JP2006287307A - 光子検出回路およびノイズ除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
暗電流に起因するノイズを検出して除去する方法およびそれを用いた光子検出回路を提供する。
【解決手段】
識別回路４１は、アバランシェ・フォトダイオードＡＰＤに流れる電流を電圧変換した電流信号ｓ５０と初期微少電流を検出するためのしきい値Ｖ_TH2とを比較して第１識別信号ｓ６０を出力し、それを時間τだけ遅延した信号ｓ６２をＤーＦＦ回路６０のリセット端子へ出力する。電流信号ｓ５０としきい値Ｖ_TH1（＞Ｖ_TH2）とを比較して第２識別信号ｓ５３をＤ−ＦＦ回路６０のデータ端子へ出力する。Ｄ−ＦＦ回路６０は、リセット信号ｓ６２とデータ信号ｓ５３との時間的前後関係に依存して光子検出信号の出力を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は光子受信器に係り、特に暗電流に起因するノイズ信号を除去するノイズ除去方法およびそれを用いた光子検出回路に関する。

単一光子を検出する素子としては、一般にアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。特に、ガイガーモードとよばれる電流増倍率が極めて高い状態で使用することにより、単一光子から生成される単一電子を十分に大きな電流に増幅し、外部回路での識別を可能している。通常の光通信で用いられるＡＰＤでは電流増倍率Ｍは数１０倍以下であるが、ガイガーモードでは、ＡＰＤのブレークダウン電圧(Ｖbd)以上の逆バイアス電圧を印加することで１０００倍以上の増倍率を得ている。

一般には、ＡＰＤの受光面に光子が到達するタイミングに合わせ、ＡＰＤに対してブレークダウン電圧よりも高い逆バイアス電圧をパルス状に印加することでＡＰＤをガイガーモードにする。すなわち、パルス電圧を印加している間に光子がＡＰＤ受光面に到達すれば光電流の増倍が開始され、ブレークダウン状態に移行し、パルスの終了によりブレークダウンが終息する。

しかしながら、ＡＰＤで電流増倍が開始される契機は光子の入射だけではない。特にＡＰＤ半導体中のトラッピングにより拘束されたキャリアが次のゲートパルスにより再放出されることで暗電流が発生することが知られている（非特許文献１、非特許文献２）。特にガイガーモードでは高い逆バイアス電圧を印加するために暗電流の発生確率が高くなる。したがって、外部回路でＡＰＤに流れるパルス電流を単に観測するだけでは光子入射（信号）と雑音とを区別することができない。そこで信号と雑音とを区別する技術がいくつか提案されている。

Ｋｏｓａｋａ等（非特許文献３）に記載されたバランスド・ゲートモード光子検出器によれば、２つのＡＰＤに短いゲートパルスを印加し、それらの出力を１８０°ハイブリッド結合器により差し引くことでスパイクを相殺し、その差分信号を２つの判別器で判別してカウントする。この方法によって量子効果を維持しつつダークカウント確率およびアフタパルス確率を低減させることができる。

また、特開２００３−２４３６９４号公報（特許文献１）に開示された単一光子検出方法は、光子入射時間ウィンドウ内でのＡＰＤ電圧印加により得られるパルスカウント値（光電流と暗電流）と、光子入射時間ウィンドウ以外でのＡＰＤ電圧印加によるパルスカウント値（暗電流のみ）とに基づいて、出力パルス信号の識別しきい値と電圧印加タイミングとを最適化するものである（段落００２７〜００３２、図２、図４、図５）。

「量子暗号技術の研究・開発動向に関する調査」情報処理振興事業協会（平成１４年）の４０ページ A. Lacaita et al. "Single-photon detection beyond 1μm: performance of commercially available InGaAs/InP detectors" (APPLIED OPTICS Vol.35, No.16, 1 June 1996, p2990) H. Kosaka et al. "Single-photon interference experiment over 100km for quantum cryptography system using balanced gated-mode photon detector" ELECTRONICS LETTERS 7th August 2003, Vol.39, No.16, p 1200) 特開２００３−２４３６９４号公報（段落００２７〜００３２、図２、図４、図５）

しかしながら、上述した従来技術では、確率的に発生するダークカウントの低減は可能であっても、その抑制は不可能であった。

問題点は、熱雑音やキャリアトラップに起因した、ダークカウントと呼ばれるノイズ信号が発生し、それが光子受信信号と区別が不可能なために、受信信号のエラーレートが悪化する事である。すなわち、ＡＰＤ素子内部において、光子ではなく熱雑音などを起源とする電流が発生し増倍され、光子受信と同様に電気信号として出力される。この出力信号は、光子によるものか、暗電流によるものかの区別を付けることはできなかった。前述したように、光子受信を行うＡＰＤでは十分に短い時間幅のパルス電圧を印加して光子の受信を行うが、短時間であってもダークカウントは確率的に発生し、その低減は可能であっても抑制は不可能であった。

特に、量子暗号鍵配布(ＱＫＤ）システムにおいては、受信信号中のダークカウントの混在は暗号鍵の生成率を著しく低下させる。したがって、ＱＫＤシステムの性能向上には、ダークカウントの抑制が不可欠である。

本発明の目的は、暗電流に起因するノイズを検出して除去する方法およびそれを用いた光子検出回路を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、光子検出素子からの識別信号からノイズを除去することで、誤り率の低い光子受信器を提供することにある。

本発明者等は、光子入射により発生する光電流とノイズ等に起因する暗電流とは急激に立ち上がる直前の波形が異なっていることに着目し、この波形の相違を信号とノイズとの区別に利用した。すなわち、光子受信時には、光電流は急激に増幅される為に、そのときの出力信号は無信号状態から急激な立ち上がりを持った波形となる。それに対して、暗電流ノイズは、微少な熱的なノイズや漏れ電流を起源として増幅され成長するために、信号の立ち上がりの初期に微少な振幅が出力される。これら２つの信号の波形の差を識別することで、光子信号と暗電流によるノイズ信号とを区別することができる。

本発明による光子検出回路は、受光素子に流れる電流の立ち上がり初期特性に基づいて光子入射に起因する光電流とノイズに起因するノイズ電流とを識別する識別手段と、前記受光素子に流れる電流がノイズ電流の場合は光子検出信号の出力を停止する信号処理手段と、を有することを特徴とする。

さらに、前記識別手段は、前記受光素子に流れる電流の立ち上がりの初期レベルが検出されてから所定の立ち上がりレベルに到達するまでの時間が所定時間間隔より長い時はノイズ電流と判定し、それ以外は光電流と判定することを特徴とする。具体例として、前記識別手段は、初期レベルに対応する第１しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別し第１識別信号を出力する第１識別手段と、前記所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別し第２識別信号を出力する第２識別手段と、前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させる遅延手段と、を有し、前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間関係に基づいて光電流とノイズ電流とを識別する。また、前記信号処理手段は、前記遅延された第１識別信号が前記第２識別信号より時間的に前であれば前記光子検出信号の出力を停止し、後であれば前記光子検出信号を出力する。

前記第１識別手段および前記第２識別手段は、前記フォトダイオードのカソード側にそれぞれ接続され、前記フォトダイオードに流れる電流をそれぞれ識別してもよい。あるいは、望ましくは、前記第１識別手段は前記フォトダイオードのアノード側に接続され前記フォトダイオードに流れる電流を識別し、前記第２識別手段は前記フォトダイオードのカソード側に接続され前記フォトダイオードに流れる電流を識別する。

更に望ましくは、前記フォトダイオードに前記逆バイアス電圧を印加する過程で流れる微分電流の前記第１識別手段への影響を阻止するタイミング制御手段を有する。具体的には、前記電源手段へ前記逆バイアス電圧の昇圧開始を指示するタイミング信号に同期して、前記第２識別手段へ識別動作を一時的に遮断する識別マスク信号を出力するのが望ましい。

また、前記第２識別信号を所定時間だけ遅延させる第２遅延手段を更に設け、前記遅延した第２識別信号を前記逆バイアス電圧の降下開始を指示するタイミング信号として前記電源手段へ出力することも望ましい構成である。

本発明によるノイズ除去方法は、ａ）前記受光素子に流れる電流の立ち上がり初期特性に基づいて光子入射に起因する光電流とノイズに起因するノイズ電流とを識別し、ｂ）前記受光素子に流れる電流がノイズ電流の場合は光子検出信号の出力を停止する、ことを特徴とする。

本発明によれば、暗電流ノイズ信号に付随する初期の微弱な電流信号を検出し、その微弱な信号の立ち上がりをトリガにして受光素子の出力電流信号をマスクする。すなわち信号処理手段は、暗電流ノイズ信号であれば遮断し、光電流信号であれば通過させる。したがって、暗電流ノイズ信号による受信誤りを排除し、確度の高い光子受信器が構成可能となる。

第１識別手段は暗電流に起因する初期の微少信号を検出可能なレベルＶ_TH2に設定され、第２識別手段は、十分に増幅された信号を識別するレベルＶ_TH1に設定される。光子受信信号の場合と暗電流ノイズの場合とを比較すると、この２つの識別手段からの識別信号のタイミングには差異が現れる。

光子信号の場合には、２つの識別回路からの識別信号の遷移点は信号の急激な立ち上がりから、その時間差は小さい。それに対して、暗電流ノイズ信号の場合には、初期の微少信号レベルを識別するために、２つの識別回路の出力には大きな時間差が現れる。この時間差を利用してノイズの除去を行うことができる。

１．第１実施形態
（回路構成の概略）
図１は本発明の第１実施形態による光子検出回路の概略的構成を示すブロック図である。電源回路１、ＡＰＤ素子２および電流電圧変換回路３に加えて、異なるしきい値Ｖ_TH1およびＶ_TH2をそれぞれ有する識別回路４０および４１と、それらの識別信号を処理する信号処理回路６とが設けられている。後述するように、Ｖ_TH1＞Ｖ_TH2であり、低いしきい値Ｖ_TH2は暗電流ノイズの初期段階の微少電流を識別できるレベルに設定される。

電源回路１はＡＰＤ素子２の降伏電圧ＶＢｄ以上の電圧を出力する機能と、ＡＰＤ素子２に過剰な電流が流れ続け素子破壊することからＡＰＤ素子を保護する電流制限機能とを備える。電源回路１がＡＰＤ素子２のカソードに逆バイアス電圧ｓ４を印加している時にＡＰＤ素子２に光子信号が入射すると、ＡＰＤ素子内部で光電変換と電流増倍過程が生じ光電流信号ｓ５１がＡＰＤ素子２のアノードから出力される。

電流電圧変換回路３は、光電流信号ｓ５１に対して電流電圧変換を行い、電圧信号ｓ５０として出力する。ここで、電流電圧変換回路３は、暗電流ノイズ信号を識別可能にするだけの十分な利得と、ブレークダウン時の大きな電流を識別するだけの十分なダイナミックレンジを備える。電圧信号ｓ５０は識別回路４０および識別回路４１に出力される。

識別回路４０は電圧信号ｓ５０を高いしきい値Ｖ_TH1で識別し、識別回路４１は電圧信号ｓ５０を低いしきい値Ｖ_TH2で識別する。すなわち、識別回路４０では、ＡＰＤが光電流信号を十分に増幅してからの大きな振幅をもった信号を識別する為に十分に高いしきい値Ｖ_TH1が設定されている。識別回路４１では、ＡＰＤの暗電流ノイズ信号を識別する為に十分に低いしきい値Ｖ_TH2が設定されている。識別回路４０の識別信号ｓ５３および識別回路４１の識別信号ｓ６０はそれぞれ信号処理回路６に出力される。

信号処理回路６は識別信号ｓ５３と識別信号ｓ６０とを時間的に比較して光検出信号ｓ７を出力するか否かを判定する。詳しくは後述するが、２つの信号の時間方向の差がＴ１よりも十分に小さければ光子信号と判断して光検出信号ｓ７を出力する。これに対して、２つの信号の時間方向の差がＴ１程度に大きければ、暗電流ノイズ信号と判別して光検出信号ｓ７を出力しない。

（信号／ノイズの識別原理）
図２は識別回路の動作原理を説明するための電圧信号ｓ５０の波形を示す模式的なグラフである。図中の太線は暗電流ノイズによる電圧波形を示し、破線は光子を受信した時の光電流信号による電圧波形を示す。

太線で示す暗電流ノイズによる電圧信号ｓ５０は、漏れ電流に起因する微弱な信号の立ち上がりがあった後で、大きく増幅された急激な立ち上がりを示す。したがって、まず電圧信号ｓ５０は低いしきい値Ｖ_TH2で識別され（そのときの時間をｔ３とする。）、続いて十分に大きく増幅された急激な立ち上がりが発生すると電圧信号ｓ５０は高いしきい値Ｖ_TH1で識別される（時間ｔ６）。したがって、暗電流ノイズの場合には、識別回路４１で識別されてから識別回路４０で識別されるまでに時間差Ｔ１（＝ｔ６−ｔ３）が存在することとなる。

これに対して、光子を受信した時の光電流信号の場合（破線）には、微弱な信号の立ち上がりが無く急激な立ち上がりを示す。したがって、電圧信号ｓ５０が低いしきい値Ｖ_TH2で識別されて（時間ｔ５）から、高いしきい値Ｖ_TH1で識別される（時間ｔ６）までの時間差Ｔ２（＝ｔ６−ｔ５）は、極めて短くなる。一般に、インジウム・ガリウムＡＰＤを用いると、光電流時の時間差Ｔ２は数１００ｐｓ〜１ｎｐｓの範囲であることが知られている。この光電流時の時間差Ｔ２は、暗電流ノイズ時の時間差Ｔ１よりも十分識別可能な差である。

光電流時の時間差Ｔ２が暗電流ノイズ時の時間差Ｔ１より十分識別可能である程度に短いことを利用して、信号処理回路６は光電流の検出信号ｓ７を出力することができる。次に、この信号処理回路６の一例を説明する。

（信号処理回路）
図３は、図１における信号処理回路６の具体例を示した光子検出回路のブロック図である。ここでは、信号処理回路６が遅延回路５とセットリセット付きＤフリップフロップ回路（Ｄ−ＦＦ）６０とから構成されている。

識別回路４１の識別信号ｓ６０は遅延回路５により遅延τを与えられ、その遅延識別信号ｓ６２がＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する。識別回路４０の識別信号ｓ５３は、Ｄ−ＦＦ回路６０のセット端子Ｓに入力する。

遅延回路５の遅延時間τは、上述した光電流時の時間差Ｔ２よりも十分に大きく、かつ、暗電流ノイズ時の時間差Ｔ１よりも短く設定される（Ｔ２＜＜τ＜Ｔ１）。さらに、Ｄ−ＦＦ回路６０でのマスク動作に対して十分なセットアップ時間を維持できることも必要である。

（動作）
図４（Ａ）は暗電流ノイズ信号の電圧波形を示すグラフであり、（Ｂ）は暗電流ノイズ信号の場合のＤ−ＦＦ回路６０の動作を説明するためのタイミングチャートである。既に述べたように、電圧信号ｓ５０が低いしきい値Ｖ_TH2で識別されることで、識別回路４１は識別信号ｓ６０を立ち上げる（時間ｔ３）。このハイレベルの識別信号ｓ６０が遅延回路５により遅延時間τだけ遅延され、遅延識別信号ｓ６２としてＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する。これによってＤ−ＦＦ回路６０はリセットされる。

τ＜Ｔ１であるから、時間差Ｔ１後に電圧信号ｓ５０が高いしきい値Ｖ_TH1で識別され識別回路４０が識別信号ｓ５３をＤ−ＦＦ回路６０のセット端子Ｓへ出力した時には、すでにＤ−ＦＦ回路６０は識別信号ｓ６０によってリセット状態にある。したがって、Ｄ−ＦＦ回路６０の出力ｓ７は変化しない。このことは、言い換えれば、識別回路４１のしきい値Ｖ_TH2による初期の微弱電流信号の検出により、暗電流ノイズ信号がマスクされていることを表している。

図５（Ａ）は光電流信号の電圧波形を示すグラフであり、（Ｂ）は光電流信号の場合のＤ−ＦＦ回路６０の動作を説明するためのタイミングチャートである。既に述べたように、電圧信号ｓ５０が低いしきい値Ｖ_TH2で識別されることで、識別回路４１は識別信号ｓ６０を立ち上げる（時間ｔ５）。このハイレベルの識別信号ｓ６０が遅延回路５により遅延時間τだけ遅延され、遅延識別信号ｓ６２としてＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する。

しかしながら、Ｔ２＜＜τであるから、遅延τの識別信号ｓ６２がＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する前に、すなわち時間差Ｔ２後に、電圧信号ｓ５０が高いしきい値Ｖ_TH1で識別され識別回路４０が識別信号ｓ５３を立ち上げ、Ｄ−ＦＦ回路６０のセット端子Ｓへ出力している。すなわち、Ｄ−ＦＦ回路６０がリセットされる前にセット端子Ｓに識別信号ｓ５３が入力するので、それによってＤ−ＦＦ回路６０の出力ｓ７も立ち下がる。このことは、言い換えれば、光子入射による急激な立ち上がりでは、信号はマスクされることなくＤ−ＦＦ回路６０から光子検出信号ｓ７として出力されることを表している。

（変形例）
図６は本発明の第１実施形態による光子検出回路の第１変形例を示すブロック図である。ここでは、電流電圧変換回路３を抵抗器３０で構成している。ＡＰＤ素子２のアノードから出力された信号ｓ５１は抵抗器３０により電流電圧変換され、電圧信号ｓ５０として識別回路４０および４１に与えられる。その他の構成および動作は上述したとおりであるから、同一参照番号を付加して説明は省略する。

図７は本発明の第１実施形態による光子検出回路の第２変形例を示すブロック図である。ここでは、電流電圧変換回路３をトランスインピーダンスアンプ（以下ＴＩＡ）３１を用いて構成している。ＡＰＤ素子２のアノードから出力された信号ｓ５１はＴＩＡ３１により電流電圧変換され、電圧信号ｓ５０として識別回路４０および４１に与えられる。その他の構成および動作は上述したとおりであるから、同一参照番号を付加して説明は省略する。

２．第２実施形態
上記図７に示すようにＴＩＡ３１を用いた増幅では、一般に利得と帯域の積（ＧＢ積）がほぼ一定の値を取ることが知られている。本発明のように微弱な暗電流ノイズ信号を識別するために大きな利得をＴＩＡ３１に求めると、帯域が低下し回路の高速化が困難になる。その結果、光子検出の周期の高速化が困難になり、また、時間差Ｔ１の識別精度が劣化することになる。本発明の第２実施形態は、帯域を低下させることなく微弱な電流の検出が可能となる光子検出回路を提供する。

図８は本発明の第２実施形態による光子検出回路の概略的構成を示すブロック図である。本実施形態は、暗電流ノイズ信号の検出をＡＰＤ素子２のカソード側で行うことを特徴とする。すなわち、電源回路１とＡＰＤ素子２のカソード端子との間に電流検出抵抗３２を介在させ、ＡＰＤ素子２のカソードに流れる電流を電流検出抵抗３２と電流検出アンプ３３とを用いて暗電流の電圧信号ｓ６１に変換し識別回路４１へ出力する。

電流検出抵抗３２の抵抗値を大きくすることで、帯域を低下させることなく微弱な電流の検出が可能となる。暗電流の電圧信号ｓ６１は、既に説明したように識別回路４１において暗電流ノイズ信号として識別され、遅延回路５を経由してＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに到達する。その他の構成および動作は上述したとおりであるから、同一参照番号を付加して説明は省略する。

図９は本発明の第２実施形態による光子検出回路の変形例を示すブロック図である。この例では、ＡＰＤ素子２のカソードにコンデンサ３４が追加されている。図８の構成では電流検出抵抗３２の抵抗値が大きいことから、光子信号を生成する時の大きな光電流を供給するための電流源が不足する可能性があるが、図９に示す構成では、光信号の大きな電流はコンデンサ３４から供給され、十分な光電流信号ｓ５１の出力を得ることができる。

（具体例）
図１０は、本発明の第２実施形態による光子検出回路のより具体的な構成を示すブロック図である。ここでは図８に示す回路例に基づいて構成されている。図８の回路に付加されたのは、タイミング処理回路７、遅延回路５２および遅延回路５３であり、これらの回路構成により、光子到達に合わせてＡＰＤ素子２へ印加する逆バイアス電圧信号ｓ４の昇圧時間などを制御する。その他の構成および動作は上述したとおりであるから、同一参照番号を付加して説明は省略する。

タイミング処理回路７は、外部から与えられる基準タイミング信号ｓ１を基準として、逆バイアス電圧の昇圧開始信号ｓ２０を遅延回路５３を通して電源回路１に出力し、さらに識別マスク信号ｓ３を識別回路４１へ出力する。

電源回路１は、昇圧開始信号ｓ２０にしたがって逆バイアス電圧を降伏電圧ＶＢｄ以上に上昇させ、ＡＰＤ素子２への光子到達に備える。その際、逆バイアス電圧の上昇中にＡＰＤ素子２が持つ寄生容量を介して電圧の時間変化率に比例した微分電流が流れる。この微分電流は、電流検出抵抗３２および電流検出アンプ３３により増幅され、識別回路４１において暗電流ノイズ信号として誤って検出する可能性がある。このような微分電流に起因する識別回路４１の誤動作を回避するために、タイミング処理回路７から識別回路４１に対して識別マスク信号ｓ３が与えられる（図１１参照）。なお、遅延回路５３は、この識別マスク信号ｓ３が識別回路４１にてマスク動作を働かせるに十分な時間だけ、微分電流の発生を遅らせるために設けられている。

ＡＰＤ素子２の電流ｓ５１は、十分な大きさに達した後は、逆バイアス電圧信号ｓ４が降伏電圧ＶＢｄ以下に降下するまで連続して流れる。そこで、識別回路４０からの識別信号ｓ５３を遅延回路５２で遅延させ、それを昇圧終了信号ｓ２１として電源回路１に与える。この遅延回路５２の遅延時間Ｔ３は、Ｄ−ＦＦ回路６０の動作に必要なだけの十分に長い時間、たとえば、上記Ｔ１やτよりも長い時間であることが望ましい。

（動作）
図１１は暗電流ノイズ信号の場合の図１０に示した回路の動作を説明するタイミングチャートである。既に述べたように、時間ｔ３において、暗電流ノイズ信号ｓ６１が低いしきい値Ｖ_TH2で識別され、識別回路４１は識別信号ｓ６０を立ち上げる。この時点ｔ３より遅延時間τだけ遅延して、遅延識別信号ｓ６２がＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力し、これによってＤ−ＦＦ回路６０はリセットされ、識別回路４０から出力される識別信号ｓ５３（暗電流ノイズ信号）がマスクされる。したがって、Ｄ−ＦＦ回路６０の出力ｓ７は変化しない。

また、時間ｔ２から始まるｓ５１電流に重畳されている微分電流はしきい値Ｖ_TH2を超える大きさだが、上述したように識別マスク信号ｓ３でマスクされているので識別信号ｓ６０には出力されていない。

遅延回路５２によって識別信号ｓ５３の立ち上がりからＴ３後に昇圧停止信号ｓ２１が生成されるので、時間ｔ８でＡＰＤ素子２へ印加される逆バイアス電圧が降下し出力電流ｓ５１は停止する。

図１２は光子が入射した場合の図１０に示した回路の動作を説明するタイミングチャートである。電流検出アンプ３３から出力される電圧信号ｓ６１が低いしきい値Ｖ_TH2で識別されることで、識別回路４１は識別信号ｓ６０を立ち上げる（時間ｔ５）。このハイレベルの識別信号ｓ６０が遅延回路５により遅延時間τだけ遅延され、遅延識別信号ｓ６２としてＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する。

しかしながら、光子入射による光電流信号ｓ５２は球関に立ち上がるために、Ｔ２＜＜τであり、遅延τの識別信号ｓ６２がＤ−ＦＦ回路６０のリセット端子Ｒに入力する前に、光電流信号ｓ５０が高いしきい値Ｖ_TH1で識別され識別回路４０が識別信号ｓ５３を立ち上げ（時間ｔ６）、Ｄ−ＦＦ回路６０のデータ端子Ｄへ出力している。すなわち、Ｄ−ＦＦ回路６０がリセットされる前にデータ端子Ｄに識別信号ｓ５３が入力するので、それによってＤ−ＦＦ回路６０の光子検出信号ｓ７も立ち下がり、遅延識別信号ｓ６２がリセット端子Ｒに入力することによって立ち下がる。

遅延回路５２によって識別信号ｓ５３の立ち上がりからＴ３後に昇圧停止信号ｓ２１が生成されるので、時間ｔ８でＡＰＤ素子２へ印加される逆バイアス電圧が降下し出力電流ｓ５１は停止する。

なお、上述した各実施形態において、識別回路４０、４１、遅延回路５、Ｄ−ＦＦ６０、タイミング処理回路７、遅延回路５２、および、遅延回路５３は、プログラム制御プロセッサからなるコンピュータ上でそれぞれの機能を実現するプログラムを実行することにより実装することもできる。

本発明による光子検出回路は、量子暗号通信の光子受信器に適用される他に、光通信全般や光計測の光子受信器にも適用可能である。

本発明の第１実施形態による光子検出回路の概略的構成を示すブロック図である。 識別回路の動作原理を説明するための電圧信号ｓ５０の波形を示す模式的なグラフである。 図１における信号処理回路６の具体例を示した光子検出回路のブロック図である。 （Ａ）は暗電流ノイズ信号の電圧波形を示すグラフであり、（Ｂ）は暗電流ノイズ信号の場合のＤ−ＦＦ回路６０の動作を説明するためのタイミングチャートである。 （Ａ）は光電流信号の電圧波形を示すグラフであり、（Ｂ）は光電流信号の場合のＤ−ＦＦ回路６０の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態による光子検出回路の第１変形例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による光子検出回路の第２変形例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による光子検出回路の概略的構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による光子検出回路の変形例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による光子検出回路のより具体的な構成を示すブロック図である。 暗電流ノイズ信号の場合の図１０に示した回路の動作を説明するタイミングチャートである。 光子が入射した場合の図１０に示した回路の動作を説明するタイミングチャートである。

符号の説明

１ 電源回路
２ アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）
３ 電流電圧変換回路
４０ 識別回路（高いしきい値Ｖ_TH1）
４１ 識別回路（低いしきい値Ｖ_TH2）
５ 遅延回路
６ 信号処理回路
６０ Ｄフリップフロップ回路

Claims (19)

1. 受光素子に流れる電流に基づいて光子の入射を検出する回路において、
   前記受光素子に流れる電流の立ち上がり初期特性に基づいて光子入射に起因する光電流とノイズに起因するノイズ電流とを識別する識別手段と、
   前記受光素子に流れる電流がノイズ電流の場合は光子検出信号の出力を停止する信号処理手段と、
   を有することを特徴とする光子検出回路。
2. 前記識別手段は、前記受光素子に流れる電流の立ち上がりの初期レベルが検出されてから所定の立ち上がりレベルに到達するまでの時間が所定時間間隔より長い時はノイズ電流と判定し、それ以外は光電流と判定することを特徴とする請求項１に記載の光子検出回路。
3. 前記識別手段は、
   初期レベルに対応する第１しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別し第１識別信号を出力する第１識別手段と、
   前記所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別し第２識別信号を出力する第２識別手段と、
   前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させる遅延手段と、
   を有し、前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間関係に基づいて光電流とノイズ電流とを識別することを特徴とする請求項２に記載の光子検出回路。
4. 前記信号処理手段は、前記遅延された第１識別信号が前記第２識別信号より時間的に前であれば前記光子検出信号の出力を停止し、後であれば前記光子検出信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の光子検出回路。
5. フォトダイオードに流れる電流に基づいて光子の入射を検出する回路において、
   初期レベルに対応する第１しきい値と前記フォトダイオードに流れる電流に対応する電流信号とを比較して第１識別信号を出力する第１識別手段と、
   所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値と前記電流信号とを比較して第２識別信号を出力する第２識別手段と、
   前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させる遅延手段と、
   前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間的前後関係に依存して、光子検出信号の出力を制御する信号処理手段と、
   を有することを特徴とする光子検出回路。
6. 前記第１識別手段および前記第２識別手段は、前記フォトダイオードのカソード側にそれぞれ接続され、前記フォトダイオードに流れる電流をそれぞれ識別することを特徴とする請求項５に記載の光子検出回路。
7. 前記第１識別手段は前記フォトダイオードのアノード側に接続され前記フォトダイオードに流れる電流を識別し、前記第２識別手段は前記フォトダイオードのカソード側に接続され前記フォトダイオードに流れる電流を識別することを特徴とする請求項５に記載の光子検出回路。
8. 前記フォトダイオードはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の光子検出回路。
9. フォトダイオードに流れる電流に基づいて光子の入射を検出する回路において、
   前記フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加する電源手段と、
   前記フォトダイオードのアノード側に接続され、初期レベルに対応する第１しきい値と前記フォトダイオードに流れる電流に対応する電流信号とを比較して第１識別信号を出力する第１識別手段と、
   前記フォトダイオードのカソード側に接続され、所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値と前記電流信号とを比較して第２識別信号を出力する第２識別手段と、
   前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させる遅延手段と、
   前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間的前後関係に依存して、光子検出信号の出力を制御する信号処理手段と、
   前記フォトダイオードに前記逆バイアス電圧を印加する過程で流れる微分電流の前記第１識別手段への影響を阻止するタイミング制御手段と、
   を有することを特徴とする光子検出回路。
10. 前記タイミング制御手段は、前記電源手段へ前記逆バイアス電圧の昇圧開始を指示するタイミング信号に同期して、前記第２識別手段へ識別動作を一時的に遮断する識別マスク信号を出力することを特徴とする請求項９に記載の光子検出回路。
11. 前記第２識別信号を所定時間だけ遅延させる第２遅延手段を更に設け、前記遅延した第２識別信号を前記逆バイアス電圧の降下開始を指示するタイミング信号として前記電源手段へ出力することを特徴とする請求項９に記載の光子検出回路。
12. 受光素子に流れる電流に基づいて光子の入射を検出する回路におけるノイズ電流の除去方法において、
    ａ）前記受光素子に流れる電流の立ち上がり初期特性に基づいて光子入射に起因する光電流とノイズに起因するノイズ電流とを識別し、
    ｂ）前記受光素子に流れる電流がノイズ電流の場合は光子検出信号の出力を停止する、
    ことを特徴とする光子検出回路におけるノイズ除去方法。
13. 前記ステップａ）は、前記受光素子に流れる電流の立ち上がりの初期レベルが検出されてから所定の立ち上がりレベルに到達するまでの時間が所定時間間隔より長い時はノイズ電流と判定し、それ以外は光電流と判定することを特徴とする請求項１２に記載のノイズ除去方法。
14. 前記ステップａ）は、
    初期レベルに対応する第１しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別して第１識別信号を生成し、
    前記所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値に基づいて前記受光素子に流れる電流を識別して第２識別信号を生成し、
    前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させ、
    前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間関係に基づいて光電流とノイズ電流とを識別する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のノイズ除去方法。
15. 前記ステップｂ）は、前記遅延された第１識別信号が前記第２識別信号より時間的に前であれば前記光子検出信号の出力を停止し、後であれば前記光子検出信号を出力することを特徴とする請求項１２に記載のノイズ除去方法。
16. コンピュータに、受光素子に流れる電流に基づいて光子の入射を検出する回路におけるノイズ電流の除去を実行させるためのプログラムにおいて、
    初期レベルに対応する第１しきい値と前記受光素子に流れる電流に対応する電流信号とを比較して第１識別信号を出力する第１識別手段と、
    所定の立ち上がりレベルに対応する第２しきい値と前記電流信号とを比較して第２識別信号を出力する第２識別手段と、
    前記第１識別信号を前記所定時間間隔だけ遅延させる遅延手段と、
    前記遅延された第１識別信号と前記第２識別信号との時間的前後関係に依存して、光子検出信号の出力を制御する信号処理手段と、
    をそれぞれコンピュータに実現するためのステップを有することを特徴とするプログラム。
17. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光子検出回路を有する光子受信器。
18. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光子検出回路を有する量子暗号通信の光子受信器。
19. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の光子検出回路を有する光計測器。
    
    

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