ともいう）１１と、ＡＰＤ１１にバイアス電圧Ｖｂ
を印加するＤＣバイアス電源１２と、単一光子発生源５
２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号
Ｓｔに同期してパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に出力する
パルスジェネレータ５３と、ＡＰＤ１１によって出力さ
れるパルス信号Ｓｐに基づいて光子Ｐｈの入射有無を検
出してその入射数をカウントするカウンタ５４とを備え
ている。この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介
して単一光子発生源５２に接続されている。また、ＡＰ
Ｄ１１は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地
されると共にカソード端子がＤＣバイアス電源１２およ
びパルスジェネレータ５３に接続されている。
【０００３】この単一光子検出装置５１を用いて光子Ｐ
ｈをカウント（検出）する際には、まず、ＤＣバイアス
電源１２によってＡＰＤ１１のカソード端子にブレーク
ダウン電圧（図７に示す電圧Ｖ１）を下回る正極性のバ
イアス電圧Ｖｂ（同図に示す電圧Ｖ２）を印加する。次
に、単一光子発生源５２に対して光子Ｐｈを出射させ
る。この際に、単一光子発生源５２は、トリガ信号Ｓｔ
を出力すると共に、そのトリガ信号Ｓｔの出力に同期し
て光子Ｐｈを出射する。これに応じて、パルスジェネレ
ータ５３がトリガ信号Ｓｔに同期して、一例としてパル
ス幅が１ｎｓ〜２ｎｓのパルス電圧Ｖｐを生成すると共
に、生成したパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１のカソード端
子に印加する。これにより、図７に示すように、ＤＣバ
イアス電源１２によって印加されているバイアス電圧Ｖ
ｂにパルスジェネレータ５３から出力されるパルス電圧
Ｖｐが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超
える電圧がＡＰＤ１１のカソード端子に印加される。こ
の状態では、単一光子発生源５２によって出射された光
子ＰｈがＡＰＤ１１に入射されることにより、ＡＰＤ１
１内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Ｓｐと
して出力される。
ｈをカウント（検出）する際には、まず、ＤＣバイアス
電源１２によってＡＰＤ１１のカソード端子にブレーク
ダウン電圧（図７に示す電圧Ｖ１）を下回る正極性のバ
イアス電圧Ｖｂ（同図に示す電圧Ｖ２）を印加する。次
に、単一光子発生源５２に対して光子Ｐｈを出射させ
る。この際に、単一光子発生源５２は、トリガ信号Ｓｔ
を出力すると共に、そのトリガ信号Ｓｔの出力に同期し
て光子Ｐｈを出射する。これに応じて、パルスジェネレ
ータ５３がトリガ信号Ｓｔに同期して、一例としてパル
ス幅が１ｎｓ〜２ｎｓのパルス電圧Ｖｐを生成すると共
に、生成したパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１のカソード端
子に印加する。これにより、図７に示すように、ＤＣバ
イアス電源１２によって印加されているバイアス電圧Ｖ
ｂにパルスジェネレータ５３から出力されるパルス電圧
Ｖｐが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超
える電圧がＡＰＤ１１のカソード端子に印加される。こ
の状態では、単一光子発生源５２によって出射された光
子ＰｈがＡＰＤ１１に入射されることにより、ＡＰＤ１
１内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Ｓｐと
して出力される。
【０００４】一方、カウンタ５４は、単一光子発生源５
２によって出力されたトリガ信号Ｓｔを入力して、所定
のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号ＳｐがＡＰ
Ｄ１１によって出力されたか否かを検出する検出処理を
開始する。この際に、しきい値を超えたパルス信号Ｓｐ
が出力された際には、光子Ｐｈが入射されたものとして
１カウントする。次いで、パルスジェネレータ５３によ
るパルス電圧Ｖｐの出力が停止された時点で、カソード
端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。このよ
うに、この単一光子検出装置５１では、トリガ信号Ｓｔ
の出力時（光子Ｐｈの入射が期待される短期間）にのみ
ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させることで、光子Ｐｈ
の未入射状態では、熱雑音などに起因するＡＰＤ１１に
よるダークパルス（光子Ｐｈの入射以外の原因でしきい
値を超えて出力されるパルス信号Ｓｐ）の出力が低減さ
れている。また、単一光子発生源５２によって出力され
るトリガ信号Ｓｔに同期してパルス幅の狭いパルス電圧
ＶｐをＡＰＤ１１に印加することで、ＡＰＤ１１がアバ
ランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルス
の発生がさらに低減されている。したがって、この単一
光子検出装置５１によれば、ダークパルスの発生を低減
したことにより、このパルス信号Ｓｐの数をカウントす
ることで、光子Ｐｈの入射数をある程度正確に測定する
ことが可能となっている。
２によって出力されたトリガ信号Ｓｔを入力して、所定
のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号ＳｐがＡＰ
Ｄ１１によって出力されたか否かを検出する検出処理を
開始する。この際に、しきい値を超えたパルス信号Ｓｐ
が出力された際には、光子Ｐｈが入射されたものとして
１カウントする。次いで、パルスジェネレータ５３によ
るパルス電圧Ｖｐの出力が停止された時点で、カソード
端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。このよ
うに、この単一光子検出装置５１では、トリガ信号Ｓｔ
の出力時（光子Ｐｈの入射が期待される短期間）にのみ
ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させることで、光子Ｐｈ
の未入射状態では、熱雑音などに起因するＡＰＤ１１に
よるダークパルス（光子Ｐｈの入射以外の原因でしきい
値を超えて出力されるパルス信号Ｓｐ）の出力が低減さ
れている。また、単一光子発生源５２によって出力され
るトリガ信号Ｓｔに同期してパルス幅の狭いパルス電圧
ＶｐをＡＰＤ１１に印加することで、ＡＰＤ１１がアバ
ランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルス
の発生がさらに低減されている。したがって、この単一
光子検出装置５１によれば、ダークパルスの発生を低減
したことにより、このパルス信号Ｓｐの数をカウントす
ることで、光子Ｐｈの入射数をある程度正確に測定する
ことが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の単一
光子検出装置５１による単一光子の検出方法には、以下
の問題点がある。すなわち、従来の単一光子の検出方法
では、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮
することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生
を低減している。しかしながら、ＡＰＤ１１をアバラン
シェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバラン
シェ降伏時間（１ｎｓ〜２ｎｓ）は、図７に示すよう
に、光子Ｐｈの入射時間（例えば２２ｐｓ）と比較し
て、非常に長い時間となっている。このため、光子Ｐｈ
の未入射状態においてダークパルスが出力される可能性
が十分に存在する。したがって、従来の単一光子の検出
方法には、光子Ｐｈが未入射であるにも拘わらず入射さ
れたと誤って検出することがあるため、その検出精度が
低いという問題点がある。
光子検出装置５１による単一光子の検出方法には、以下
の問題点がある。すなわち、従来の単一光子の検出方法
では、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮
することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生
を低減している。しかしながら、ＡＰＤ１１をアバラン
シェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバラン
シェ降伏時間（１ｎｓ〜２ｎｓ）は、図７に示すよう
に、光子Ｐｈの入射時間（例えば２２ｐｓ）と比較し
て、非常に長い時間となっている。このため、光子Ｐｈ
の未入射状態においてダークパルスが出力される可能性
が十分に存在する。したがって、従来の単一光子の検出
方法には、光子Ｐｈが未入射であるにも拘わらず入射さ
れたと誤って検出することがあるため、その検出精度が
低いという問題点がある。
【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一
光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的
とする。
ものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一
光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォ
トダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧
と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力
されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との
合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパル
ス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加し
た状態において当該アバランシェフォトダイオードに前
記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオ
ードによって出力される出力信号の出力レベルが所定の
しきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する
単一光子の検出方法であって、前記アバランシェフォト
ダイオードに対する前記第１のパルス電圧の印加開始タ
イミングを前記単一光子の入射付近の最適タイミングに
調整する。
求項１記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォ
トダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧
と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力
されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との
合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパル
ス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加し
た状態において当該アバランシェフォトダイオードに前
記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオ
ードによって出力される出力信号の出力レベルが所定の
しきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する
単一光子の検出方法であって、前記アバランシェフォト
ダイオードに対する前記第１のパルス電圧の印加開始タ
イミングを前記単一光子の入射付近の最適タイミングに
調整する。
【０００８】請求項２記載の単一光子の検出方法は、ア
バランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下
回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出
射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記
所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回
る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオ
ードに印加した状態において当該アバランシェフォトダ
イオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェ
フォトダイオードによって出力される出力信号の出力レ
ベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入
射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ
信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパ
ルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期
間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力
レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１
波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前
記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合
う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出
力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更
した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１波高値分
布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について
予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎に
ＳＮ比をそれぞれ算出し、前記算出したＳＮ比が最大と
なる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバ
ランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光
子の入射を検出する。
バランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下
回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出
射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記
所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回
る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオ
ードに印加した状態において当該アバランシェフォトダ
イオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェ
フォトダイオードによって出力される出力信号の出力レ
ベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入
射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ
信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパ
ルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期
間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力
レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１
波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前
記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合
う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出
力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更
した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１波高値分
布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について
予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎に
ＳＮ比をそれぞれ算出し、前記算出したＳＮ比が最大と
なる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバ
ランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光
子の入射を検出する。
【０００９】請求項３記載の単一光子の検出方法は、請
求項２記載の単一光子の検出方法において、前記単一光
子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力さ
せると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分
布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレ
ークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバラ
ンシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射さ
れていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加
して前記第２波高値分布を測定する。
求項２記載の単一光子の検出方法において、前記単一光
子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力さ
せると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分
布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレ
ークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバラ
ンシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射さ
れていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加
して前記第２波高値分布を測定する。
【００１０】請求項４記載の単一光子の検出方法は、請
求項３記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ
信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパ
ルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベル
が前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分
波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態にお
いて当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超え
る出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更し
た各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値
分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記
出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因し
て前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信
号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、
前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布
を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前
記第２波高値分布を算出する。
求項３記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ
信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパ
ルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベル
が前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分
波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態にお
いて当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超え
る出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更し
た各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値
分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記
出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因し
て前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信
号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、
前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布
を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前
記第２波高値分布を算出する。
【００１１】請求項５記載の単一光子の検出方法は、請
求項２から４のいずれかに記載の単一光子の検出方法に
おいて、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布
の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記Ｓ
Ｎ比を算出する際の前記決定基準として規定した。
求項２から４のいずれかに記載の単一光子の検出方法に
おいて、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布
の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記Ｓ
Ｎ比を算出する際の前記決定基準として規定した。
【００１２】請求項６記載の単一光子の検出装置は、単
一光子発生源によって出射された単一光子が入射される
アバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフ
ォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧
を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源に
よって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号
に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウ
ン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバラ
ンシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータ
と、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記
アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号
の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号
を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置
であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータか
らの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第
１および第２カウンタと、前記単一光子発生源に対して
所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該ト
リガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を
出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ
信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオー
ドへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパル
ス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオード
に印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中におい
て前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させる
と共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記
第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前
記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制
御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記
しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が
印加されて前記単一光子が入射されている期間において
隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属
する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布
を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更し
た各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧
が印加されて前記単一光子が入射されていない期間にお
いて前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベル
が属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値
分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変
更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前
記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決
められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそ
れぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時
間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間とし
て設定する。
一光子発生源によって出射された単一光子が入射される
アバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフ
ォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧
を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源に
よって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号
に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウ
ン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバラ
ンシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータ
と、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記
アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号
の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号
を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置
であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータか
らの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第
１および第２カウンタと、前記単一光子発生源に対して
所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該ト
リガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を
出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ
信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオー
ドへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパル
ス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオード
に印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中におい
て前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させる
と共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記
第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前
記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制
御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記
しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が
印加されて前記単一光子が入射されている期間において
隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属
する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布
を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更し
た各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧
が印加されて前記単一光子が入射されていない期間にお
いて前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベル
が属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値
分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変
更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前
記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決
められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそ
れぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時
間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間とし
て設定する。
【００１３】請求項７記載の単一光子の検出装置は、請
求項６記載の単一光子の検出装置において、前記制御部
は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリ
ガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前
記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成
電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電
圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単
一光子が入射されていない期間において前記所定の周期
で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する。
求項６記載の単一光子の検出装置において、前記制御部
は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリ
ガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前
記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成
電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電
圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単
一光子が入射されていない期間において前記所定の周期
で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する。
【００１４】請求項８記載の単一光子の検出装置は、請
求項７記載の単一光子の検出装置において、前記制御部
は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の
印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定
して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出
力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数
についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス
電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前
記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高
値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、
前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との
差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一
光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値
を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波
高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて
前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高
値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
求項７記載の単一光子の検出装置において、前記制御部
は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の
印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定
して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出
力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数
についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス
電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前
記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高
値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、
前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との
差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一
光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値
を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波
高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて
前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高
値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１５】請求項９記載の単一光子の検出装置は、請
求項６から８のいずれかに記載の単一光子の検出装置に
おいて、前記制御部は、前記第１波高値分布および前記
第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記し
きい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として
規定する。
求項６から８のいずれかに記載の単一光子の検出装置に
おいて、前記制御部は、前記第１波高値分布および前記
第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記し
きい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として
規定する。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可
能に構成された単一光子検出装置１の好適な実施の形態
について説明する。なお、従来の単一光子検出装置５１
と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複
した説明を省略する。
明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可
能に構成された単一光子検出装置１の好適な実施の形態
について説明する。なお、従来の単一光子検出装置５１
と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複
した説明を省略する。
【００１７】単一光子検出装置１は、単一光子発生源２
によって出射された光子Ｐｈを検出する装置であって、
図１に示すように、ＡＰＤ１１、ＤＣバイアス電源１
２、トリガ信号Ｓｔに基づいて第１のパルス電圧Ｖｐ１
と第２のパルス電圧Ｖｐ２（以下、特に区別しないとき
には「パルス電圧Ｖｐ」という）とを生成するパルスジ
ェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１
５、第２カウンタ１６およびＣＰＵ（本発明における制
御部）１７を備えている。
によって出射された光子Ｐｈを検出する装置であって、
図１に示すように、ＡＰＤ１１、ＤＣバイアス電源１
２、トリガ信号Ｓｔに基づいて第１のパルス電圧Ｖｐ１
と第２のパルス電圧Ｖｐ２（以下、特に区別しないとき
には「パルス電圧Ｖｐ」という）とを生成するパルスジ
ェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１
５、第２カウンタ１６およびＣＰＵ（本発明における制
御部）１７を備えている。
【００１８】この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣ
を介して単一光子発生源２に接続されている。また、Ａ
ＰＤ１１は、パルス電圧Ｖｐの印加直後（アバランシェ
降伏の初期時）ほどキャリアの増幅作用が大きく、パル
ス電圧Ｖｐを印加してから経過時間が長くなるに従いそ
の増幅作用が小さくなる特性を有している。したがっ
て、光子Ｐｈの入射タイミングと、パルス電圧Ｖｐの印
加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐの立ち上がり
付近）とを互いに同期させることで、その光子Ｐｈの入
射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結
果、パルス信号Ｓｐ（本発明における出力信号）の出力
レベルを大きくすることができる。
を介して単一光子発生源２に接続されている。また、Ａ
ＰＤ１１は、パルス電圧Ｖｐの印加直後（アバランシェ
降伏の初期時）ほどキャリアの増幅作用が大きく、パル
ス電圧Ｖｐを印加してから経過時間が長くなるに従いそ
の増幅作用が小さくなる特性を有している。したがっ
て、光子Ｐｈの入射タイミングと、パルス電圧Ｖｐの印
加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐの立ち上がり
付近）とを互いに同期させることで、その光子Ｐｈの入
射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結
果、パルス信号Ｓｐ（本発明における出力信号）の出力
レベルを大きくすることができる。
【００１９】パルスジェネレータ１３は、単一光子発生
源２によって生成されるトリガ信号Ｓｔが入力されたと
きには、ＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔ
ｄ２経過後に第１のパルス電圧Ｖｐ１を生成すると共
に、さらにＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間
Ｔｄ３経過後に第２のパルス電圧Ｖｐ２（第１のパルス
電圧Ｖｐ１と同じ時間幅：一例として１ｎｓ〜２ｎｓ）
を生成する。コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって
出力されるパルス信号Ｓｐの出力レベルをＣＰＵ１７に
よって予め設定されたしきい値Ｖｔｈと比較し、パルス
信号Ｓｐの出力レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったとき
に検出信号Ｓｄを生成して出力する。
源２によって生成されるトリガ信号Ｓｔが入力されたと
きには、ＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔ
ｄ２経過後に第１のパルス電圧Ｖｐ１を生成すると共
に、さらにＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間
Ｔｄ３経過後に第２のパルス電圧Ｖｐ２（第１のパルス
電圧Ｖｐ１と同じ時間幅：一例として１ｎｓ〜２ｎｓ）
を生成する。コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって
出力されるパルス信号Ｓｐの出力レベルをＣＰＵ１７に
よって予め設定されたしきい値Ｖｔｈと比較し、パルス
信号Ｓｐの出力レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったとき
に検出信号Ｓｄを生成して出力する。
【００２０】第１カウンタ１５は、ＣＰＵ１７によって
生成されたイネーブル信号Ｓｅ１が入力されている状態
（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信
号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメント
する。第２カウンタ１６も同様にして、ＣＰＵ１７によ
って生成されたイネーブル信号Ｓｅ２が入力されている
状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検
出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメ
ントする。
生成されたイネーブル信号Ｓｅ１が入力されている状態
（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信
号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメント
する。第２カウンタ１６も同様にして、ＣＰＵ１７によ
って生成されたイネーブル信号Ｓｅ２が入力されている
状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検
出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメ
ントする。
【００２１】ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶され
た動作プログラムに従って動作し、開始信号Ｓｓを生成
して単一光子発生源２に出力する。また、ＣＰＵ１７
は、パルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１
カウンタ１５および第２カウンタ１６を統括制御する。
具体的には、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、トリガ
信号Ｓｔを入力した際には、所定の遅延時間Ｔｄ４経過
後にイネーブル信号Ｓｅ１を生成して第１カウンタ１５
に出力すると共に、所定の遅延時間Ｔｄ５経過後にイネ
ーブル信号Ｓｅ２を生成して第２カウンタ１６に出力す
る。この場合、各遅延時間Ｔｄ４，Ｔｄ５および各イネ
ーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、同図に示すよ
うに、イネーブル信号Ｓｅ１の出力期間中にパルスジェ
ネレータ１３によって第１のパルス電圧Ｖｐ１が生成さ
れ、かつイネーブル信号Ｓｅ２の出力期間中にパルスジ
ェネレータ１３によって第２のパルス電圧Ｖｐ２が生成
されるようにそれぞれ予め設定されている。また、各イ
ネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、例えば同一
に設定されている。さらに、ＣＰＵ１７は、しきい値Ｖ
ｔｈをコンパレータ１４に設定する。また、ＣＰＵ１７
は、遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３に対応する遅延時間データ
Ｄｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出
力することにより、パルスジェネレータ１３に遅延時間
Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する。これらの場合、ＣＰＵ１７
は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブル
および遅延時間テーブルを参照してしきい値Ｖｔｈおよ
び遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成する。一例とし
て、しきい値テーブルには、複数のしきい値Ｖｔｈが所
定レベル刻みで昇順に配列（記録）されている。同様に
して、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Ｔｄ２が
昇順（または降順）で配列（記録）されると共に、一種
類の遅延時間Ｔｄ３が記録されている。一例として、遅
延時間Ｔｄ２の最小値は、後述する遅延時間Ｔｄ１より
も若干短い時間に設定され、遅延時間Ｔｄ２の最大値
は、遅延時間Ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。
また、遅延時間Ｔｄ３は、例えば、開始信号Ｓｓの周期
Ｔ１の約１／２に設定されている。なお、テーブルを参
照せずに、しきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ
２，Ｄｄ３を演算して生成することも可能である。
た動作プログラムに従って動作し、開始信号Ｓｓを生成
して単一光子発生源２に出力する。また、ＣＰＵ１７
は、パルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１
カウンタ１５および第２カウンタ１６を統括制御する。
具体的には、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、トリガ
信号Ｓｔを入力した際には、所定の遅延時間Ｔｄ４経過
後にイネーブル信号Ｓｅ１を生成して第１カウンタ１５
に出力すると共に、所定の遅延時間Ｔｄ５経過後にイネ
ーブル信号Ｓｅ２を生成して第２カウンタ１６に出力す
る。この場合、各遅延時間Ｔｄ４，Ｔｄ５および各イネ
ーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、同図に示すよ
うに、イネーブル信号Ｓｅ１の出力期間中にパルスジェ
ネレータ１３によって第１のパルス電圧Ｖｐ１が生成さ
れ、かつイネーブル信号Ｓｅ２の出力期間中にパルスジ
ェネレータ１３によって第２のパルス電圧Ｖｐ２が生成
されるようにそれぞれ予め設定されている。また、各イ
ネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、例えば同一
に設定されている。さらに、ＣＰＵ１７は、しきい値Ｖ
ｔｈをコンパレータ１４に設定する。また、ＣＰＵ１７
は、遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３に対応する遅延時間データ
Ｄｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出
力することにより、パルスジェネレータ１３に遅延時間
Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する。これらの場合、ＣＰＵ１７
は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブル
および遅延時間テーブルを参照してしきい値Ｖｔｈおよ
び遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成する。一例とし
て、しきい値テーブルには、複数のしきい値Ｖｔｈが所
定レベル刻みで昇順に配列（記録）されている。同様に
して、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Ｔｄ２が
昇順（または降順）で配列（記録）されると共に、一種
類の遅延時間Ｔｄ３が記録されている。一例として、遅
延時間Ｔｄ２の最小値は、後述する遅延時間Ｔｄ１より
も若干短い時間に設定され、遅延時間Ｔｄ２の最大値
は、遅延時間Ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。
また、遅延時間Ｔｄ３は、例えば、開始信号Ｓｓの周期
Ｔ１の約１／２に設定されている。なお、テーブルを参
照せずに、しきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ
２，Ｄｄ３を演算して生成することも可能である。
【００２２】次に、単一光子検出装置１によるパルスジ
ェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２の最適値および
コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈの最適値の算
出処理について、図２，３を参照して説明する。なお、
この際に使用する単一光子発生源２は、図２に示すよう
に、開始信号Ｓｓを入力したときに、この開始信号Ｓｓ
に同期してトリガ信号Ｓｔを出力すると共にこのトリガ
信号Ｓｔに同期して光子Ｐｈを出射可能に構成されてい
る。また、単一光子発生源２は、トリガ信号Ｓｔに対し
て光子Ｐｈを上記の遅延時間Ｔｄ１だけ遅延して出力す
るように設定されている。したがって、パルスジェネレ
ータ１３によるトリガ信号Ｓｔの入力から第１のパルス
電圧Ｖｐ１の出力までの遅延時間Ｔｄ２を調整すること
によって、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐ１の印加
開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐ１の立ち上が
り）をＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングに
対して最適なタイミングに設定することが可能となる。
ェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２の最適値および
コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈの最適値の算
出処理について、図２，３を参照して説明する。なお、
この際に使用する単一光子発生源２は、図２に示すよう
に、開始信号Ｓｓを入力したときに、この開始信号Ｓｓ
に同期してトリガ信号Ｓｔを出力すると共にこのトリガ
信号Ｓｔに同期して光子Ｐｈを出射可能に構成されてい
る。また、単一光子発生源２は、トリガ信号Ｓｔに対し
て光子Ｐｈを上記の遅延時間Ｔｄ１だけ遅延して出力す
るように設定されている。したがって、パルスジェネレ
ータ１３によるトリガ信号Ｓｔの入力から第１のパルス
電圧Ｖｐ１の出力までの遅延時間Ｔｄ２を調整すること
によって、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐ１の印加
開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐ１の立ち上が
り）をＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングに
対して最適なタイミングに設定することが可能となる。
【００２３】まず、ＣＰＵ１７は、遅延時間テーブルを
参照することによって遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を
生成してパルスジェネレータ１３に出力することによ
り、パルスジェネレータ１３に対して遅延時間Ｔｄ２，
Ｔｄ３を設定する（ステップ３１）。一例として、ＣＰ
Ｕ１７は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時
間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に設定する。また、
ＣＰＵ１７は、第１カウンタ１５および第２カウンタ１
６の各カウント値をリセットする。
参照することによって遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を
生成してパルスジェネレータ１３に出力することによ
り、パルスジェネレータ１３に対して遅延時間Ｔｄ２，
Ｔｄ３を設定する（ステップ３１）。一例として、ＣＰ
Ｕ１７は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時
間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に設定する。また、
ＣＰＵ１７は、第１カウンタ１５および第２カウンタ１
６の各カウント値をリセットする。
【００２４】次いで、ＣＰＵ１７は、しきい値テーブル
を参照することによってしきい値Ｖｔｈを生成し（読み
出し）て、コンパレータ１４に設定する（ステップ３
２）。
を参照することによってしきい値Ｖｔｈを生成し（読み
出し）て、コンパレータ１４に設定する（ステップ３
２）。
【００２５】次いで、ＣＰＵ１７は、図２に示すよう
に、開始信号Ｓｓを一定の周期Ｔ１で繰り返し生成して
単一光子発生源２に出力する。これにより、単一光子発
生源２は、図２に示すように、周期Ｔ１でトリガ信号Ｓ
ｔおよび光子Ｐｈを繰り返し生成して出力する。また、
ＣＰＵ１７は、単一光子発生源２によって生成されたト
リガ信号Ｓｔが入力される毎に、イネーブル信号Ｓｅ
１，Ｓｅ２を生成して第１カウンタ１５および第２カウ
ンタ１６にそれぞれ出力する。一方、パルスジェネレー
タ１３は、トリガ信号Ｓｔが入力される毎に、第１のパ
ルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２を生成し
てＡＰＤ１１に出力する。次いで、ＡＰＤ１１は、各パ
ルス電圧Ｖｐの印加期間だけアバランシェ降伏して、第
１のパルス電圧Ｖｐ１の印加期間中においては光子Ｐｈ
の入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ
等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増
幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスを含む）を出力す
る。また、ＡＰＤ１１は、第２のパルス電圧Ｖｐ２の印
加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生する
キャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ
（ダークパルスのみ）を出力する。この際に、コンパレ
ータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されたパルス信号
Ｓｐの電圧レベルとしきい値Ｖｔｈとを比較し、パルス
信号Ｓｐの電圧レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったとき
に検出信号Ｓｄを出力する。次いで、第１カウンタ１５
および第２カウンタ１６が、ＣＰＵ１７によって出力さ
れた各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２に基づき、それぞ
れ第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ
２の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電
圧ＶｐのＡＰＤ１１への印加期間（印加状態）において
イネーブル状態に移行する。このため、第１カウンタ１
５は、第１のパルス電圧Ｖｐ１のＡＰＤ１１への印加期
間中（印加状態）にイネーブル状態に移行してコンパレ
ータ１４によって生成される検出信号Ｓｄの出力回数を
カウントする。一方、第２カウンタ１６は、第２のパル
ス電圧Ｖｐ２のＡＰＤ１１への印加期間中にイネーブル
状態となって光子Ｐｈの未入射期間中における検出信号
Ｓｄの出力回数をカウントする（ステップ３３）。
に、開始信号Ｓｓを一定の周期Ｔ１で繰り返し生成して
単一光子発生源２に出力する。これにより、単一光子発
生源２は、図２に示すように、周期Ｔ１でトリガ信号Ｓ
ｔおよび光子Ｐｈを繰り返し生成して出力する。また、
ＣＰＵ１７は、単一光子発生源２によって生成されたト
リガ信号Ｓｔが入力される毎に、イネーブル信号Ｓｅ
１，Ｓｅ２を生成して第１カウンタ１５および第２カウ
ンタ１６にそれぞれ出力する。一方、パルスジェネレー
タ１３は、トリガ信号Ｓｔが入力される毎に、第１のパ
ルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２を生成し
てＡＰＤ１１に出力する。次いで、ＡＰＤ１１は、各パ
ルス電圧Ｖｐの印加期間だけアバランシェ降伏して、第
１のパルス電圧Ｖｐ１の印加期間中においては光子Ｐｈ
の入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ
等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増
幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスを含む）を出力す
る。また、ＡＰＤ１１は、第２のパルス電圧Ｖｐ２の印
加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生する
キャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ
（ダークパルスのみ）を出力する。この際に、コンパレ
ータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されたパルス信号
Ｓｐの電圧レベルとしきい値Ｖｔｈとを比較し、パルス
信号Ｓｐの電圧レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったとき
に検出信号Ｓｄを出力する。次いで、第１カウンタ１５
および第２カウンタ１６が、ＣＰＵ１７によって出力さ
れた各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２に基づき、それぞ
れ第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ
２の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電
圧ＶｐのＡＰＤ１１への印加期間（印加状態）において
イネーブル状態に移行する。このため、第１カウンタ１
５は、第１のパルス電圧Ｖｐ１のＡＰＤ１１への印加期
間中（印加状態）にイネーブル状態に移行してコンパレ
ータ１４によって生成される検出信号Ｓｄの出力回数を
カウントする。一方、第２カウンタ１６は、第２のパル
ス電圧Ｖｐ２のＡＰＤ１１への印加期間中にイネーブル
状態となって光子Ｐｈの未入射期間中における検出信号
Ｓｄの出力回数をカウントする（ステップ３３）。
【００２６】ＣＰＵ１７は、開始信号Ｓｓの出力回数が
規定回数に達したか否かを判別し（ステップ３４）、達
しないと判別したときにはステップ３３を繰り返し実行
する。一方、ＣＰＵ１７は、規定回数に達したと判別し
たときには、開始信号Ｓｓの出力を停止した後、各カウ
ンタ１５，１６の現在の各カウント値を読み出すと共に
現在のしきい値Ｖｔｈに関連付けて内部メモリにそれぞ
れ記憶する。また、ＣＰＵ１７は、コンパレータ１４に
対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記
憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ス
テップ３５）。
規定回数に達したか否かを判別し（ステップ３４）、達
しないと判別したときにはステップ３３を繰り返し実行
する。一方、ＣＰＵ１７は、規定回数に達したと判別し
たときには、開始信号Ｓｓの出力を停止した後、各カウ
ンタ１５，１６の現在の各カウント値を読み出すと共に
現在のしきい値Ｖｔｈに関連付けて内部メモリにそれぞ
れ記憶する。また、ＣＰＵ１７は、コンパレータ１４に
対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記
憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ス
テップ３５）。
【００２７】上限に達していないと判別したときには、
ＣＰＵ１７は、ステップ３２に移行して、しきい値テー
ブルから次のしきい値Ｖｔｈ（次に高いレベルのしきい
値Ｖｔｈ）を読み出してコンパレータ１４に設定する
（ステップ３２）。ＣＰＵ１７は、ステップ３５におい
てコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈが
しきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達した
と判別するまで、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返
し実行して、コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈ
を順次変更設定しつつ、各しきい値Ｖｔｈにおける各カ
ウンタ１５，１６のカウント値を記憶する。この場合、
第１カウンタ１５のカウント値は、光子Ｐｈの入射およ
びＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生
した検出信号Ｓｄの出力回数を示し、第２カウンタ１６
のカウント値は、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起
因して発生した検出信号Ｓｄ（ダークパルス）の出力回
数を示している。したがって、ステップ３２〜ステップ
３５を繰り返し実行することにより、図４に示すよう
に、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等
の双方に起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての
第１積分波高値分布と、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等に
のみ起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２
積分波高値分布とが測定される（ステップ３６）。
ＣＰＵ１７は、ステップ３２に移行して、しきい値テー
ブルから次のしきい値Ｖｔｈ（次に高いレベルのしきい
値Ｖｔｈ）を読み出してコンパレータ１４に設定する
（ステップ３２）。ＣＰＵ１７は、ステップ３５におい
てコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈが
しきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達した
と判別するまで、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返
し実行して、コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈ
を順次変更設定しつつ、各しきい値Ｖｔｈにおける各カ
ウンタ１５，１６のカウント値を記憶する。この場合、
第１カウンタ１５のカウント値は、光子Ｐｈの入射およ
びＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生
した検出信号Ｓｄの出力回数を示し、第２カウンタ１６
のカウント値は、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起
因して発生した検出信号Ｓｄ（ダークパルス）の出力回
数を示している。したがって、ステップ３２〜ステップ
３５を繰り返し実行することにより、図４に示すよう
に、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等
の双方に起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての
第１積分波高値分布と、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等に
のみ起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２
積分波高値分布とが測定される（ステップ３６）。
【００２８】ステップ３５においてコンパレータ１４に
対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記
憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、
ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布と第２積分波高値分
布とに基づいて、図５に示すような、純粋に光子Ｐｈの
入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの出力回数につ
いての第１波高値分布（第１微分波高値分布ともいう）
と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Ｓｐ
（ダークパルス）の出力回数についての第２波高値分布
（第２微分波高値分布ともいう）とを算出する（ステッ
プ３７）。具体的には、ＣＰＵ１７は、第２積分波高値
分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ
（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋
１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合
う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間
に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐ、言い替えれば、
その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつし
きい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）以下のパルス信号Ｓｐの出力回
数についての第２微分波高値分布を算出する（ステップ
３７、図５参照）。また、ＣＰＵ１７は、第１積分波高
値分布のカウント値から第２積分波高値分布のカウント
値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Ｓｐ
のうちの主として光子Ｐｈの入射に起因して出力レベル
がしきい値Ｖｔｈを超えるパルス信号Ｓｐの出力回数に
ついての第３積分波高値分布を算出し、その第３積分波
高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖ
ｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ
＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り
合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の
間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐの出力回数につ
いての第１微分波高値分布を算出する（ステップ３７、
図５参照）。
対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記
憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、
ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布と第２積分波高値分
布とに基づいて、図５に示すような、純粋に光子Ｐｈの
入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの出力回数につ
いての第１波高値分布（第１微分波高値分布ともいう）
と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Ｓｐ
（ダークパルス）の出力回数についての第２波高値分布
（第２微分波高値分布ともいう）とを算出する（ステッ
プ３７）。具体的には、ＣＰＵ１７は、第２積分波高値
分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ
（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋
１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合
う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間
に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐ、言い替えれば、
その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつし
きい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）以下のパルス信号Ｓｐの出力回
数についての第２微分波高値分布を算出する（ステップ
３７、図５参照）。また、ＣＰＵ１７は、第１積分波高
値分布のカウント値から第２積分波高値分布のカウント
値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Ｓｐ
のうちの主として光子Ｐｈの入射に起因して出力レベル
がしきい値Ｖｔｈを超えるパルス信号Ｓｐの出力回数に
ついての第３積分波高値分布を算出し、その第３積分波
高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖ
ｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ
＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り
合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の
間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐの出力回数につ
いての第１微分波高値分布を算出する（ステップ３７、
図５参照）。
【００２９】次に、ＣＰＵ１７は、算出した第１微分波
高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交
点に対応するしきい値Ｖｔｈｃを算出すると共に、この
しきい値Ｖｔｈｃを超える各しきい値Ｖｔｈのダークパ
ルスの総数Ｎｄ（図５における左下がり斜線を付した部
分のカウント値の合計）、および純粋に光子Ｐｈの入射
に起因して発生するパルス信号Ｓｐの総数Ｎｐ（図５に
おける右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）
を算出し、さらに総数Ｎｐを総数Ｎｄで除算することに
より、この遅延時間Ｔｄ２（この例では、最小の遅延時
間）を設定して光子Ｐｈの入射検出を行った際のＳＮ比
を算出する（ステップ３８）。この場合、第１微分波高
値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点
に対応するしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４の実際
のしきい値Ｖｔｈｃとすることにより、光子Ｐｈの入射
に起因したパルス信号Ｓｐのカウント値をダークパルス
のカウント値よりも常に多くすることができると共に、
ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光
子Ｐｈの入射検出を行うことができる。
高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交
点に対応するしきい値Ｖｔｈｃを算出すると共に、この
しきい値Ｖｔｈｃを超える各しきい値Ｖｔｈのダークパ
ルスの総数Ｎｄ（図５における左下がり斜線を付した部
分のカウント値の合計）、および純粋に光子Ｐｈの入射
に起因して発生するパルス信号Ｓｐの総数Ｎｐ（図５に
おける右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）
を算出し、さらに総数Ｎｐを総数Ｎｄで除算することに
より、この遅延時間Ｔｄ２（この例では、最小の遅延時
間）を設定して光子Ｐｈの入射検出を行った際のＳＮ比
を算出する（ステップ３８）。この場合、第１微分波高
値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点
に対応するしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４の実際
のしきい値Ｖｔｈｃとすることにより、光子Ｐｈの入射
に起因したパルス信号Ｓｐのカウント値をダークパルス
のカウント値よりも常に多くすることができると共に、
ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光
子Ｐｈの入射検出を行うことができる。
【００３０】次に、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ
１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブ
ルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別す
る（ステップ３９）。上限に達していないと判別したと
きには、ＣＰＵ１７は、ステップ３１に移行して、遅延
時間テーブルから次の遅延時間データＤｄ２を読み出し
てパルスジェネレータ１３に出力することにより、パル
スジェネレータ１３に新たな遅延時間Ｔｄ２を設定す
る。この後、ＣＰＵ１７は、ステップ３１〜ステップ３
９を繰り返し実行して、パルスジェネレータ１３に対す
る遅延時間Ｔｄ２を順次変更設定しながら、各遅延時間
Ｔｄ２毎のしきい値ＶｔｈｃおよびＳＮ比を同様にして
算出する。
１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブ
ルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別す
る（ステップ３９）。上限に達していないと判別したと
きには、ＣＰＵ１７は、ステップ３１に移行して、遅延
時間テーブルから次の遅延時間データＤｄ２を読み出し
てパルスジェネレータ１３に出力することにより、パル
スジェネレータ１３に新たな遅延時間Ｔｄ２を設定す
る。この後、ＣＰＵ１７は、ステップ３１〜ステップ３
９を繰り返し実行して、パルスジェネレータ１３に対す
る遅延時間Ｔｄ２を順次変更設定しながら、各遅延時間
Ｔｄ２毎のしきい値ＶｔｈｃおよびＳＮ比を同様にして
算出する。
【００３１】一方、ＣＰＵ１７は、ステップ３９におい
て、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間
Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）
に達したと判別したときには、算出した複数のＳＮ比の
うちからＳＮ比が最大となる１つの遅延時間Ｔｄ２を決
定する。次いで、ＣＰＵ１７は、この決定した遅延時間
Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時
間として決定して設定すると共に、この遅延時間Ｔｄ２
のときのしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４に対する
最適なしきい値Ｖｔｈとして決定して設定する（ステッ
プ４０）。
て、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間
Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）
に達したと判別したときには、算出した複数のＳＮ比の
うちからＳＮ比が最大となる１つの遅延時間Ｔｄ２を決
定する。次いで、ＣＰＵ１７は、この決定した遅延時間
Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時
間として決定して設定すると共に、この遅延時間Ｔｄ２
のときのしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４に対する
最適なしきい値Ｖｔｈとして決定して設定する（ステッ
プ４０）。
【００３２】このように、この単一光子検出装置１によ
る単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ１
３に対する最適な遅延時間Ｔｄ２およびコンパレータ１
４に対する最適なしきい値Ｖｔｈを設定することによ
り、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Ｐｈの
入射を検出できる状態に単一光子検出装置１を設定する
ことができるため、高い精度で光子Ｐｈの入射を検出す
ることができる。
る単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ１
３に対する最適な遅延時間Ｔｄ２およびコンパレータ１
４に対する最適なしきい値Ｖｔｈを設定することによ
り、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Ｐｈの
入射を検出できる状態に単一光子検出装置１を設定する
ことができるため、高い精度で光子Ｐｈの入射を検出す
ることができる。
【００３３】なお、本発明は、上記した本発明の実施の
形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実
施の形態では、抵抗を介してＡＰＤ１１のアノード端子
を接地して、正極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２
の電圧Ｖ２およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧
Ｖｐをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明
はこれに限定されず、抵抗を介してＡＰＤ１１のカソー
ド端子を接地して、負極性電圧としてのＤＣバイアス電
源１２の出力電圧およびパルスジェネレータ１３のパル
ス電圧をアノード端子に印加してもよい。この場合に
は、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐの立ち下がり
（印加開始タイミング）と、ＡＰＤ１１に対する光子Ｐ
ｈの入射タイミングとを同期させる。また、本発明の実
施の形態では、図３におけるステップ３１〜ステップ３
９のループ内で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出する
構成を採用したが、ステップ３６，３７において算出し
た各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時
点で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出すると共にＳＮ
比が最大となる遅延時間Ｔｄ２を算出する構成を採用す
ることもできる。また、本発明の実施の形態では、第１
積分波高値分布および第２積分波高値分布を求め、これ
ら各積分波高値分布に基づいて、第１波高値分布および
第２波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコ
ンパレータ１４に代えてウィンドウコンパレータを使用
すると共に、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を
超え、かつ次のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）以下のパルス信号
Ｓｐの出力回数を第１カウンタ１５および第２カウンタ
１６でカウントする構成を採用することにより、第１積
分波高値分布および第２積分波高値分布を測定すること
なく、第１波高値分布および第２波高値分布を算出する
こともできる。
形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実
施の形態では、抵抗を介してＡＰＤ１１のアノード端子
を接地して、正極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２
の電圧Ｖ２およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧
Ｖｐをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明
はこれに限定されず、抵抗を介してＡＰＤ１１のカソー
ド端子を接地して、負極性電圧としてのＤＣバイアス電
源１２の出力電圧およびパルスジェネレータ１３のパル
ス電圧をアノード端子に印加してもよい。この場合に
は、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐの立ち下がり
（印加開始タイミング）と、ＡＰＤ１１に対する光子Ｐ
ｈの入射タイミングとを同期させる。また、本発明の実
施の形態では、図３におけるステップ３１〜ステップ３
９のループ内で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出する
構成を採用したが、ステップ３６，３７において算出し
た各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時
点で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出すると共にＳＮ
比が最大となる遅延時間Ｔｄ２を算出する構成を採用す
ることもできる。また、本発明の実施の形態では、第１
積分波高値分布および第２積分波高値分布を求め、これ
ら各積分波高値分布に基づいて、第１波高値分布および
第２波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコ
ンパレータ１４に代えてウィンドウコンパレータを使用
すると共に、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を
超え、かつ次のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）以下のパルス信号
Ｓｐの出力回数を第１カウンタ１５および第２カウンタ
１６でカウントする構成を採用することにより、第１積
分波高値分布および第２積分波高値分布を測定すること
なく、第１波高値分布および第２波高値分布を算出する
こともできる。
【００３４】
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の単一光子
の検出方法によれば、アバランシェフォトダイオードに
対する第１のパルス電圧の印加開始タイミングを単一光
子の入射付近の最適タイミングに調整することにより、
ダークパルスの影響を最小限に抑えることができるた
め、単一光子の入射を精度良く検出することができる。
の検出方法によれば、アバランシェフォトダイオードに
対する第１のパルス電圧の印加開始タイミングを単一光
子の入射付近の最適タイミングに調整することにより、
ダークパルスの影響を最小限に抑えることができるた
め、単一光子の入射を精度良く検出することができる。
【００３５】また、請求項２記載の単一光子の検出方法
および請求項６記載の単一光子の検出装置によれば、ト
リガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧
が印加されて単一光子が入射されている期間において隣
り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信
号の出力回数についての第１波高値分布および第１のパ
ルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間
において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属
する出力信号の出力回数についての第２波高値分布を変
更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１波高値分
布、第２波高値分布、およびしきい値について予め決め
られた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれ
ぞれ算出し、算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ
トリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオード
に対して印加して単一光子を検出することにより、検出
可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルス
の影響を最小限に抑えつつ、ＳＮ比が最も良好となるタ
イミングで第１のパルス電圧をアバランシェフォトダイ
オードに印加することができる。したがって、単一光子
の入射を精度良く検出することができる。
および請求項６記載の単一光子の検出装置によれば、ト
リガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延
時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧
が印加されて単一光子が入射されている期間において隣
り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信
号の出力回数についての第１波高値分布および第１のパ
ルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間
において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属
する出力信号の出力回数についての第２波高値分布を変
更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１波高値分
布、第２波高値分布、およびしきい値について予め決め
られた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれ
ぞれ算出し、算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ
トリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオード
に対して印加して単一光子を検出することにより、検出
可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルス
の影響を最小限に抑えつつ、ＳＮ比が最も良好となるタ
イミングで第１のパルス電圧をアバランシェフォトダイ
オードに印加することができる。したがって、単一光子
の入射を精度良く検出することができる。
【００３６】さらに、請求項３記載の単一光子の検出方
法および請求項７記載の単一光子の検出装置によれば、
単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力
させると共に単一光子を出射させて第１波高値分布を測
定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧
を上回る第２のパルス電圧をアバランシェフォトダイオ
ードに対して単一光子が入射されていない期間において
所定の周期で繰り返し印加して第２波高値分布を測定す
ることにより、一回の測定によって得られた第１波高値
分布および第２波高値分布に基づいてＳＮ比が最大とな
る遅延時間を算出するのと比較して、ＳＮ比が最も良好
となる第１のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出す
ることができる。したがって、単一光子の入射を一層精
度良く検出することができる。
法および請求項７記載の単一光子の検出装置によれば、
単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力
させると共に単一光子を出射させて第１波高値分布を測
定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧
を上回る第２のパルス電圧をアバランシェフォトダイオ
ードに対して単一光子が入射されていない期間において
所定の周期で繰り返し印加して第２波高値分布を測定す
ることにより、一回の測定によって得られた第１波高値
分布および第２波高値分布に基づいてＳＮ比が最大とな
る遅延時間を算出するのと比較して、ＳＮ比が最も良好
となる第１のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出す
ることができる。したがって、単一光子の入射を一層精
度良く検出することができる。
【００３７】さらに、請求項４記載の単一光子の検出方
法および請求項８記載の単一光子の検出装置によれば、
トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅
延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電
圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい
値を超える出力回数についての第１積分波高値分布およ
び第２のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力
レベルが各しきい値を超える出力回数についての第２積
分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定
し、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布との差分
に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に
起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出
力回数についての第３積分波高値分布を算出し、第３積
分波高値分布に基づいて第１波高値分布を算出すると共
に第２積分波高値分布に基づいて第２波高値分布を算出
することにより、第１波高値分布および第２波高値分布
を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤
差を軽減することができる。したがって、ＳＮ比が最も
良好となる第１のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正
確に算出することができる。したがって、単一光子の入
射をさらに一層精度良く検出することができる。
法および請求項８記載の単一光子の検出装置によれば、
トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅
延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電
圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい
値を超える出力回数についての第１積分波高値分布およ
び第２のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力
レベルが各しきい値を超える出力回数についての第２積
分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定
し、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布との差分
に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に
起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出
力回数についての第３積分波高値分布を算出し、第３積
分波高値分布に基づいて第１波高値分布を算出すると共
に第２積分波高値分布に基づいて第２波高値分布を算出
することにより、第１波高値分布および第２波高値分布
を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤
差を軽減することができる。したがって、ＳＮ比が最も
良好となる第１のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正
確に算出することができる。したがって、単一光子の入
射をさらに一層精度良く検出することができる。
【００３８】また、請求項５記載の単一光子の検出方法
および請求項９記載の単一光子の検出装置によれば、第
１波高値分布および第２波高値分布の各包絡線同士の交
点に対応するしきい値をＳＮ比を算出する際の決定基準
として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因
した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因し
た出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。
したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、
単一光子の入射検出率を向上させることができる。
および請求項９記載の単一光子の検出装置によれば、第
１波高値分布および第２波高値分布の各包絡線同士の交
点に対応するしきい値をＳＮ比を算出する際の決定基準
として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因
した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因し
た出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。
したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、
単一光子の入射検出率を向上させることができる。
【図１】本発明の実施の形態に係る単一光子検出装置１
の構成図である。
の構成図である。
【図２】単一光子検出装置１の動作を説明するためのタ
イミングチャートである。
イミングチャートである。
【図３】単一光子検出装置１の動作および本発明の実施
の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフロ
ーチャートである。
の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフロ
ーチャートである。
【図４】しきい値Ｖｔｈをパラメータとして光子Ｐｈの
入射状態のときにおける第１積分波高値分布および光子
Ｐｈの非入射状態のときにおける第２積分波高値分布を
示すグラフである。
入射状態のときにおける第１積分波高値分布および光子
Ｐｈの非入射状態のときにおける第２積分波高値分布を
示すグラフである。
【図５】しきい値Ｖｔｈをパラメータとする光子Ｐｈの
第１波高値分布およびダークパルスについての第２積分
波高値分布を示すグラフである。
第１波高値分布およびダークパルスについての第２積分
波高値分布を示すグラフである。
【図６】従来の単一光子検出装置５１の構成図である。
【図７】従来の単一光子検出装置５１による単一光子の
検出に際して、ＡＰＤ１１に印加電圧を印加するタイミ
ングと光子Ｐｈの入射タイミングとの関係を示すタイミ
ングチャートである。
検出に際して、ＡＰＤ１１に印加電圧を印加するタイミ
ングと光子Ｐｈの入射タイミングとの関係を示すタイミ
ングチャートである。
１ 単一光子検出装置
２ 単一光子発生源
１１ アバランシェフォトダイオード
１２ ＤＣバイアス電源
１３ パルスジェネレータ
１４ コンパレータ
１５，１６ カウンタ
ＯＣ 光ケーブル
Ｐｈ 光子
Ｓｐ 検出信号
Ｓｓ 開始信号
Ｓｔ トリガ信号
Ｖｂ バイアス電圧
Ｖｐ パルス電圧
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 工藤 真
長野県上田市大字小泉字桜町81番地 日置
電機株式会社内
(72)発明者 田中 光喜
長野県上田市大字小泉字桜町81番地 日置
電機株式会社内
Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AA12 AB14 AB19 BA09
BA40 BC03 BC04 BC07 BC17
BC35
5F049 MA07 NA01 NA04 NA17 NB07
UA12 UA13 UA20
Claims (9)
- 【請求項１】 アバランシェフォトダイオードのブレー
クダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によ
って単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期
して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレーク
ダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバラン
シェフォトダイオードに印加した状態において当該アバ
ランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、
前記アバランシェフォトダイオードによって出力される
出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに
前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であ
って、 前記アバランシェフォトダイオードに対する前記第１の
パルス電圧の印加開始タイミングを前記単一光子の入射
付近の最適タイミングに調整する単一光子の検出方法。 - 【請求項２】 アバランシェフォトダイオードのブレー
クダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によ
って単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期
して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレーク
ダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバラン
シェフォトダイオードに印加した状態において当該アバ
ランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、
前記アバランシェフォトダイオードによって出力される
出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに
前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であ
って、 前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加
までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前
記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射さ
れている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間
に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数につ
いての第１波高値分布および当該第１のパルス電圧が印
加されて前記単一光子が入射されていない期間において
前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属
する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布
を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、 前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記
しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前
記各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、 前記算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ前記トリ
ガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオード
に対して印加して前記単一光子の入射を検出する単一光
子の検出方法。 - 【請求項３】 前記単一光子発生源に対して所定の周期
で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出
射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電
圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２
のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対
して前記単一光子が入射されていない期間において前記
所定の周期で繰り返し印加して前記第２波高値分布を測
定する請求項２記載の単一光子の検出方法。 - 【請求項４】 前記トリガ信号の出力から前記第１のパ
ルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順
次変更して、前記第１のパルス電圧の印加状態において
前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出
力回数についての第１積分波高値分布および前記第２の
パルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベ
ルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積
分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測
定し、 前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との
差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一
光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値
を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波
高値分布を算出し、 前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布
を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前
記第２波高値分布を算出する請求項３記載の単一光子の
検出方法。 - 【請求項５】 前記第１波高値分布および前記第２波高
値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を
前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定した
請求項２から４のいずれかに記載の単一光子の検出方
法。 - 【請求項６】 単一光子発生源によって出射された単一
光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当
該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧
を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記
単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力
されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が
前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧を生
成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパ
ルスジェネレータと、前記第１のパルス電圧を印加した
状態において前記アバランシェフォトダイオードから出
力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超え
るときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単
一光子の検出装置であって、 イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検
出信号の出力回数をそれぞれカウントする第１および第
２カウンタと、 前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信
号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間
だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェ
ネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第１の
パルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記
アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入
射期間中において第２のパルス電圧を生成させて前記ア
バランシェフォトダイオードに印加させ、前記第１のパ
ルス電圧の出力期間中において前記第１カウンタを前記
イネーブル状態に移行させると共に前記第２のパルス電
圧の出力期間中において前記第２カウンタを前記イネー
ブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前
記しきい値を設定制御する制御部とを備え、 当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次
変更設定して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記
単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の
前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信
号の出力回数についての第１波高値分布を前記第１カウ
ンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎
に測定すると共に当該第１のパルス電圧が印加されて前
記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合
う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出
力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記第２
カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時
間毎に測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分
布、および前記しきい値について予め決められた決定基
準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、
当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時間を前記パルス
ジェネレータに対する前記遅延時間として設定する単一
光子の検出装置。 - 【請求項７】 前記制御部は、前記単一光子発生源に対
して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前
記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、
かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電
圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォト
ダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期
間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第
２波高値分布を測定する請求項６記載の単一光子の検出
装置。 - 【請求項８】 前記制御部は、前記トリガ信号の出力か
ら前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前
記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧
の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各
しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分
布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該
出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回
数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延
時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前
記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号
のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出
力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力
回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３
積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出す
ると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波
高値分布を算出する請求項７記載の単一光子の検出装
置。 - 【請求項９】 前記制御部は、前記第１波高値分布およ
び前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する
前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準
として規定する請求項６から８のいずれかに記載の単一
光子の検出装置。
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