JP2004264097A - Photon detector unit - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一光子光源を用いた量子暗号の伝送などの量子情報処理に利用される光子検出装置に関し、特に単一光子レベルでの光子検出を高速になし得る光子検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
単一光子検出器は、従来からの高感度光測定での使用に加え、量子暗号や量子計算などの量子情報処理の分野において必須の技術となることから、近年、急速にその需要が高まりつつある。特に、量子暗号や量子通信では、通常の光通信と同様に、通信速度の高速化と通信距離の延伸化のため、高速でかつ高検出効率である光子受信装置が必要とされてきている。
【0003】
単一光子レベルの信号光を受信する超高感度光測定では、通常、冷却アバランシェ・フォトダイオード(APDともいう: avalanche photodiode)や光電子増倍管(PMT:ともいう photo multiplier tube)を用いた光子検出器が用いられている。特に、1.5μmの通信波長帯では、PMTにはほとんど感度がないため、冷却APDを用いた光子検出器を使用することが一般的な方法である。
【0004】
1.5μm帯での光子検出には、感度の問題からインジウム・ガリウム・砒素系(INGaAs)系のAPDが用いられることが多い。インジウム・ガリウム・砒素系(INGaAs)系のAPDを用いた光子検出に関する従来技術として、例えば、非特許文献1参照がある。
【0005】
この非特許文献1において、光子検出に用いられるAPDはガイガー(Geiger)動作モードと呼ばれる特殊なバイアス条件で駆動される。ガイガー動作モードでは、APDの降伏電圧VBよりも若干高めに逆バイアス電圧を印加した状態にしておき、光子の入射によって生じた電子雪崩を、パルス信号として観測するようにしている。また、入射される光子がクロック信号に同期して周期的に飛来するような場合には、信号光子が入射されるタイミングに合わせてAPDの降伏電圧VBより大きな逆バイアス電圧(ゲートパルス)を順次周期的に印加するゲーティドガイガー(gated Geiger)動作モードと呼ばれる駆動方式が用いられる。すなわち、逆バイアス電圧が降伏電圧VBより大きくなった瞬間にちょうど光子が入射されれば、一定の検出効率で出力信号に信号パルスが発生する。光子検出できなかったときには、出力には何も出力されない。
【0006】
このような光子検出器を、例えば量子暗号通信に使用する場合、通信速度をあげるためには、光子が飛来する時間間隔Tを短くすればよい。ところが、例えば、前述した非特許文献1にあるように、ゲーティドガイガー動作モードで駆動されるAPDによる光子検出器では、アフターパルス(after pulse)という現象が生じ、光子検出後に、クロック信号に同期してAPDにゲートパルスを印加した場合に、光子が入射されていないのにも関わらず、電子雪崩が生じ、誤った信号パルスが出力されることがある。このアフターパルスの発生間隔は、光子検出後の経過時間が長ければ長いほど低下する。なお、アフターパルスとは、APDにおいて、前回のアバランシェ増幅の際に素子に残留してしまったキャリアによって引き起こされるものである。
【0007】
図5は、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルス列に対して光子がまばらにしか検出されない場合について、光子検出とアフターパルス発生確率とゲートパルス列との関係を示した模式図である。
【0008】
図5(a)はゲートパルス列の時間間隔Tが短い場合であり、光子検出後、アフターパルス計数率Pafter(Δt)が大きいうちに次のゲートパルスが印加されるため、光子が入射されていないのにも関わらず、誤って検出信号が出力されてしまう確率が大きくなる。
【0009】
一方、図5(b)はゲートパルス列の時間間隔T´が長い場合を示しており、光子検出後十分時間がたった後に、次のゲートパルスが印加されるため、アフターパルスによる誤った検出信号は発生しなくなる。
【0010】
図6は光子検出から時間t経過したときに、アフターパルスが発生する確率Pafter(t)を観測した実験データである。図6から判るように、光子検出から0.5μms経過した後でも10−2程度アフターパルスが発生する確率があることがわかる。したがって、通信速度をあげるため、光子が飛来する間隔を短くすればするほど、誤り信号が発生する確率が増大することになる。例えば、図6の特性を有するAPD光子検出器を用いた場合には、T=0.5μmとした場合に、およそ1%の誤りが生じることになる。
【0011】
前述したアフターパルスの影響を取り除くため、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルスの周期に対して、光子がまばらにしか検出されない場合には、光子検出後、一定時間ゲートパルスの印加をしない時間を設け、アフターパルス計数率が十分低下した後に、ゲートパルスの印加を再開するという方法などが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
【0012】
しかしながら、この方法では、光子が頻繁に飛来する場合には、ゲートパルスの印加を止めることによって生じる不感時間が長くなって、検出の効率が低下するため、実用的な方法ではなくなる。
【0013】
【非特許文献1】
D. Stucki et al., ”Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs APDs,” J. Mod. Opt. 48, 1967 (2001))
【非特許文献2】
D. Stucki et al., ”Quantum key distribution over 67 km with a plug&play system,” New J. Phys 4, 41.1−41.8 (2002); A. Yoshizawa et al., ”A Method of Discarding After−Pulses in Single−Photon Detection for Quantum Key Distribution,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, 6016−6017 (2002))
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の光子検出器においては、アフターパルスの影響により、光子検出の応答速度を十分に高速にすることが困難であるという課題がある。
【0015】
また、上記のようにアフターパルスの影響によって生じる、光子検出器の応答時間制限の他にも、本来的にAPDがもつ素子特性による応答速度制限も生じる。通常APDでは、応答速度と量子効率はトレードオフの関係にあるため、高い量子効率が必要とされる光子検出器では、十分な応答速度を得ることが困難であるという課題があった。
【0016】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、見かけ上の応答速度を単一の光子検出器を用いたときより大幅に向上させ得る、高速な光子検出装置を得ることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光子検出装置は、入射光を偏向する光偏向器と、光子を検出する複数の光子検出素子を有する光子検出器と、前記光偏向器の出力光が前記複数の光子検出素子上を掃引するように、前記光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段と、前記光偏向器の出力光が前記各光子検出素子に入射されるタイミングに合うように各光子検出素子にバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段と、前記複数の光子検出素子からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段とを備えたことを特徴とする。
【0018】
この発明によれば、複数光子検出素子を順次掃引するように光偏向器によって入射光子パルス列を偏向するようにしており、これにより、各光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光子検出装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【0020】
実施の形態1.
図1は実施の形態1の光子検出装置の構成を示す概念図である。この実施の形態1の光子検出装置は、入射された光子パルス列11の各入射光子の進行方向を変える光偏向器12と、同期信号に基づいて光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段13と、複数の光子検出素子(例えば冷却アバランシェ・フォトダイオード(APD))14−1〜14−nを列状(アレイ状)に併設したアレイ型APD光子検出器14と、アレイ型APD光子検出器14の各APD14−1〜14−nにAPDの降伏電圧VBより大きな逆バイアス電圧(ゲートパルス)を順次周期的に印加するバイアス印加手段15と、アレイ型APD光子検出器14の各APD14−1〜14−nから出力される検出信号を、時系列信号(シリアル信号)に変換するデータ処理手段16とを備えている。
【0021】
入射光子パルス列11における各入射光子の時間間隔(周期)をTとする。アレイ型APD光子検出器14は、複数のAPD14−1〜14−nから構成され、複数のAPD14−1〜14−nをアレイ状さらにはマトリックス状に併設したものである。
【0022】
光偏向器12は、同期信号としてのクロック信号に同期して動作する光偏向器駆動手段13によって駆動され、入射光子パルス列11の各入射光子を偏向する。光偏向器駆動手段13は、光偏向器12に印加する電圧を制御することにより、入射光子パルス列11の各入射光子の偏向角及び偏向速度を調整する。すなわち、光偏向器駆動手段13は、アレイ型APD光子検出器14上の各APD14−1〜14−nに順次パルス列が入射されるように、別言すれば光偏向器12の出力光が複数のAPD上を掃引するように、光偏向器12に印加する電圧を制御する。
【0023】
光偏向器12としては、音響光学効果を用いた音響光学偏向器(AOD:Acousto−optical deflector)が挙げられる。AODでは、音響光学素子内に発生した音響光学波が光学的な屈折率変化を引き起こし、生じた回折格子により入射光が回折される効果を用いている。AODによる偏向角Δθは、入射光子の波長λ、音響光学素子内の音響速度Va、及び印加する音響周波数Δfを用いて次のように与えられる。
【0024】
Δθ=λ・Δf/Va
上式から分かるように、偏向角ΔθはAODに印加する音響周波数Δfに比例する。したがって、光偏向器駆動手段13の出力電圧の変調周波数を変化させることで、偏向角Δθを自由に選ぶことが可能である。偏向角Δθについては、MHzオーダーの掃引速度で掃引することが可能である。
【0025】
また、光偏向器12としては、電気光学効果を用いた電気光学偏向器(EOD: Electro−optical deflector)を用いることもできる。EODでは電気光学効果によって生じた屈折率変化を用いて、入射光の偏向を行う。この場合、偏向角Δθは使用する電気光学素子の種類、大きさ、印加電圧、入射光の偏光方向などによって決定される。
【0026】
また、光偏向器12としては、ガルバノミラーや多角柱(ポリゴン)ミラーなどの反射鏡を用いた機械的偏向器を用いることができる。機械的偏向器の場合、AODやEODを用いた場合に比べ、高速性や集積化の面では劣るが、低損失かつ簡易に光偏向器を実現することが可能である。
【0027】
図2は、バイアス印加手段15がアレイ型APD光子検出器14の各APD14−1〜14−nに印加するゲートパルス列(逆バイアス電圧)の様子を、模式的に表したものである。また、図3は、ゲートパルス列の電圧VbiasとAPD電流との関係を示すものである。図3中のIdはAPDの暗電流を表している。
【0028】
図2に示すように、バイアス印加手段15は、同期信号に基づいて、n個の各APD14−1〜14−nに対し、入射光子パルス列11の時間間隔Tのn倍の周期nTで、ゲートパルス列を印加する。また、バイアス印加手段15によって各APD14−1〜14−nに時間間隔nTで印加される各ゲートパルス(逆バイアス電圧)は、図3に示すように、APDの降伏電圧VBより大きな電圧VB+ΔVと、APDの降伏電圧VBより小さな電圧VB−ΔVの間で変化するものである。
【0029】
このように、n個のAPD14−1〜14−nを用い、これらn個のAPD14−1〜14−nに対し入射光子パルス列11の時間間隔Tのn倍の時間間隔nTでゲートパルスを印加するようにしているので、個々のAPD14−1〜14−nに必要とされる応答速度を1/nにすることが出来る。
【0030】
データ処理手段16には、アレイ型APD光子検出器14の複数のAPD14−1〜14−nの出力が入力されており、データ処理手段16は複数のAPD14−1〜14−nから出力される光子検出信号の時系列的な順番を保ちつつ、これを時系列的なシリアル信号に変換するなどのデータ処理を行って出力する。
【0031】
かかる構成によれば、一定の時間間隔Tの一定間隔で飛来する入射光子パルス列11は、光偏向器12に入射される。なお、入射光子パルス列11は、パルス列の飛来周期が同期信号(クロック信号)と同期していれば良く、光強度が非常に微弱なときは、各パルス列には必ずしも光子が含まれていなくてもよい。すなわち光子は、時間Tの任意の整数倍の間隔でさえあれば、歯抜けの状態でランダムに飛来してもよい。
【0032】
光偏向器12に入射された入射光子パルス列11の1つ目の入射光子は、光偏向器12によって偏向され、アレイ型APD光子検出器14の複数のAPD14−1〜14−nの何れか一つ(例えば1番目のAPD14−1)に入射される。この入射時点において、全てのAPD14−1〜14−nには、バイアス印加手段15からゲートパルス(逆バイアス電圧)が印加されており、これにより1つ目の光子が入射された一つのAPDの出力には、アバランシェ効果により信号パルスが発生する。光子が入射されなかった他のAPDの出力には信号パルスは発生しない。
【0033】
ここで、入射光子パルスは、一定の時間間隔Tで光偏向器12に入射されるが、1つ目の光子が入射されたAPDに次の光子が入射されるのは、1つ目の光子が入射されてから、入射光子パルス列11の時間間隔Tのn倍の時間nTの後である。
【0034】
光子が入射された1番目のAPDから出力される信号パルスは、データ処理手段16に入力される。
【0035】
1つ目の光子が光偏向器12に入射された後、時間Tが経過すると、光偏向器12に2つ目の光子が入射される。この2つ目の光子は、光偏向器12によって偏向されて例えば2番目のAPD14−2に入射される。これにより、前記と同様にして、2番目のAPD14−2の出力には、信号パルスが発生する。光子が入射された2番目のAPDから出力される信号パルスは、データ処理手段16に入力される。なお、前述したように、2つ目の光子が入射されたAPDに次の光子が入射されるのは、2つ目の光子が入射されてから時間nTの後である。
【0036】
このような動作が、入射光子パルスが時間間隔Tをもって光偏向器12に入射される度に繰り返し実行される。データ処理手段16においては、複数のAPD14−1〜14−nから出力される光子検出信号を時系列的なシリアル信号に変換した後、出力する。
【0037】
このような構成により、例えばアレイ型APD光子検出器14内にn個のAPD14−1〜14−nが配置されている場合には、理想的には各光子検出素子(APD)の見かけ上の応答速度をn倍にすることが可能である。
【0038】
このように実施の形態1においては、アレイ型APD光子検出器14内に複数のAPD14−1〜14−nを設け、これら複数のAPD14−1〜14−n上を順次掃引するように光偏向器12によって入射光子パルス列11を偏向するようにしたので、各APD14−1〜14−nに印加するゲートパルス(逆バイアス電圧)の間隔は、入射光子パルス列11の時間間隔Tのn倍の時間nTで済むようになる。したがって、実施の形態1においては、各光子検出素子(APD)14−1〜14−nの見かけ上の応答速度をn倍に高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【0039】
実施の形態2.
つぎに、図4を用いてこの発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2においては、実施の形態1の光子検出装置を量子暗号通信における量子暗号受信装置に適用している。
【0040】
図4に示す量子暗号通信システムは、量子暗号送信装置51と、量子暗号受信装置56とを備えている。量子暗号送信装置51は、量子暗号プロトコルに従って信号光子を変調する量子暗号変調器52、信号光子よりも光強度の強いクロック信号光と信号光子を合波する合波器(図示せず)などを備えている。
【0041】
量子暗号受信装置56は、伝送路53を介して受信した受信信号を復調する量子暗号復調器54と、受信信号からクロック信号を抽出するクロック抽出手段55と、実施の形態1の光子検出装置20とを備えている。光子検出装置20は、実施の形態1で説明したものと同様の、光偏向器12、光偏向器駆動手段13、アレイ型APD光子検出器14、バイアス印加手段15およびデータ処理手段16を有している。
【0042】
このような量子暗号通信システムにおいては、量子暗号送信装置51の量子暗号変調器52で量子暗号プロトコルに従って変調された信号光子は、クロック信号光と合波された後、伝送路53を通じて、量子暗号受信装置56に入射される。
【0043】
量子暗号受信装置56の量子暗号復調器54に入射された信号光子は、量子暗号復調器54で復調された後、光偏向器12に入射される。また、クロック抽出手段55には、量子暗号復調器54で信号光子と分波されたクロック信号光が入射され、このクロック信号光から同期をとるためのクロック信号(同期信号)が抽出される。
【0044】
クロック抽出手段55で抽出された同期信号は、実施の形態1と同様、光偏向器駆動手段13およびバイアス印加手段15に入力される。光偏向器駆動手段13およびバイアス印加手段15は実施の形態1と同様に動作する。また、光偏向器12に入射された信号光子は、光偏向器12で偏向された後、複数のAPD14−1〜14−nが並設されたアレイ型APD光子検出器14に入射される。アレイ型APD光子検出器14の検出信号は、データ処理手段16で時系列信号に変換されてデータ処理手段16から出力される。
【0045】
なお、量子暗号復調器54で復調された信号光子が複数の径路に分岐されることがあるが、そのような場合は、光子検出装置20をそれぞれの径路に1式づつ設置すればよい。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、複数光子検出素子を順次掃引するように光偏向器によって入射光子パルス列を偏向するようにしたので、各光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1の光子検出装置の構成図である。
【図2】バイアス印加手段から出力されるゲートパルスのタイムチャートを示す図である。
【図3】ゲートパルス列の電圧とAPD電流との関係を示す図である。
【図4】この発明を量子暗号通信装置に適用した実施の形態2の構成を示す図である。
【図5】光子検出とアフターパルス計数率とゲートパルスとの関係を示す図である。
【図6】APD光子検出器のアフターパルス計数率の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
11 入射光子パルス列、12 光偏向器、13 偏向器駆動手段、14 アレイ型光子検出器、14−1〜14−n 光子検出器、15 バイアス印加手段、16 データ処理手段、51 量子暗号送信装置、52 量子暗号変調器、53 伝送路、54 量子暗号復調器、55 クロック抽出手段、56 量子暗号受信装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photon detection device used for quantum information processing such as transmission of quantum cryptography using a single photon light source, and more particularly to a photon detection device capable of performing photon detection at a single photon level at high speed. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, single-photon detectors have become an essential technology in the field of quantum information processing such as quantum cryptography and quantum computation, in addition to their use in conventional high-sensitivity optical measurement. is there. In particular, in quantum cryptography and quantum communication, a high-speed and high-detection-efficiency photon receiving device is required in order to increase the communication speed and extend the communication distance, as in ordinary optical communication.
[0003]
In ultra-high-sensitivity optical measurement receiving single-photon level signal light, a photon using a cooled avalanche photodiode (APD: avalanche photodiode) or a photomultiplier tube (PMT: photomultiplier tube) is usually used. A detector is used. In particular, in a communication wavelength band of 1.5 μm, PMT has almost no sensitivity, and therefore, it is a general method to use a photon detector using a cooled APD.
[0004]
For photon detection in the 1.5 μm band, an indium-gallium-arsenic-based (INGaAs) -based APD is often used due to sensitivity problems. As a conventional technique relating to photon detection using an indium-gallium-arsenic-based (INGaAs) -based APD, for example, see Non-Patent
[0005]
In
[0006]
When such a photon detector is used, for example, for quantum cryptography communication, the communication speed can be increased by shortening the time interval T during which photons fly. However, for example, as described in
[0007]
FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the photon detection, the after-pulse generation probability, and the gate pulse train when the intensity of the incident light is very weak and photons are sparsely detected with respect to the gate pulse train.
[0008]
FIG. 5A shows a case where the time interval T of the gate pulse train is short. After the photon detection, the next gate pulse is applied while the after-pulse count rate Pafter (Δt) is large, so that no photon is incident. However, the probability that the detection signal is output erroneously increases.
[0009]
On the other hand, FIG. 5B shows a case where the time interval T ′ of the gate pulse train is long, and after a sufficient time has elapsed after the photon detection, the next gate pulse is applied. No longer occurs.
[0010]
FIG. 6 shows experimental data obtained by observing the after-pulse generation probability Pafter (t) when the time t has elapsed from the photon detection. As can be seen from FIG. 6, there is a probability that an after pulse is generated at about 10 −2 even after 0.5 μms has elapsed from the photon detection. Therefore, the shorter the interval at which photons fly in order to increase the communication speed, the greater the probability that an error signal will occur. For example, when an APD photon detector having the characteristics shown in FIG. 6 is used, an error of about 1% occurs when T = 0.5 μm.
[0011]
To remove the effects of the after-pulse described above, if the intensity of the incident light is extremely weak and photons are sparsely detected with respect to the gate pulse period, apply a gate pulse for a certain period of time after the photon detection. For example, a method has been proposed in which the application of a gate pulse is restarted after the after-pulse counting rate is sufficiently reduced by providing a non-performing time (for example, see Non-Patent Document 2).
[0012]
However, in this method, when photons fly frequently, the dead time caused by stopping the application of the gate pulse becomes longer and the efficiency of detection decreases, so that this method is not a practical method.
[0013]
[Non-patent document 1]
D. Stucki et al. J., "Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs APDs," Mod. Opt. 48, 1967 (2001))
[Non-patent document 2]
D. Stucki et al. , "Quantum key distribution over 67 km with a plug & play system," New J. Phys. Phys 4, 41.1-41.8 (2002); Yoshizawa et al. , "A Method of Discarding After-Pulses in Single-Photon Detection for Quantum Key Distribution," Jpn. J. Appl. Phys. 41, 6016-6017 (2002))
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional photon detector described above has a problem that it is difficult to sufficiently increase the response speed of photon detection due to the influence of the after pulse.
[0015]
Further, in addition to the response time limitation of the photon detector caused by the influence of the after pulse as described above, the response speed is also inherently limited by the element characteristics of the APD. Usually, in the APD, there is a trade-off between the response speed and the quantum efficiency. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a sufficient response speed in a photon detector requiring high quantum efficiency.
[0016]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a high-speed photon detection device capable of significantly improving an apparent response speed as compared with a case where a single photon detector is used.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a photon detection device according to the present invention includes a light deflector that deflects incident light, a photon detector having a plurality of photon detection elements that detect photons, and an output light of the light deflector. An optical deflector driving means for driving the optical deflector so as to sweep over the plurality of photon detecting elements, and each of the optical deflectors so that output light of the optical deflector is synchronized with a timing of being incident on each of the photon detecting elements. It is characterized by comprising bias applying means for applying a gate pulse as a bias voltage to a photon detecting element, and data processing means for converting detection signals from the plurality of photon detecting elements into time-series signals.
[0018]
According to the present invention, the incident photon pulse train is deflected by the optical deflector so as to sequentially sweep the plurality of photon detection elements, thereby increasing the apparent response speed of each photon detection element. This makes it possible to perform photon detection at high speed even when a low-speed photon detection element is used.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a photon detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0020]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a configuration of the photon detection device according to the first embodiment. The photon detecting device according to the first embodiment includes an
[0021]
Let T be the time interval (period) of each incident photon in the incident photon pulse train 11. The array-type
[0022]
The
[0023]
As the
[0024]
Δθ = λ · Δf / Va
As can be seen from the above equation, the deflection angle Δθ is proportional to the acoustic frequency Δf applied to the AOD. Therefore, by changing the modulation frequency of the output voltage of the optical deflector driving means 13, the deflection angle Δθ can be freely selected. The deflection angle Δθ can be swept at a sweep speed on the order of MHz.
[0025]
Further, as the
[0026]
Further, as the
[0027]
FIG. 2 schematically shows a state of a gate pulse train (reverse bias voltage) applied by the
[0028]
As shown in FIG. 2, based on the synchronization signal, the
[0029]
As described above, the n APDs 14-1 to 14-n are used, and a gate pulse is applied to the n APDs 14-1 to 14-n at a time interval nT which is n times the time interval T of the incident photon pulse train 11. The response speed required for each of the APDs 14-1 to 14-n can be reduced to 1 / n.
[0030]
The outputs of the plurality of APDs 14-1 to 14-n of the array type
[0031]
According to such a configuration, the incident photon pulse train 11 arriving at a constant time interval T is incident on the
[0032]
The first incident photon of the incident photon pulse train 11 incident on the
[0033]
Here, the incident photon pulse is incident on the
[0034]
The signal pulse output from the first APD on which the photon is incident is input to the
[0035]
When a time T elapses after the first photon is incident on the
[0036]
Such an operation is repeatedly executed each time an incident photon pulse is incident on the
[0037]
With such a configuration, for example, when n APDs 14-1 to 14-n are arranged in the array-type
[0038]
As described above, in the first embodiment, the plurality of APDs 14-1 to 14-n are provided in the array-type
[0039]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the photon detection device of the first embodiment is applied to a quantum cryptography receiver in quantum cryptography communication.
[0040]
The quantum cryptography communication system shown in FIG. 4 includes a quantum cryptography transmission device 51 and a quantum
[0041]
The
[0042]
In such a quantum cryptography communication system, a signal photon modulated according to a quantum cryptography protocol by a
[0043]
The signal photons incident on the
[0044]
The synchronization signal extracted by the
[0045]
Note that the signal photons demodulated by the
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the incident photon pulse train is deflected by the optical deflector so as to sequentially sweep the plurality of photon detection elements, so that the apparent response speed of each photon detection element is increased. It is possible to perform high-speed photon detection even when a low-speed photon detection element is used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a photon detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a time chart of a gate pulse output from a bias applying unit.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a voltage of a gate pulse train and an APD current.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a second embodiment in which the present invention is applied to a quantum cryptographic communication device.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship among photon detection, an after-pulse count rate, and a gate pulse.
FIG. 6 is a diagram showing a time change of an after-pulse counting rate of the APD photon detector.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 11 incident photon pulse train, 12 optical deflector, 13 deflector driving means, 14 array type photon detector, 14-1 to 14-n photon detector, 15 bias applying means, 16 data processing means, 51 quantum cryptographic transmitter, 52 quantum encryption modulator, 53 transmission line, 54 quantum encryption demodulator, 55 clock extraction means, 56 quantum encryption receiving device.
Claims (6)
光子を検出する複数の光子検出素子を有する光子検出器と、
前記光偏向器の出力光が前記複数の光子検出素子上を掃引するように、前記光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段と、
前記光偏向器の出力光が前記各光子検出素子に入射されるタイミングに合うように各光子検出素子にバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段と、
前記複数の光子検出素子からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段と、
を備えたことを特徴とする光子検出装置。An optical deflector for deflecting incident light,
A photon detector having a plurality of photon detection elements for detecting photons,
Optical deflector driving means for driving the optical deflector, so that the output light of the optical deflector sweeps over the plurality of photon detection elements,
Bias applying means for applying a gate pulse as a bias voltage to each photon detection element so as to match the timing at which the output light of the optical deflector is incident on each photon detection element,
Data processing means for converting a detection signal from the plurality of photon detection elements into a time-series signal,
A photon detection device comprising:
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