JP2005114712A - 光子検出装置および光子検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アバランシェフォトダイオードの充電パルス除去を行わないで、光子検出装置のアフターパルス雑音を簡単、容易に抑圧することができる光子検出装置及び光子検出方法を提供するものである。
【解決手段】 光子検出装置は、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加するバイアスティと、前記バイアスティに直流電圧をバイアス電圧として印加する直流電圧発生器と、前記バイアスティにパルス電圧を印加し光子検出予定時刻でのみ前記検出手段を動作させる電圧パルス発生器と、光子が検出されたか否かを判定する波高弁別器で構成され、前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光子検出を必要とする光通信・情報処理分野（量子暗号等）、レーザーライダー等の極微弱光検出を必要とする光応用計測分野、等で必要となる光子検出装置及びその基本原理となるアフターパルス雑音抑圧法を含む光子検出方法に関する。

従来の技術を示す特許１と非特許論文１と２は光子検出の原理がほぼ同一でありアクティブクエンチ方式と呼ばれている。図４に示すようにアクティブクエンチ方式では受光素子であるアバランシェフォトダイオードの両端に降伏電圧を超える電圧が印可され、光子検出による電子正孔のなだれ増幅が発生すると、抵抗器Ａがなだれ増幅電流を電圧に変換し、なだれ増幅と無関係な抵抗器Ｂで観測される電圧となだれ発生時の抵抗器Ａの両端電圧を比較器が比較し、なだれ増幅を検知し、比較器が電圧パルスを発生し、その一部を差動増幅器経由でアバランシェフォトダイオードに帰還することで、アバランシェフォトダイオードの両端電圧が降伏電圧以下となり、なだれが終息する。比較器の入力側にある抵抗器Ｂとコンデンサーは、アバランシェフォトダイオードが発生する充電パルスと放電パルスを比較器で除去するために使用する。電圧パルス印加が終了した時点で、アバランシェフォトダイオードの両端電圧が再度降伏電圧を超える。

そこで、同様の動作を繰り返しながら光子検出を連続的に行う。アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大する傾向にあるが、なだれ増幅の終息後、時間の経過とともにその発生確率は低下する。
アクティブクエンチ方式では帰還する電圧パルスの幅を調整することでアフターパルス雑音を抑圧する。具体的には、アフターパルス雑音の発生は比較器が発生する電圧パルス幅を長くすることで抑えることができる。但し、電圧パルスが終了しないと次の光子検出を開始できないため、パルス幅が長くなると光子検出装置が休止する時間も長くなる。本発明で提案するアフターパルス雑音抑圧法では直流電圧をアバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスを重畳することで、和電圧がアバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超過する時間を制限し、光子検出による電子正孔のなだれ増幅の規模を抑えることでアフターパルス雑音の発生を抑圧する。

従来の技術を示す非特許文献３から６までは光子検出の原理がほぼ同一でありゲート動作方式と呼ばれている。図５に光子検出回路の一例を示すが、ゲート動作では直流電圧をアバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、電圧パルス発生器から発生するゲート信号（電圧パルス）をバイアスティで重畳することで、和電圧がアバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超過する時間を制限し、光子検出により発生する電子正孔のなだれ増幅電流を抵抗器Ａで電圧に変換し、電圧の有無で光子検出を行う。コンデンサーと抵抗器Ｂはインピーダンス整合に用いる。

図６に光子検出の一例を示す。上段が、パルス発生器から発生するゲート信号、中段は、光子検出により発生したなだれ増幅電流を電圧変換した測定値、下段は、光子が検出されなかった場合の測定値である。下段に示すように、光子が検出されず、なだれ増幅が発生しない場合には、アバランシェフォトダイオードがコンデンサーとして機能するため、ゲート信号の立ち上がり付近でアバランシェフォトダイオードが充電され、ゲート信号の立ち下がり付近でアバランシェフォトダイオードが放電される。

この結果、小さな正電圧パルス（充電パルス、図中、パルスＡ）と負電圧パルス（放電パルス、図中、パルスＢ）が観測される。他の振動成分はインピーダンス不整合による雑音であり、光子検出とは無関係である。中段では、なだれ増幅による電圧変化（図中、パルスＣ）が観測される。前述の通り、アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大するため、ゲート幅を短くしてなだれの成長を抑える必要がある。但し、充電パルスは常に存在するため、なだれ増幅による電圧変化が充電パルスに比べて十分大きい方が光子検出を精度良く行うために望ましい。仮に、なだれ増幅による電圧変化（図中、パルスＣ）が充電パルス（図中、パルスＡ）に比べて同等、或いは、小さい場合、両者を区別することが困難になる。

一般に、なだれが成長して大きな電圧パルスとして観測されるためには、ゲート幅を長めに設定して、ある程度の時間、なだれの成長を維持する必要があり、本検出方式ではアフターパルス雑音の発生を抑制することが難しい。非特許文献３ではゲートを２ｎｓ、非特許文献４ではゲートを２．４ｎｓ、非特許論文５では３．５ｎｓに設定しているが、後述するように、アフターパルス雑音を効果的に抑圧するためにはゲートを１ｎｓ以下にして、なだれ増幅の規模を縮小する必要がある。

非特許文献７と８はアバランシェフォトダイオードの充電パルスを除去することで、「精度良く光子検出を行うためには、なだれ増幅による電圧変化を充電パルスに比べて十分大きくする必要がある。」という制約を取り除いている。充電パルスが除去されれば、上記の制約がなくなり、なだれ増幅の規模を縮小することでアフターパルス雑音の発生を抑圧することができる。

図７に非特許文献７の光子検出回路を示す。コンデンサーと抵抗器を利用して直流電圧をアバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、パルス発生器から発生するゲート信号（電圧パルス）をコンデンサー経由で直流電圧に重畳することで、和電圧がアバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超過する時間を制限する。このとき、片端を開放した同軸ケーブルＡを遅延線としてアバランシェフォトダイオードの陰極側にコンデンサーを介して接続し、更に、片端を短絡した同軸ケーブルＢを遅延線として陽極側に接続する。

この構成により、ゲート信号の立ち上がり時に陽極側で発生する充電パルスが二分される。一つは直接出力され、もう一つは、同軸ケーブルＢを伝搬するが、片端が短絡されているため充電パルスは負反転されて陽極側に反射してくる。また、陰極側でもゲート信号が二分され、一部が同軸ケーブルＡを伝搬する。同軸ケーブルＡでは、片端が開放されているため、無反転でゲート信号が反射する。負符号を持つ充電パルスと同軸ケーブルＡから陰極側に反射してくる無反転のゲート信号の立ち上がり時に陽極側で発生する充電パルスとが時間的に重なり、符号が正負異なるため両者が相殺され、充電パルスが除去される仕組みになっている。

非特許文献７では、ゲートを１ｎｓに設定しているが、アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大するため、充電パルスを除去することで比較的小さななだれ増幅を検知できる。このため、本方式はアフターパルス雑音抑圧に有効と言える。但し、充電パルスを確実に除去するためには、二本の同軸ケーブルの長さを完全に一致させ、両者の伝搬損失も一致させなければならない。これは大変困難な作業である。

これに対して図５に記載されている同軸ケーブルにはこのような制限はない。更に、電子回路としては図５は図７と比較して構成が簡単である。
図８に非特許文献８の光子検出回路を示す。二個のアバランシェフォトダイオードの陽極側を抵抗器Ａ，Ｂ経由で接続し、直流電圧を両者の降伏電圧よりも低めに設定している。電圧パルス発生器から発生するゲート信号（電圧パルス）を二分し、各アバランシェフォトダイオードの陰極側に印可することで、和電圧がアバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超過する時間を制限する。ゲート信号の立ち上がり時に、アバランシェフォトダイオードＡの陽極側で発生する充電パルスとアバランシェフォトダイオードＢの陽極側で発生する充電パルスを除算器に入力することで充電パルスが除去される。

このとき、アバランシェフォトダイオードＡでなだれが発生すると、正電圧パルスが発生し、Ｂでなだれが発生すると、負電圧パルスが発生する。そこで、除算器の出力を増幅器で増幅後、二分し、しきい値を正値に設定した波高弁別器Ａとしきい値を負値に設定した波高弁別器Ｂを用意して光子検出を行う。具体的には、アバランシェフォトダイオードＡで発生したなだれが検知されると波高弁別器Ａから電圧パルスが発生し、アバランシェフォトダイオードＢの場合、波高弁別器Ｂから電圧パルスが発生するので、両者を計数器Ａ，Ｂで別々に計数している。非特許論文７と同様に、充電パルスが除去されているので、比較的小さななだれ増幅を検知することができる。実験では、ゲート信号幅を０．７５ｎｓに設定している。アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大するため、幅の短いゲート信号を使用することでなだれの成長を抑えながら光子検出を行う手法はアフターパルス雑音抑圧に有効である。

従来技術に関する特許文献１件・非特許文献を８件挙げる。
米国特許番号５５３２４７４ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３５， Ｎｕｍｂｅｒ １２， ｐ． １９５６（発行年１９９６） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ４０， Ｎｕｍｂｅｒ ３３， ｐ． ６０１２（発行年２００１） Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｌｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ １ Ｖｏｌｕｍｅ ４０， Ｎｕｍｂｅｒ １， ｐ．２００ （発行年２０００） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ４８， Ｎｕｍｂｅｒ １３， ｐ． １９６７（発行年２００１） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ４８， Ｎｕｍｂｅｒ １３， ｐ． １９８３（発行年２００１） Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ２７， Ｎｕｍｂｅｒ １１， ｐ． ９５４（発行年２００２） ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３６， Ｎｕｍｂｅｒ ３， ｐ． ３４０（発行年２０００） Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ２７， Ｎｕｍｂｅｒ ２０， ｐ． １８２７（発行年２００２）

しかしながら、非特許文献８記載のものは、特性の一致したアバランシェフォトダイオードを常に二個用意する必要がある。更に、二個のアバランシェフォトダイオードで同時に光子検出によるなだれ増幅が発生した場合、除算器により両者は相殺され、出力が零となる。この方式の欠点は、二個のアバランシェフォトダイオードを使用しているにもかかわらず、二個のアバランシェフォトダイオードで同時に光子検出によるなだれ増幅が発生しても、それを正しく検知することができない点にある。

非特許文献７と８では、アバランシェフォトダイオードの充電パルスが除去されるため、幅の短いゲート信号を使用してなだれ増幅の成長を抑えながら光子検出を行うことができる。このため、アフターパルス雑音抑圧に有効と考えられるが、非特許文献７では、二本の同軸ケーブルの長さを一致させ、両者の伝搬損失も一致させる必要がある。また、非特許文献８では、常に、特性の一致したアバランシェフォトダイオードを二個用意する必要がある。アバランシェフォトダイオードは素子間でも微妙に特性が異なるため、特性の一致したものを常に用意することは困難である。また、二本の同軸ケーブルの長さを一致させ、両者の伝搬損失も一致させる作業も煩雑である。

本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、アバランシェフォトダイオードの充電パルス除去を行わないで、光子検出装置のアフターパルス雑音を簡単、容易に抑圧することができる光子検出装置および光子検出方法を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の解決手段を採用する。
（１）光子検出装置において、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加するバイアスティと、前記バイアスティに直流電圧をバイアス電圧として印加する直流電圧発生器と、前記バイアスティにパルス電圧を印加し光子検出予定時刻でのみ前記検出手段を動作させる電圧パルス発生器と、光子が検出されたか否かを判定する波高弁別器で構成され、前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印可するように構成したことを特徴とする。
（２）上記（１）記載の光子検出装置において、前記直流電圧を前記のアバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、前記電圧パルス発生器から出力される電圧パルスを重畳により、前記和電圧が前記降伏電圧を超過する時間を限定し、光子検出による電子正孔のなだれ増幅の発生時間と規模を制限することを特徴とする。
（３）上記（２）記載の光子検出装置において、前記波高弁別器のしきい値をなだれ増幅が無いときの放電パルスの頂点電位となだれ増幅が有るときの放電パルスの頂点電位の間の任意の値に設定し、前記電圧パルスの立ち下がり位置で前記アバランシェフォトダイオードが発生する放電パルスを前記波高弁別器に入力し、前記しきい値を超える前記放電パルスに対してのみ、前記波高弁別器から電圧パルスが出力されるように構成したことを特徴とする。
（４）上記（１）ないし（３）のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出される場合に、同記載のアバランシェフォトダイオード内部で電子正孔のなだれ増幅が発生し、アバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能するように構成したことを特徴とする。
（５）上記（１）ないし（３）のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかった場合に、なだれ増幅が発生せず、前記アバランシェフォトダイオードがコンデンサーとして機能するように構成したことを特徴とする。
（６）上記（１）ないし（５）のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかった場合に発生する放電パルスに対して、同記載の波高弁別器から光子非検出を意味する電圧パルスが発生するように予めしきい値が設定されていることを特徴とする。
（７）上記（１）ないし（５）のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出された場合に発生する放電パルスはアバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能するために、光子が検出されなかった場合（アバランシェフォトダイオードがコンデンサーとして機能する。）に発生する放電パルスと比較して小さくなり、前記の小さな放電パルスに対してのみ同記載の波高弁別器からの出力が無となるように予めしきい値が設定されていることを特徴とする。
（８）上記（１）ないし（５）のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかった場合に同記載の波高弁別器から電圧パルスが発生し、光子が検出された場合に前記波高弁別器からの出力が無となることで、光子検出の有無を判断することを特徴とする。
（９）
光子検出方法は、
アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加するバイアスティと、前記バイアスティに直流電圧をバイアス電圧として印加する直流電圧発生器と、前記バイアスティにパルス電圧を印加し光子検出予定時刻でのみ前記検出手段を動作させる電圧パルス発生器と、光子が検出されたか否かを判定する波高弁別器からなる装置において、
前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定する手順ａ、
光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加する手順ｂ、
からなることを特徴とする。
（１０）
上記（９）記載の光子検出方法は、
前記手順ａの前に、前記波高弁別器のしきい値をなだれ増幅が無いときの放電パルスの頂点電位となだれ増幅が有るときの放電パルスの頂点電位の間の任意の値に設定し、前記電圧パルスの立ち下がり位置で前記アバランシェフォトダイオードが発生する放電パルスを前記波高弁別器に入力し、前記しきい値を超える前記放電パルスに対してのみ、前記波高弁別器から電圧パルスが出力されるように設定する手順を設けたことを特徴とする。

本発明の光子検出装置は、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出装置のアフターパルス雑音抑圧手段として、従来例で試みられた二本の同軸ケーブルや二個のアバランシェフォトダイオードを用いる手段等と比較して、アフターパルス雑音の発生を簡単、容易に抑えることができる。
また、本発明の光子検出方法は、基本原理となるアフターパルス雑音抑圧法に基づいて、複雑な調整作業等を要せずに、正確且つより連続的にアフターパルス雑音を抑圧しながら光子検出を行うことができる。

本発明の基本的な実施の形態について以下詳細に説明する。
本発明の光子検出装置は、基本的に、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、該アバランシェフォトダイオードに降伏電圧よりも低い直流電圧を印加する直流電圧発生器と、ゲート信号（電圧パルス）が出力されているときにのみ和電圧が降伏電圧を越えるようにした電圧パルス発生器と、和電圧を作成するバイアスティと、充電パルスの有無により光子検出を行う波高弁別器とから光子検出装置を構成する。
また、本発明の光子検出方法は、基本原理となるアフターパルス雑音抑圧法を含む光子検出方法装置であり、前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定する手順ａ、光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加する手順ｂ、からなる。

光子が検出される場合に、アバランシェフォトダイオード内部で電子正孔のなだれ増幅が起き、アバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能する。光子が検出されなかった場合に、なだれ増幅が起きず、アバランシェフォトダイオードがコンデンサーとして機能する。本発明では、アバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能しているか、コンデンサーとして機能しているかを、放電パルスの大小で判別し、光子検出を行う。具体的には、光子が検出された場合に発生する放電パルスと比較して光子が検出されなかった場合に発生する放電パルスが著しく小さいことに着目し、光子が検出された場合に発生する小さな放電パルスに対してのみ波高弁別器からの出力が無となるように予めしきい値を設定する。この結果、光子が検出されなかった場合に波高弁別器から電圧パルスが発生し、光子が検出された場合に前記波高弁別器からの出力が無となる。

図１は本発明の光子検出手段を備えた光子検出装置の構成図である。図１の光子検出装置は、受光素子となるアバランシェフォトダイオード１、該アバランシェフォトダイオードに降伏電圧よりも低い直流電圧を印可する直流電圧発生器２、ゲート信号（電圧パルス）を出力するパルス発生器３、和電圧を作成するバイアスティ４、充電電流パルスを電圧変化に変換する抵抗器５、充電電圧パルスの有無を判別する波高弁別器６、インピーダンス整合に必要な抵抗器７及びコンデンサー８からなる。光子検出手段は、アバランシェフォトダイオードのなだれ増幅時の導通状態と不導通状態を電圧変化または電流変化として検出できるようにする手段であり、実施例の場合、アバランシェフォトダイオードの陽極に抵抗器５を接続し、アバランシェフォトダイオードの陰極と前記抵抗器５の接地端の間に抵抗器７とコンデンサー８の直列回路を接続して構成する。

光子は予め設定した光子到着予定時刻にアバランシェフォトダイオード１に入射される。また、電圧パルス発生器２から発生するゲート信号は光子到着予定時刻付近でアバランシェフォトダイオード１に印可され、和電圧がアバランシェフォトダイオード１の降伏電圧を超過する範囲が光子到着予定時刻付近に限定される。すなわち、和電圧が降伏電圧を超過する時間を限定し、光子検出による電子正孔のなだれ増幅の発生時間と規模を制限する。これにより、アフターパルスの発生を抑制できる。

図１の構成は、従来例で示した図５と波高弁別器を除いた構成が同じであるが、以下のように、本発明ではアバランシェフォトダイオード１の放電パルスを検知するためにこの構成を採用する。本発明による光子検出は、なだれ増幅を検知して光子検出を行う従来技術とは全く異なる。尚、図１に二本の同軸ケーブルが記載されているが、非特許文献７と異なり、長さや損失を完全に一致させる必要はない。
また、波高弁別器のしきい値をなだれ増幅が無いときの放電パルスの頂点電位となだれ増幅が有るときの放電パルスの頂点電位の間の任意の値に設定し、電圧パルスの立ち下がり位置でアバランシェフォトダイオードが発生する放電パルスを波高弁別器に入力し、しきい値を超える放電パルスに対してのみ、波高弁別器から電圧パルスが出力されるように構成する。
（動作）

図２に該光子検出装置を動作させたときに抵抗器５の両端で観測される電圧変化の一例を示す。この電圧が波高弁別器６の入力信号となる。図２の上段は、光子検出によりなだれ増幅が発生した場合、下段は光子検出がなされず、なだれ増幅が起こらなかった場合である。図２の下段では、アバランシェフォトダイオード１がコンデンサーとして機能するために正符号をもつ充電パルス（パルスＣ）と負符号を持つ放電パルス（パルスＤ）が観測されている。他の振動成分はインピーダンス不整合による雑音であり、光子検出とは無関係である。

これに対して、図２の上段では、正符号をもつ充電パルス（パルスＡ）は観測されているが、負符号を持つ放電パルス（パルスＢ）が非常に小さくなっている。これは、光子検出によりなだれ増幅が起き、アバランシェフォトダイオード１が低抵抗器として機能し、コンデンサーとして機能していないことの証である。本発明では、アバランシェフォトダイオード１が低抵抗器として機能しているか、コンデンサーとして機能しているかを放電パルス（図２のパルスＢ、Ｄ）の有無により判定し、光子検出を行うものであり、従来行なわれてきた、なだれ増幅による電流変化を抵抗器５で電圧変換した後、光子検出を行う方法（図６参照）とは異なる。

本発明では、波高弁別器６のしきい値を図２に示すような位置に設定する。この結果、光子が検出されなかった場合に波高弁別器６から電圧パルスが発生し、光子が検出された場合に波高弁別器６からの出力が無となることで、光子検出の有無を判断できる。図２の上段では、光子検出によりなだれが発生しているが、なだれの規模が充電パルス（パルスＣ）の大きさと比較して非常に小さく図中ではその発生を確認することができない。アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大するため、充電パルス（パルスＣ）と比較して非常に小さいなだれ規模で光子検出ができる本方式はアフターパルス雑音抑圧に極めて有効である。

図３にアフターパルス雑音の発生確率を示す。縦軸は百分率（％）で示され、横軸が経過時間（μｓ）を示している。一般に、アフターパルスの発生は時間の経過とともに減少する。図中の黒丸が本発明による実験結果、黒丸は図６で示した光誘起によるなだれ増幅電流を電圧変化として検出した場合のアフターパルス発生確率である。図中の白丸では、ゲートを１ｎｓに設定している。白丸では、図６に示す通り、なだれ増幅を充電パルスより大きく成長させるために、幅の長い（２ｎｓ）ゲートを使用した。尚、図３の測定では両者とも、繰り返し周波数は、５ＭＨｚ、量子効率は、１５％付近にあり、暗計数率は５×１０^-５程度である。前述の通り、本方式では充電パルスと比較して非常に小さいなだれ規模で光子検出を行うことが可能である。これに対して、従来例の図６では、なだれ増幅の規模が充電パルスと比較して大きい。アフターパルス雑音はなだれ増幅の規模に比例して増大するため、充電パルス（図２、パルスＡ）と比較してなだれ増幅の規模が非常に小さい状態で光子検出ができる本方式の有効性が図３の測定比較結果より確認された。

本発明の光子検出装置および光子検出方法によれば、原理的に、光子検出動作を高速化することができるようになる。このため、量子暗号を用いた暗号通信の分野において、鍵生成率を改善することができる。現状では、鍵配布プロトコルＢ９２を用い、光ファイバー長１０．５ｋｍで鍵生成率４５ｋｂｉｔ／秒を達成している。
これに伴って、今までは、その速度に制限があったため、Ｖｅｒｎａｍ暗号の作成が不可能であったが、本発明の光子検出装置および光子検出方法によればＶｅｒｎａｍ暗号と量子暗号を併用した暗号通信が可能になる。

本発明の光子検出装置及びアフターパルス雑音抑圧法の説明図である。 本発明の光子検出装置による光子検出の説明図である。 本発明の光子検出装置によるアフターパルス雑音発生確率の説明図である。 非特許文献１を説明するための光子検出装置の説明図である。 非特許文献３を説明するための光子検出装置の説明図である。 非特許文献３を説明するための光子検出の説明図である。 非特許文献７を説明するための光子検出装置の説明図である。 非特許文献８を説明するための光子検出装置の説明図である。

符号の説明

１ アバランシェフォトダイオード
２ 直流電圧発生器
３ パルス発生器
４ バイアスティ
５、７ 抵抗器
６ 波高弁別器
８ コンデンサー

Claims (10)

1. アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加するバイアスティと、前記バイアスティに直流電圧をバイアス電圧として印加する直流電圧発生器と、前記バイアスティにパルス電圧を印加し光子検出予定時刻でのみ前記検出手段を動作させる電圧パルス発生器と、光子が検出されたか否かを判定する波高弁別器で構成され、前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加するように構成したことを特徴とする光子検出装置。
2. 請求項１記載の光子検出装置において、前記直流電圧を前記のアバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定し、前記電圧パルス発生器から出力される電圧パルスを重畳することにより、前記和電圧が前記降伏電圧を超過する時間を限定し、光子検出による電子正孔のなだれ増幅の発生時間と規模を制限することを特徴とする光子検出装置。
3. 請求項２記載の光子検出装置において、前記波高弁別器のしきい値をなだれ増幅が無いときの放電パルスの頂点電位となだれ増幅が有るときの放電パルスの頂点電位の間の任意の値に設定し、前記電圧パルスの立ち下がり位置で前記アバランシェフォトダイオードが発生する放電パルスを前記波高弁別器に入力し、前記しきい値を超える前記放電パルスに対してのみ、前記波高弁別器から電圧パルスが出力されるように構成したことを特徴とする光子検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されたときに、同記載のアバランシェフォトダイオード内部で電子正孔のなだれ増幅が発生し、アバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能するように構成したことを特徴とする光子検出装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかったときに、なだれ増幅が発生せず、前記アバランシェフォトダイオードがコンデンサーとして機能するように構成したことを特徴とする光子検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかったときに発生する放電パルスに対して、前記波高弁別器から光子非検出を意味する電圧パルスが発生するように予めしきい値が設定されていることを特徴とする光子検出装置。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されたときに発生する放電パルスはアバランシェフォトダイオードが低抵抗器として機能するために、光子が検出されなかったときに発生する放電パルスと比較して小さくなり、前記の小さな放電パルスに対してのみ前記波高弁別器からの出力が無となるように予めしきい値が設定されていることを特徴とする光子検出装置。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の光子検出装置において、光子が検出されなかったときに前記波高弁別器から電圧パルスが発生し、光子が検出されたときに前記波高弁別器からの出力が無となることで、光子検出の有無を判断することを特徴とする光子検出装置。
9. アバランシェフォトダイオードを受光素子とする光子検出手段と、アバランシェフォトダイオードに電圧を印加するバイアスティと、前記バイアスティに直流電圧をバイアス電圧として印加する直流電圧発生器と、前記バイアスティにパルス電圧を印加し光子検出予定時刻でのみ前記検出手段を動作させる電圧パルス発生器と、光子が検出されたか否かを判定する波高弁別器からなる装置において、
   前記直流電圧発生器により前記直流電圧を前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧よりも低めに設定する手順ｂ、
   光子到着予定時刻に前記パルス発生器から発生する狭幅の電圧パルスをバイアスティ経由で重畳し、前記直流電圧と前記電圧パルスからなる和電圧を前記アバランシェフォトダイオードに印加する手順ｃ、
   からなることを特徴とする光子検出方法。
10. 前記請求項９記載の光子検出方法において、
    前記手順ｂの前に、前記波高弁別器のしきい値をなだれ増幅が無いときの放電パルスの頂点電位となだれ増幅が有るときの放電パルスの頂点電位の間の任意の値に設定し、前記電圧パルスの立ち下がり位置で前記アバランシェフォトダイオードが発生する放電パルスを前記波高弁別器に入力し、前記しきい値を超える前記放電パルスに対してのみ、前記波高弁別器から電圧パルスが出力されるように設定する手順ａを設けたことを特徴とする光子検出方法。