JP2007036513A - Photon receiver and method for receiving photon - Google Patents

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成五 高橋
Akio Tajima
章雄 田島
Takeshi Takeuchi
剛 竹内
Akitomo Tanaka
聡寛 田中
Wakako Maeda
和佳子 前田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photon receiver capable of discriminating dark noises and capable of corresponding to the change of errors on phases of the driving timing and photon reachable timing of a photon detector, and to provide a method for receiving photons. <P>SOLUTION: An APD 2 is driven by a GGM bias voltage s4, and a plurality of data sets DS are stored in a signal containing the output change of the APD 2. Frequency distributions of signal-change generating timings of the data sets DS are generated, and a time range in which a peak appears is used as photon reachable timing. An output is a photon signal from the APD 2 generating a signal change in timing within the time range, and outputs other than that are decided as dark noises. When the phase difference is changed in the driving timing of the APD 2 and the photon reachable timing, the rate of the change is computed, and the photon receiver can cope with the change by correcting the offset of the phase difference. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は光子受信器に係り、特に受信光子数が少ないシステムにおけるノイズ除去判定およびクロック同期維持を企図した光子受信器および光子受信方法に関する。   The present invention relates to a photon receiver, and more particularly, to a photon receiver and a photon receiving method intended for noise removal determination and clock synchronization maintenance in a system with a small number of received photons.

光子受信器において、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(以下APDと記す。)が用いられている。APDに対してそのブレークダウン電圧(VBd)以上の逆バイアス電圧を印加し、APDの増倍率を極めて大きくすることで光子1個から生成する光電流を十分に大きな信号振幅まで増幅し、外部回路で処理可能にするのが基本的な光子受信技術である。   In the photon receiver, an avalanche photodiode (hereinafter referred to as APD) is generally used as an element for detecting a single photon. A reverse bias voltage higher than the breakdown voltage (VBd) is applied to the APD, and the photocurrent generated from one photon is amplified to a sufficiently large signal amplitude by greatly increasing the multiplication factor of the APD. Is a basic photon reception technology.

周知のように、VBd以上の逆バイアス電圧を印加したAPDは、光子信号かダークノイズかに依らず、一旦ブレークダウンして増倍電流が流れるとブレークダウン状態が継続する。そこで、一般には、光子がAPDへ到達するタイミングで、APDにVBd以上の逆バイアス電圧をパルス状に印加するGGM(Gated Geiger Mode)方式が採用されている。このGGM方式により、明らかに光子信号が到達しない時間には、逆バイアス電圧がVBd以下になり、ブレークダウン状態を停止させることができる。   As is well known, an APD to which a reverse bias voltage of VBd or higher is applied does not depend on a photon signal or dark noise, but once the breakdown current flows and a multiplication current flows, the breakdown state continues. In general, therefore, a GGM (Gated Geiger Mode) system is employed in which a reverse bias voltage equal to or higher than VBd is applied to the APD in pulses at the timing when the photons reach the APD. By this GGM method, the reverse bias voltage becomes VBd or lower during the time when the photon signal does not reach clearly, and the breakdown state can be stopped.

ただし、VBd以上の逆バイアスが印加されると、APD素子内部で発生する熱雑音などに起因する暗電流も増幅するため、光子受信をせずとも、確率的な頻度で信号電流が生じダークノイズとなる。このダークノイズはAPD素子を低温に冷却することで発生確率を低減させることができるが、光子の正確な受信のためには、ダークノイズを生じさせるVBd以上の逆バイアスを不要に長く印加しないことである。言い換えれば、光子が到達するタイミングに正確に合わせてVBd以上の逆バイアスを印加する必要がある。   However, when a reverse bias of VBd or higher is applied, dark current due to thermal noise generated inside the APD element is also amplified, so that signal current is generated at a probable frequency without receiving photons, and dark noise is generated. It becomes. This dark noise can reduce the probability of occurrence by cooling the APD element to a low temperature. However, in order to accurately receive photons, a reverse bias higher than VBd that causes dark noise should not be applied unnecessarily for a long time. It is. In other words, it is necessary to apply a reverse bias equal to or higher than VBd in accordance with the timing at which the photons arrive.

したがって、光子受信器には、上述したようなダークノイズの問題があるだけでなく、タイミング同期の問題もある。上述したように、GGM方式を用いた光子受信器では、APDへの光子の入射タイミングとAPDへ印加するGGMパルスの位相とを正確に同期させる必要がある。   Therefore, the photon receiver has not only the problem of dark noise as described above but also the problem of timing synchronization. As described above, in the photon receiver using the GGM method, it is necessary to accurately synchronize the incident timing of the photon to the APD and the phase of the GGM pulse applied to the APD.

しかしながら、光子受信器を用いた量子暗号鍵配布(QKD)システムでは、盗聴確率を低減させるために光子送信器から送出される時点で既に単一光子状態を要求される。その上、光子送信器から光子受信器までのファイバ伝送路の伝搬の過程で伝送媒体の損失により光子は確率的に消滅する。このため、光子受信器への到達確率は非常に低くなり、APDから出力される信号パルスとしてみると、そのマーク率は一般の光受信器と比べて格段に低い。実用的な伝送媒体の損失を仮定すると、例えば、APD出力信号のマーク率としては、1/1,000〜1/1,000,000という非常に低い値にもなり得る。このような低いマーク率で、しかも確率的に発生するダークノイズが混在する状態では、APDの出力信号から同期クロックの抽出再生を行うことは不可能である。   However, in a quantum key distribution (QKD) system using a photon receiver, a single photon state is already required at the time of transmission from the photon transmitter in order to reduce the probability of eavesdropping. In addition, in the process of propagation through the fiber transmission path from the photon transmitter to the photon receiver, the photons are stochastically lost due to the loss of the transmission medium. For this reason, the probability of reaching the photon receiver is very low, and the mark rate is much lower than that of a general optical receiver when viewed as a signal pulse output from the APD. Assuming loss of a practical transmission medium, for example, the mark ratio of an APD output signal can be a very low value of 1/1000 to 1 / 1,000,000. In such a low mark ratio and in the presence of stochastic dark noise, it is impossible to extract and reproduce the synchronous clock from the APD output signal.

そこで、光子信号とは別にクロック信号を送信し、受信側でそのクロック信号を基準クロックとして光子信号との同期を取る方式が提案されている。   Therefore, a method has been proposed in which a clock signal is transmitted separately from the photon signal and the receiver side synchronizes with the photon signal using the clock signal as a reference clock.

例えば、特表平08−505019号公報(特許文献1)には、量子チャネルと公共チャネルとを同一の光ファイバ上に設け、公共チャネルを利用してビット同期その他システムのタイミング較正を行う方法が提案されている。特許文献1に記載された方法では、レーザ光源の出力光のレベルを減衰器により減少させ、量子チャネルで使用するせいぜい1つの光子を含むパルスを生成する(11ページ8行〜11行、Fig. 4参照)。すなわち、送信器側で疑似単一光子状態と多光子状態との切り替えを行うことで、受信器内部のクロックの位相校正機能を実現している。   For example, JP-A-08-505019 (Patent Document 1) discloses a method in which a quantum channel and a public channel are provided on the same optical fiber, and bit synchronization and other system timing calibration are performed using the public channel. Proposed. In the method described in Patent Document 1, the level of the output light of the laser light source is reduced by an attenuator to generate a pulse including at most one photon used in the quantum channel (page 11, line 8 to line 11, FIG. 11). 4). In other words, the clock phase calibration function inside the receiver is realized by switching between the pseudo single photon state and the multi-photon state on the transmitter side.

また、米国特許第4961644号公報(特許文献2)に開示された監視システムは、送信データと監視信号とを光ファイバを通して波長多重で遠距離端へ送信し、折り返された監視信号の位相変動を分析することで、温度変化によるファイバの伸縮などの影響を差し引き、盗聴行為の有無を監視している。   In addition, the monitoring system disclosed in US Pat. No. 4,961,644 (Patent Document 2) transmits transmission data and a monitoring signal to the far-distance end by wavelength multiplexing through an optical fiber, and the phase variation of the returned monitoring signal is detected. By analyzing, the effect of wiretapping is monitored by subtracting the effects of fiber expansion and contraction due to temperature changes.

特表平08−505019号公報(11ページ8行〜11行、FIG.4参照)JP-T-08-505019 (see page 11, line 8 to line 11, FIG. 4) 米国特許第4961644号公報(第3欄38〜66行、FIG.1参照)US Pat. No. 4,961,644 (see column 3, lines 38-66, FIG. 1)

上述したように、微弱パワーの光子受信は、マーク率が極めて低いうえに、ダークノイズが確率的に発生するために、APDの出力信号から同期クロックを直接抽出再生することは不可能であった。このために、特許文献1のように同期を維持するためのタイミング信号を送信データとは別に送信したり、特許文献2のように監視信号を別に送信することで伝送路の温度伸縮等の環境変化に対応したりする技術が提案された。   As described above, photon reception with weak power has a very low mark rate and probabilistically generates dark noise, so that it is impossible to directly extract and reproduce the synchronous clock from the output signal of the APD. . For this reason, a timing signal for maintaining synchronization as in Patent Document 1 is transmitted separately from the transmission data, or a monitoring signal is transmitted separately as in Patent Document 2, so that the environment such as the temperature expansion and contraction of the transmission line is transmitted. Techniques to deal with changes have been proposed.

しかしながら、量子チャネルでの光子受信に関しては、次のような解決すべき課題がある。以下、それらを詳細に説明する。   However, with respect to photon reception in a quantum channel, there are the following problems to be solved. These will be described in detail below.

(1)ノイズ判定
従来の技術では、光子の到来に起因する光子信号か熱雑音等に起因するノイズ信号かを光子検出器APDの出力だけから判別することができない。電気信号の振幅で信号を識別する従来の識別方法では、ダークノイズも光子信号もAPDがブレークダウンした出力として現れるので、振幅の差としては区別ができないからである。
(1) Noise determination In the conventional technique, it is not possible to determine whether a photon signal caused by arrival of a photon or a noise signal caused by thermal noise or the like from only the output of the photon detector APD. This is because in the conventional identification method for identifying a signal by the amplitude of an electric signal, both dark noise and a photon signal appear as an output in which the APD is broken down, so that the difference in amplitude cannot be distinguished.

特に、インジウム・ガリウムヒ素系のAPD(InGaAs-APD)は、ファイバの伝送損失の最小となる波長域1.55μm帯で感度を有するので光子検出器として用いられているが、GGMパルスの幅を広くするとダークノイズの発生確率が増加する。したがって、ダークノイズの判定が高速かつ正確にできないと、受信光子信号のSN比はますます劣化し、量子暗号鍵配布システムにおいて最終鍵生成レートが低下してしまう。   In particular, indium gallium arsenide-based APD (InGaAs-APD) is used as a photon detector because it has a sensitivity in the 1.55 μm wavelength band where the transmission loss of the fiber is minimized. Widening increases the probability of dark noise. Therefore, if dark noise cannot be determined quickly and accurately, the S / N ratio of the received photon signal is further deteriorated, and the final key generation rate is reduced in the quantum key distribution system.

(2)クロック位相誤差の検出
従来の技術では、光子の到達タイミングと光子受信の同期に用いる基準クロックとの位相誤差を明確に検出ができない。位相誤差の原因は種々考えられる。たとえば、併走クロックを波長多重すると環境温度変化によるファイバの波長分散量の変化が、併走クロックを波長多重せずに異なるファイバで伝達するとファイバごとの温度特性の差異や局所的な温度差が位相誤差の原因となる。また、装置内部での電気回路の遅延の温度変化特性も原因として考えられる。
(2) Detection of clock phase error The conventional technique cannot clearly detect the phase error between the arrival timing of photons and the reference clock used for synchronization of photon reception. There are various causes of the phase error. For example, if the parallel clock is wavelength-multiplexed, the change in the chromatic dispersion of the fiber due to environmental temperature changes, and if the parallel clock is transmitted through a different fiber without wavelength multiplexing, differences in temperature characteristics and local temperature differences between the fibers will cause phase errors. Cause. Another possible cause is the temperature change characteristic of the delay of the electric circuit inside the apparatus.

このような位相誤差を明確に検出できない理由の1つは、通常の光受信回路のクロック抽出手法が使用できないためである。もう一つは、APD出力信号のマーク率と受信レートが非常に低く、しかもダークノイズが光子信号とは無関係の位相で発生するので、クロックの位相誤差の劣化なのか、損失増加による光子検出の減少なのかを判別できないことである。   One reason why such a phase error cannot be clearly detected is that a clock extraction method of a normal optical receiver circuit cannot be used. The other is that the mark rate and reception rate of the APD output signal are very low, and dark noise occurs in a phase that is unrelated to the photon signal. It is impossible to determine whether it is a decrease.

このような位相誤差が発生すると、APDへの光子信号の到達タイミングと逆バイアスパルスのAPDへの印加タイミングとが一致しなくなり、光子受信に失敗する。位相差が大きく広がり全く光子受信ができなくなると、光子通信を中断して基準クロックの位相整合手順を改めて実行する必要があり、量子鍵配布システムとしての量子鍵生成レートが低下する。   When such a phase error occurs, the arrival timing of the photon signal to the APD does not coincide with the application timing of the reverse bias pulse to the APD, and photon reception fails. If the phase difference widens and photon reception becomes impossible, it is necessary to interrupt photon communication and execute the reference clock phase matching procedure again, and the quantum key generation rate of the quantum key distribution system decreases.

(3)クロック位相誤差の校正
従来の技術では位相同期と光子検出とを同時に実行できない。このために、位相差が大きく広がり全く光子受信ができなくなると、送信器側では光子波長の信号を多光子状態に切り替え、受信器側ではAPDのガイガーモードを解除して通常のバイアス受信に設定しなければならない。すなわち、この位相同期過程の間は光子受信が長時間中断する。
(3) Calibration of clock phase error The conventional technique cannot execute phase synchronization and photon detection simultaneously. For this reason, when the phase difference widens and photon reception becomes impossible, the transmitter side switches the photon wavelength signal to the multiphoton state, and the receiver side cancels the APD Geiger mode and sets to normal bias reception. Must. That is, photon reception is interrupted for a long time during this phase synchronization process.

送信器側で単一光子から多光子状態に切り替えるには、現状では、機械式の可変光減衰器を用いるのが一般的であり、その多くは減衰量の切り替え時間が数100msecから数秒を要する。この切替に要する時間は、光子の送信クロック周波数に比較すると、非常に長時間である。たとえば、50MHzのクロック周波数で動作する量子通信システムにおいて、機械式可変減衰器を用いて一回の位相同期に際して約100Mビット分の通信時間の停止に繋がってしまう。量子鍵配布システムでは、その間、量子鍵生成が停止するために、結果として量子鍵生成能力が低下することになる。   In order to switch from a single photon to a multi-photon state on the transmitter side, at present, it is common to use a mechanical variable optical attenuator, and most of them require several hundreds of milliseconds to several seconds for switching attenuation. . The time required for this switching is very long compared to the photon transmission clock frequency. For example, in a quantum communication system that operates at a clock frequency of 50 MHz, a communication time of about 100 Mbits is stopped during one phase synchronization using a mechanical variable attenuator. In the quantum key distribution system, quantum key generation stops during this period, resulting in a decrease in quantum key generation capability.

(4)アプローチ
上記課題を解決するために、本発明者等は、光子信号が到達するタイミングはある限られた時間範囲であるのに対して、ダークノイズは光子信号とは異なる分布で発生することに着目した。
(4) Approach In order to solve the above-mentioned problem, the present inventors have a timing where a photon signal arrives within a limited time range, whereas dark noise occurs in a distribution different from that of a photon signal. Focused on that.

たとえば、光子信号は送信レーザ光源が発光したパルス幅(たとえば数100psec)の時間幅でしか到達しえないのに対して、ダークノイズはGGMパルスの時間幅(たてえば数nsec)の全域に渡って分布するものである。同時に、GGMパルス幅で検出される信号のうちダークノイズの頻度は、光子信号の頻度に対してかなり少ない(1/数〜1/1000)と言える。したがって、光子の到達する時間幅がGGMパルスの時間幅よりも十分に狭い場合には、GGMパルスの時間幅において光子検出器の出力信号の発生頻度を集計した時間分布を作成すると十分に明瞭なピークができる。GGMパルスの時間幅に対するこのピーク領域の相対的なタイミング(位相差)を光子の到来が期待できるタイミングとして利用することで、上記課題を解決する光子受信器および光子受信方法を提供することができる。   For example, a photon signal can only reach a time width of a pulse width (for example, several hundreds psec) emitted by a transmission laser light source, whereas dark noise is spread over the entire time width of a GGM pulse (for example, several nsec). It is distributed across. At the same time, it can be said that the frequency of dark noise among the signals detected with the GGM pulse width is considerably less (1 / several to 1/1000) with respect to the frequency of the photon signal. Therefore, when the time width for the arrival of photons is sufficiently narrower than the time width of the GGM pulse, it is sufficiently clear that a time distribution in which the generation frequency of the output signal of the photon detector is totaled in the time width of the GGM pulse is created. There is a peak. By using the relative timing (phase difference) of this peak area with respect to the time width of the GGM pulse as the timing at which the arrival of photons can be expected, it is possible to provide a photon receiver and a photon receiving method that solve the above problems. .

他方、光子到来タイミングが時間と共に変化している場合には、GGMパルスの時間幅で光子検出器の出力信号の発生頻度を集計した度数分布を作成しても十分に明瞭なピークが現れないことがある。なぜならば、時間の変化とともに、比較的頻度の高い光子信号の発生が徐々にシフトしてピークが分散してしまうからである。   On the other hand, when the photon arrival timing changes with time, a sufficiently clear peak does not appear even if a frequency distribution is created by summing up the frequency of occurrence of the output signal of the photon detector with the time width of the GGM pulse. There is. This is because, as time changes, the generation of relatively frequent photon signals is gradually shifted and the peaks are dispersed.

しかしながら、このような位相変化の主因は、ファイバや電子部品の温度変化による遅延変動であり急激な変化にはならない。ここで議論する信号処理の時間スケールでは、直線的な変化として近似して差し支えないものである。同様に、送受信間でクロックの別送を行わずに個別に高精度なクロック源を有するシステムであって、そのクロック源の周波数差が非常に小さい場合にも直線的な変化として近似して差し支えない。たとえば2つのクロック源からのクロック信号1周期毎の位相差の変化量が光検出器のGGMパルス幅に対して非常に小さいとみなせる場合には、直線的な変化に近似可能である。   However, the main cause of such a phase change is a delay variation due to a temperature change of a fiber or an electronic component, and does not become a sudden change. The signal processing time scale discussed here can be approximated as a linear change. Similarly, a system having a highly accurate clock source without separately sending clocks between transmission and reception, and even if the frequency difference between the clock sources is very small, it may be approximated as a linear change. . For example, if the amount of change in the phase difference for each cycle of the clock signals from the two clock sources can be regarded as being very small relative to the GGM pulse width of the photodetector, it can be approximated to a linear change.

したがって、上記度数分布のピークが分散している場合には、位相差が時間に対してある一定の割合で直線的に変化していると仮定し、その変化の割合を求める。そして、光子検出器の出力信号の発生が、求めた変化の割合に従ったタイミングに合致しているか否かを判定することで、光子信号であるか否かを識別することができる。   Therefore, when the peaks of the frequency distribution are dispersed, the phase difference is assumed to change linearly at a certain rate with respect to time, and the rate of change is obtained. Then, by determining whether or not the generation of the output signal of the photon detector matches the timing according to the obtained change rate, it is possible to identify whether or not it is a photon signal.

また、求めた変化の割合に基づいて、光子検出器に印加される駆動パルスのタイミングを上記タイミング位相の変化が相殺される方向に徐々にシフトさせることで、その駆動パルスの時間幅に対する光子到来タイミングの位相差を一定値に維持し駆動パルスを光子の到達タイミングに追従させることが可能となる。   In addition, by gradually shifting the timing of the driving pulse applied to the photon detector in the direction in which the change in the timing phase is canceled based on the obtained change rate, the arrival of photons with respect to the time width of the driving pulse The timing phase difference is maintained at a constant value, and the drive pulse can be made to follow the arrival timing of the photon.

要約すれば、本発明者等は光子検出に関する次の2つの特性に着目している。   In summary, the inventors have focused on the following two characteristics relating to photon detection.

特性の1つ目は、光子信号の受信頻度に比べてダークノイズの発生頻度が比較的少ない事である。これは、APD素子の温度を下げることでダークノイズの発生する確率を制御することが可能なためである。例えば、現実的な量子暗号通信システムにおいては、APDで光子受信信号を出力する頻度が10%であるのに対して、APDを冷却すると光子受信した信号中のダークノイズ発生率を1%以下となり、完全とは言えなくも十分に低い確率に制御可能である。   The first characteristic is that the occurrence frequency of dark noise is relatively low compared to the frequency of receiving photon signals. This is because the probability of occurrence of dark noise can be controlled by lowering the temperature of the APD element. For example, in a practical quantum cryptography communication system, the frequency of outputting a photon reception signal by APD is 10%, but when the APD is cooled, the occurrence rate of dark noise in the received signal is 1% or less. It is possible to control to a sufficiently low probability even if not completely.

特性の2つ目は、位相差の誤差が急激には拡大しないことである。これは、位相差の変動は全体的にみると制御回路や伝送路の温度特性などによる周波数のドリフトに帰着させることができるため、光子信号の周波数に比べて十分にゆっくりとした変動である。したがって、光子信号の到達のタイミングの変化を観測することが可能であるならば、位相差の変化をトラッキングすることも可能となる。   The second characteristic is that the phase difference error does not increase rapidly. This is a fluctuation that is sufficiently slow compared to the frequency of the photon signal because the fluctuation of the phase difference can be attributed to frequency drift due to the temperature characteristics of the control circuit and the transmission line as a whole. Therefore, if the change in the arrival timing of the photon signal can be observed, the change in the phase difference can be tracked.

したがって、次に述べるように、本発明によれば、従来は識別が不可能であったダークノイズを識別することが可能で、従来は検知が困難であった光子検出器の駆動タイミングと光子検出器への光子到達タイミングとの位相誤差の変化を検出することができ、あるいは、光子到達タイミングに対して光子検出器の駆動タイミングを追従させることが可能となる。   Therefore, as described below, according to the present invention, it is possible to identify dark noise that could not be identified in the past, and the photon detector drive timing and photon detection that were difficult to detect in the past. It is possible to detect a change in phase error with respect to the photon arrival timing to the detector, or to make the drive timing of the photon detector follow the photon arrival timing.

本発明による光子受信器は、光子検出手段を駆動するための所定時間長の駆動信号を所定タイミングで断続的に前記光子検出手段へ供給する駆動手段と、前記光子検出手段の出力変化を含む信号のデータ系列を前記駆動信号の所定時間長を単位として複数個を蓄積する蓄積手段と、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索する検索手段と、検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出手段の出力を光子検出信号と判定する判定手段と、を有することを特徴とする。   The photon receiver according to the present invention includes a driving unit that intermittently supplies a driving signal having a predetermined time length for driving the photon detecting unit to the photon detecting unit at a predetermined timing, and a signal including a change in output of the photon detecting unit. Storage means for storing a plurality of data series in units of a predetermined time length of the drive signal, and a photon arrival timing at the predetermined time length based on a time distribution of signal change occurrence timings of the stored data series A search means for searching for a time range indicating, and a determination means for determining, as a photon detection signal, an output of the photon detection means in which a signal change occurs at a timing within the searched time range. To do.

本発明の第1実施形態によれば、前記検索手段は、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布を生成する分布生成手段と、前記時間分布のピークを含む所定範囲を前記時間的範囲として識別するピーク検出手段と、を有する。   According to the first embodiment of the present invention, the search means includes a distribution generation means for generating a time distribution of signal change occurrence timings of the accumulated data series, and a predetermined range including a peak of the time distribution. Peak detection means for identifying the time range.

本発明の第2実施形態によれば、前記検索手段は、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する。   According to a second embodiment of the present invention, the search means obtains a temporal change pattern that matches a photon arrival timing based on a time distribution of signal change occurrence timings of the accumulated data series, and the temporal change The temporal range is specified from the pattern.

より詳しくは、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成するパターン生成手段と、前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記仮の経時変化パターンが光子到達タイミングに整合しているか否かを判定するオフセット処理手段と、を有し、前記光子到達タイミングに最も良く整合している前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択する。   More specifically, pattern generation means for generating a temporary temporal change pattern with respect to the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series, while sequentially changing the temporary temporal change pattern within a predetermined range, Offset processing means for determining whether or not the temporary temporal change pattern matches the photon arrival timing, and the temporary temporal change pattern that best matches the photon arrival timing is changed over time. Select as a pattern.

本発明の第2実施形態における一実施例として、前記オフセット処理手段は、前記仮の経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングをシフトさせるタイミングシフト手段と、前記蓄積された複数のデータ系列の補正された信号変化発生タイミングの時間分布を生成する分布生成手段と、前記時間分布のピークの大きさを検出するピーク検出手段と、を有し、前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記時間分布のピークの最も大きな前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択する。   As an example of the second embodiment of the present invention, the offset processing means shifts the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series in a direction to cancel the temporal change of the temporary temporal change pattern. Timing shift means for generating, a distribution generation means for generating a time distribution of corrected signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series, and a peak detection means for detecting a peak size of the time distribution. The temporary temporal change pattern having the largest peak of the time distribution is selected as the temporal change pattern while sequentially changing the temporary temporal change pattern within a predetermined range.

本発明の第3実施形態によれば、前記経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングが相対的にシフトするように、前記光子検出手段を駆動するための前記駆動信号の供給タイミングをシフトさせることで、前記光子検出手段の駆動タイミングを光子到達タイミングに追従させるオフセット補正手段を更に有する。   According to the third embodiment of the present invention, the photon detection is performed so that the signal change generation timing of each of the accumulated data series is relatively shifted in a direction to cancel the change with time of the change pattern with time. The apparatus further includes offset correction means for causing the drive timing of the photon detecting means to follow the photon arrival timing by shifting the supply timing of the drive signal for driving the means.

本発明による光子受信器および光子受信方法は、光子検出器の出力波形の変化発生タイミングと光子検出器に印加される駆動パルスの印加タイミングとの位相差を集計して得られる時間分布から光子到来タイミング領域を識別する。したがって、光子到来タイミング領域以外の出力信号の変化はダークノイズとして除去することができ、受信光子信号のSN比を改善することができる。しかも、本発明によれば、光子送信器からの基準クロックを用いることなく、光子検出器の出力に基づいて光子到達タイミングを識別することができる。   The photon receiver and the photon receiving method according to the present invention are such that a photon arrives from a time distribution obtained by aggregating the phase difference between the change generation timing of the output waveform of the photon detector and the application timing of the drive pulse applied to the photon detector. Identify the timing region. Therefore, changes in the output signal outside the photon arrival timing region can be removed as dark noise, and the SN ratio of the received photon signal can be improved. Moreover, according to the present invention, the photon arrival timing can be identified based on the output of the photon detector without using the reference clock from the photon transmitter.

また、光子検出器に印加される駆動パルスの印加タイミングと光子信号到達タイミングとの相対時間の差(具体的には基準クロックと光子信号との位相差)が変化している場合であっても、蓄積手段に蓄積された過去のデータ系列における出力変化発生タイミングを時間オフセット補正することにより対応することができる。   Even if the difference in relative time between the application timing of the drive pulse applied to the photon detector and the photon signal arrival timing (specifically, the phase difference between the reference clock and the photon signal) is changing. This can be dealt with by correcting the output change occurrence timing in the past data series stored in the storage means by time offset correction.

たとえば、駆動パルスの印加タイミングと光子信号到達タイミングとが不変であれば記録される時間差は一定となるが、伝送路の物性の変化や装置内部の変化により時間差が変化する場合には、光子信号の到達タイミングがGGMパルス印加のタイミングの最適点から移動しつつあり、そのまま放置しておけば、GGMパルスの時間範囲外にAPDに光子が到達してしまい光子受信に失敗することを意味している。この位相ドリフトは、光子の到達タイミングとGGM印加タイミングとの両方が変動する可能性を示しているが、光子受信するためには、両方のタイミングが一致していれば良く、どちらか一方が絶対的に固定している必要は無い。したがって、制御が容易な基準クロック側の遅延量、すなわちGGMタイミングを調整することで位相ドリフトに追従させることが望ましい。   For example, if the drive pulse application timing and photon signal arrival timing are unchanged, the recorded time difference is constant, but if the time difference changes due to changes in the physical properties of the transmission line or changes in the device, the photon signal This means that the arrival timing of GGM is moving from the optimum point of GGM pulse application timing, and if left as it is, photons will reach the APD outside the time range of the GGM pulse, and photon reception will fail. Yes. This phase drift indicates that both the arrival timing of photons and the GGM application timing may fluctuate. However, in order to receive photons, both timings need to match, and one of them is absolute. Need not be fixed. Therefore, it is desirable to follow the phase drift by adjusting the delay amount on the reference clock side, which is easy to control, that is, the GGM timing.

そこで、光子到達のタイミングを基準にして、受信器内部で持つ発振器から得られる基準クロック、あるいは、別送されたクロックに可変遅延手段を挿入し、GGMパルスの印加タイミングと光子到達タイミングとの差が一定となり、光子到達と逆バイアスパルス印加のタイミングが最適位相で合致するように遅延量を可変する。   Therefore, with reference to the photon arrival timing, a variable delay means is inserted into a reference clock obtained from an oscillator included in the receiver or a separately sent clock, and the difference between the GGM pulse application timing and the photon arrival timing is The amount of delay is varied so that the timing of photon arrival and reverse bias pulse application coincide with each other at the optimum phase.

上述したように、本発明によれば受信した信号のSN比の向上が可能になる。たとえば受信波形の信号到達時間の分布のピークを検索し、ピークのコントラストが最大となるような時間オフセット処理を行う事で、光子到達が期待できる時間領域以外で検出した信号をダークノイズとして識別することが可能となるからである。   As described above, according to the present invention, it is possible to improve the SN ratio of the received signal. For example, by searching for the peak of the distribution of signal arrival times in the received waveform and performing time offset processing that maximizes the peak contrast, signals detected outside the time domain where photon arrival can be expected are identified as dark noise. Because it becomes possible.

また、本発明によればゲートパルスの印加タイミングを光子の到達するタイミングにトラッキングさせることが可能となる。たとえば上記効果に記した処理により得られる時間オフセットの割合を基に基準クロックの遅延を調整することで、位相差の変化を補正することが可能となるからである。   In addition, according to the present invention, it is possible to track the application timing of the gate pulse to the arrival timing of the photon. For example, it is possible to correct the change in the phase difference by adjusting the delay of the reference clock based on the ratio of the time offset obtained by the processing described in the above effect.

1.第1実施形態
1.1)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受信器の概略的構成を示すブロック図である。GGM電源回路1、光検出器(APD)2および電流電圧変換回路3に加えて、サンプリング回路4、信号処理回路6、基準クロック発生回路70およびタイミング生成回路71が設けられている。
1. 1. First Embodiment 1.1) Outline of Circuit Configuration FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photon receiver according to a first embodiment of the present invention. In addition to the GGM power supply circuit 1, the photodetector (APD) 2, and the current-voltage conversion circuit 3, a sampling circuit 4, a signal processing circuit 6, a reference clock generation circuit 70, and a timing generation circuit 71 are provided.

GGM電源回路1はGGMバイアス電圧s4を生成してAPD2に印加する。このGGMバイアス電圧は、APDのブレークダウン電圧VBd以下の直流成分と、VBd以上の逆バイアスパルス成分とからなる。逆バイアスパルス成分は、タイミング生成回路71から与えられたGGMタイミング信号s20に同期して生成される。   The GGM power supply circuit 1 generates a GGM bias voltage s4 and applies it to the APD 2. This GGM bias voltage is composed of a DC component equal to or lower than the breakdown voltage VBd of the APD and a reverse bias pulse component equal to or higher than VBd. The reverse bias pulse component is generated in synchronization with the GGM timing signal s20 given from the timing generation circuit 71.

逆バイアスパルス成分がAPD2に印加されているタイミングで、光子がAPD2の受光面に入射すると、生成された光電子によるアバランシェ(電子雪崩)効果による増倍され、電流s5として出力される。ただし、上述したように、光子が入射しないときでもダークノイズとして電流s5が出力される。   When a photon is incident on the light receiving surface of the APD 2 at the timing when the reverse bias pulse component is applied to the APD 2, it is multiplied by the avalanche (electron avalanche) effect caused by the generated photoelectrons, and is output as a current s5. However, as described above, the current s5 is output as dark noise even when no photon is incident.

出力電流s5は、電流電圧変換回路3により電圧信号(以下、出力電圧信号s51という。)に変換され、サンプリング回路4へ出力される。電流電圧変換回路3として、ここではトランスインピーダンスアンプ(以下TIA)を用いる。   The output current s5 is converted into a voltage signal (hereinafter referred to as an output voltage signal s51) by the current-voltage conversion circuit 3 and output to the sampling circuit 4. Here, a transimpedance amplifier (hereinafter referred to as TIA) is used as the current-voltage conversion circuit 3.

サンプリング回路4は、基準クロックs1に従って、出力電圧信号s51を振幅方向に対して2レベル以上のサンプリング粒度でサンプリングし、離散的な出力電圧信号s6(以下、サンプリングデータs6という。)を信号処理回路6へ出力する。サンプリング回路4は、2値で識別するサンプリングであってもよいし、アナログ−デジタル(AD)変換を用いた多値サンプリングでもあってもよい。ここでは、AD変換器(ADC)を用いる。   The sampling circuit 4 samples the output voltage signal s51 with a sampling granularity of two or more levels in the amplitude direction according to the reference clock s1, and the discrete output voltage signal s6 (hereinafter referred to as sampling data s6) is a signal processing circuit. 6 is output. The sampling circuit 4 may be a sampling that is identified by binary values, or may be a multi-value sampling that uses analog-digital (AD) conversion. Here, an AD converter (ADC) is used.

信号処理回路6は、後述するように、基準クロックs1およびGGMタイミング信号s20に従って、サンプリングデータs6に対して度数分布の作成処理、光子受信信号とダークノイズ信号の識別処理、及び、クロックのドリフトのトラッキング処理を行い、光子受信信号s9および光子受信タイミング信号s91を出力する。   As will be described later, the signal processing circuit 6 performs frequency distribution creation processing, photon reception signal and dark noise signal identification processing, and clock drift processing for the sampling data s6 in accordance with the reference clock s1 and the GGM timing signal s20. Tracking processing is performed, and a photon reception signal s9 and a photon reception timing signal s91 are output.

サンプリング回路4および信号処理回路6が従う基準クロックs1は、基準クロック発生回路70により生成される。基準クロックs1は、GGMタイミング信号s20や出力電圧信号s51に比べて十分な時間精度を有する高速クロック信号であり、図示しない光子送信器から別送されたクロック信号を基に生成されるか、あるいは、ローカルに配置された高精度な発振器の発振信号を基に生成される。後述するように、光子信号はかなり精確な周期に従って受信器に到来すること、クロック源もジッタ量が到達する光子の期待される時間幅と同等かつGGMパルスのパルス幅より十分に小さいことが前提である。   The reference clock s1 that the sampling circuit 4 and the signal processing circuit 6 follow is generated by a reference clock generation circuit 70. The reference clock s1 is a high-speed clock signal having sufficient time accuracy compared to the GGM timing signal s20 and the output voltage signal s51, and is generated based on a clock signal sent separately from a photon transmitter (not shown), or It is generated on the basis of an oscillation signal of a highly accurate oscillator arranged locally. As will be described later, it is assumed that the photon signal arrives at the receiver according to a fairly precise period, and that the clock source is also equivalent to the expected time width of the photon in which the jitter amount reaches and sufficiently smaller than the pulse width of the GGM pulse. It is.

タイミング生成回路71は、基準クロックs1を1以上分周することでGGMタイミング信号s20を生成する。GGMタイミング信号s20によってAPD2に印加されるGGMバイアス電圧のタイミングが決定される。GGMタイミングは光子の到達する周期と同一となる必要がある。たとえば、送信器から別送されたクロックを逓倍することにより1GHzの基準クロックs1が生成され、それを20分周して50MHzのGGMタイミング信号s20が生成される場合、送信器側でも同様のプロセスを経て50MHzのクロックを基に光子信号が生成され送信される。   The timing generation circuit 71 generates the GGM timing signal s20 by dividing the reference clock s1 by one or more. The timing of the GGM bias voltage applied to the APD 2 is determined by the GGM timing signal s20. The GGM timing needs to be the same as the period of arrival of photons. For example, when a 1 GHz reference clock s1 is generated by multiplying a clock sent separately from the transmitter and is divided by 20 to generate a 50 MHz GGM timing signal s20, a similar process is performed on the transmitter side. Then, a photon signal is generated and transmitted based on a 50 MHz clock.

1.2)信号処理回路
図2(A)は第1実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図、(B)はフィルタのブロック図である。信号処理回路6はクロック制御部72、演算回路群60およびメモリ65を含む機能構成を有する。クロック制御部72は、基準クロックs1およびGGMタイミング信号s20を入力し、信号処理回路6の全体的な処理動作を制御する内部クロックを生成する。
1.2) Signal Processing Circuit FIG. 2A is a block diagram illustrating the functional configuration of the signal processing circuit 6 in the photon receiver according to the first embodiment in more detail, and FIG. 2B is a block diagram of a filter. The signal processing circuit 6 has a functional configuration including a clock control unit 72, an arithmetic circuit group 60, and a memory 65. The clock control unit 72 receives the reference clock s 1 and the GGM timing signal s 20 and generates an internal clock that controls the overall processing operation of the signal processing circuit 6.

演算回路群60は、フィルタ61を通してサンプリング回路4からサンプリングデータs6を入力する。フィルタ61は信号選別機能を有し、GGMタイミング信号s20により規定される周期的な期間(GGMバイアス印加期間)において、入力したサンプリングデータs6が無信号であるか否か(立ち上がりが存在するか否か)を判定し、途中に立ち上がりがある(無信号でない)サンプリングデータs6のみを通過させる。   The arithmetic circuit group 60 inputs the sampling data s 6 from the sampling circuit 4 through the filter 61. The filter 61 has a signal selection function, and whether or not the input sampling data s6 is no signal (whether there is a rising edge) in a periodic period (GGM bias application period) defined by the GGM timing signal s20. And only the sampling data s6 having a rising edge (not a no-signal) is allowed to pass.

フィルタ61の構成の一例を図2(B)に示す。フィルタ61は立ち上がり検出器61.1とゲート61.2からなり、立ち上がり検出器61.1によりサンプリングデータs6が無信号であるか否かを判定し、無信号でないときにゲート61.2を開いてサンプリングデータs6をデータs7として通過させる。量子暗号システムなどの光子通信では、光子受信器のAPD2へ到達する光子数が非常に少ないので信号検出頻度が相応に低くなる。そのためにGGMタイミング信号s4の繰り返しに比して、信号検出の頻度は非常に低く、大半のサンプリングデータs6は無信号波形であることが期待される。そこで、効率的な信号処理を行うために、フィルタ61によって波形の立ち上がりが存在するサンプリングデータs6のみを選別し、有信号サンプリングデータs7として演算回路群60内部に導入する。なお、立ち上がり検出器61.1の立ち上がり検出信号は、信号発生タイミングを特定するために用いることもできる。   An example of the configuration of the filter 61 is shown in FIG. The filter 61 includes a rising detector 61.1 and a gate 61.2. The rising detector 61.1 determines whether or not the sampling data s6 is a no signal, and opens the gate 61.2 when the sampling data is not a signal. The sampling data s6 is passed as data s7. In photon communication such as a quantum cryptography system, since the number of photons reaching the APD 2 of the photon receiver is very small, the signal detection frequency is correspondingly reduced. For this reason, the frequency of signal detection is very low compared to the repetition of the GGM timing signal s4, and most of the sampling data s6 is expected to have no signal waveform. Therefore, in order to perform efficient signal processing, only the sampling data s6 in which the rise of the waveform exists is selected by the filter 61 and introduced into the arithmetic circuit group 60 as the signal sampling data s7. Note that the rising edge detection signal of the rising edge detector 61.1 can also be used to specify signal generation timing.

演算回路群60は、度数分布生成部62、ピーク検出部63および比較判定部64を有する。フィルタ61を通過した有信号サンプリングデータs7は比較判定部64へ出力されると共に、メモリ65に蓄積される。メモリ65には過去のGGMタイミングにおける所定数の有信号サンプリングデータs7が蓄積されており、その蓄積データを用いて度数分布生成部62が立ち上がりの時間的な度数分布を生成する。ピーク検出部63は、度数分布から分布のピークを含む時間領域(ピーク範囲)TPKを検出する。 The arithmetic circuit group 60 includes a frequency distribution generation unit 62, a peak detection unit 63, and a comparison determination unit 64. The signal sampled data s7 that has passed through the filter 61 is output to the comparison / determination unit 64 and stored in the memory 65. A predetermined number of signal sampling data s7 at the past GGM timing is stored in the memory 65, and the frequency distribution generation unit 62 generates a rising time frequency distribution using the stored data. The peak detector 63 detects a time region (peak range) T PK including the distribution peak from the frequency distribution.

比較判定部64は、後述するように、入力した有信号サンプリングデータs7の立ち上がりタイミングとピーク検出部63で検出されたピーク範囲TPKとを比較し、その入力信号s6が光子信号かダークノイズかを判定する。光子信号であれば、光子受信信号s9と、それに同期した光子受信クロックs91とを光子受信器の外部に出力する。 As will be described later, the comparison determination unit 64 compares the rising timing of the input signaled sampling data s7 with the peak range T PK detected by the peak detection unit 63, and determines whether the input signal s6 is a photon signal or dark noise. Determine. If it is a photon signal, a photon reception signal s9 and a photon reception clock s91 synchronized therewith are output to the outside of the photon receiver.

なお、演算回路群60は、個別の機能を電子回路で構成することが可能であるが、それと同等の機能をマイクロプロセッサ等の演算回路とその上で動作するソフトウエアにより実現することも可能である。   The arithmetic circuit group 60 can be configured by an electronic circuit for individual functions, but an equivalent function can also be realized by an arithmetic circuit such as a microprocessor and software operating on the arithmetic circuit. is there.

1.3)受信動作
図3は、図2に示す回路での主な信号の波形を模式的に示すタイムチャートである。基準クロック発生部70により生成された基準クロックs1を基準として、タイミング生成回路71はGGMタイミング信号s20を生成し、電源回路1はそれに従ってGGMバイアス信号s4をAPD2へ印加する。GGMバイアス信号s4は、電源回路1の内部の回路遅延によりGGMタイミング信号s20から若干(ここでは1クロック相当)遅延している。
1.3) Reception Operation FIG. 3 is a time chart schematically showing main signal waveforms in the circuit shown in FIG. Based on the reference clock s1 generated by the reference clock generator 70, the timing generation circuit 71 generates a GGM timing signal s20, and the power supply circuit 1 applies the GGM bias signal s4 to the APD 2 accordingly. The GGM bias signal s4 is slightly delayed (corresponding to one clock here) from the GGM timing signal s20 due to a circuit delay inside the power supply circuit 1.

なお、図3に示すAPD出力電圧信号s51の波形は、GGMバイアス電圧s4がAPD2に印加されている間に光子信号が矢印のタイミングでAPD2に到達した場合を示すものとする。上述したように、実際は矢印のタイミングでダークノイズが発生した可能性もあり、この段階では判別できないが、ここでは光子送信器からの光子の到来によるものとする。   The waveform of the APD output voltage signal s51 shown in FIG. 3 indicates a case where the photon signal reaches the APD2 at the timing of the arrow while the GGM bias voltage s4 is applied to the APD2. As described above, dark noise may actually occur at the timing of the arrow and cannot be determined at this stage, but here it is due to the arrival of photons from the photon transmitter.

光子が到達することでGGMバイアスされたAPD2がブレークダウンし、それにより矢印のタイミングで出力電圧信号s51が立ち上がる。出力電圧信号s51は立ち上がった振幅が続き、GGMバイアス電圧s4の停止とともに立ち下がる。この出力電圧信号s51をサンプリング回路4でサンプリングした信号がサンプリングデータs6である。図3において、出力電圧信号s51はサンプリングにより黒丸で表した離散的なデータ系列に変換され、サンプリングによる遅延が現れている。   As the photons arrive, the AGM 2 biased with GGM breaks down, whereby the output voltage signal s51 rises at the timing of the arrow. The output voltage signal s51 continues with the rising amplitude and falls with the stop of the GGM bias voltage s4. A signal obtained by sampling the output voltage signal s51 by the sampling circuit 4 is the sampling data s6. In FIG. 3, the output voltage signal s51 is converted into a discrete data series represented by black circles by sampling, and a delay due to sampling appears.

信号処理回路6は、このサンプリングデータs6に対して後述する光子受信判定を行い、相応の処理時間だけ遅延(図3では7クロック分の遅延)した後に、光子受信信号s9と、それに同期した光子受信クロックs91を出力する。上述したように、ここでは光子が矢印のタイミングでAPD2に到達したものと仮定しているので、信号処理回路6は光子の受信と判定し光子受信信号s9および光子受信クロックs91を立ち上ける。なお、図3に示すような光子受信信号s9と光子受信クロックs91との立ち上がりの位相関係は光子受信器以外のシステム的な要求により規定されるものである。   The signal processing circuit 6 performs photon reception determination to be described later on the sampling data s6, and after delaying by a corresponding processing time (a delay of 7 clocks in FIG. 3), the photon reception signal s9 and a photon synchronized therewith A reception clock s91 is output. As described above, since it is assumed here that the photon has reached the APD 2 at the timing of the arrow, the signal processing circuit 6 determines that the photon has been received, and raises the photon reception signal s9 and the photon reception clock s91. The rising phase relationship between the photon reception signal s9 and the photon reception clock s91 as shown in FIG. 3 is defined by system requirements other than the photon receiver.

1.4)光子受信の判定
図4は本発明の第1実施形態による光子受信方法を示すタイムチャートである。図4(a)はAPD2に印加したGGMバイアス電圧s4の周期的な電圧印加期間A−Dを示し、(b)は基準クロックs1に従ったサンプリングクロックを示す。光子信号のAPD2への入射が検出されるであろう4クロック分の期間(ここではサンプリングクロック上のB−C間)に対して、GGMバイアス電圧s4のパルス幅(サンプリングクロック上のA−D間)は有意味な度数分布が得られる程度に十分に広いものとする。
1.4) Determination of Photon Reception FIG. 4 is a time chart showing a photon reception method according to the first embodiment of the present invention. 4A shows a periodic voltage application period AD of the GGM bias voltage s4 applied to the APD 2, and FIG. 4B shows a sampling clock according to the reference clock s1. The pulse width of the GGM bias voltage s4 (A-D on the sampling clock) for a period of 4 clocks (here, between B and C on the sampling clock) where the incidence of the photon signal on the APD2 will be detected. (Between) is wide enough to obtain a meaningful frequency distribution.

図4(c)はメモリ65に時系列で蓄積されているm個のグループの有信号サンプリングデータs7の波形を模式的に示している。j番目のグループの有信号サンプリングデータs7をデータセットDS(j)と表すと(0≦j≦m−1)、データセットDS(j)は、有信号サンプリングデータs7をGGMバイアス電圧s4の周期的な電圧印加期間A−Dでグループ化したサンプリングデータ列である。具体的には、データセットDS(0)は期間B−Cに立ち上がりが発生し、データセットDS(2)は期間A−Bに立ち上がりがある。このような過去m回のデータセットDS(0)〜DS(m−1)がメモリ65に時系列で蓄積されている。   FIG. 4C schematically shows the waveforms of the m groups of the signal sampling data s7 accumulated in the memory 65 in time series. If the signal sampling data s7 of the j-th group is expressed as a data set DS (j) (0 ≦ j ≦ m−1), the data set DS (j) indicates that the signal sampling data s7 is a period of the GGM bias voltage s4. It is the sampling data sequence grouped by typical voltage application period AD. Specifically, the data set DS (0) rises in the period BC, and the data set DS (2) rises in the period AB. Such m past data sets DS (0) to DS (m−1) are stored in the memory 65 in time series.

(度数分布)
図4(d)は度数分布生成部62により生成される度数分布を示すグラフである。度数分布生成部62は、メモリ65に蓄積されているm個のデータセットDS(0)〜DS(m−1)を読み出し、それらの信号波形の立ち上がりが現れるタイミング、言い換えればGGMバイアス電圧s4の立ち上がりタイミングAからの時間差(位相差)を集計して図4(d)のグラフで表される統計的なパターンである度数分布を生成する。図4(d)のグラフの横軸は相対的な時間、縦軸は回数である。
(Frequency distribution)
FIG. 4D is a graph showing the frequency distribution generated by the frequency distribution generator 62. The frequency distribution generation unit 62 reads the m data sets DS (0) to DS (m−1) stored in the memory 65, and the timing at which the rising edges of the signal waveforms appear, in other words, the GGM bias voltage s4. A time distribution (phase difference) from the rising timing A is totaled to generate a frequency distribution which is a statistical pattern represented by the graph of FIG. The horizontal axis of the graph in FIG. 4D is relative time, and the vertical axis is the number of times.

上述したように光子送信器は所定のタイミング(GGMタイミングs20)に従って光子を送信しているから、光子受信器における光子の到達タイミングはA−D期間のある限られた範囲内に集中し度数分布にピークを構成する。これに対して、ダークノイズはランダムに分布するので度数分布ではA−D期間の全域に広がりピークを構成しない。したがって、図4(d)に示すように度数分布に明瞭なピークが現れる場合には、そのピークを含む時間領域(ここではB−C期間)が光子の到達タイミングであると判定できる。したがって、そのピークの範囲内のタイミングで信号が立ち上がれば光子受信信号であり、それ以外のタイミングで立ち上がった信号はダークノイズであると判定することが可能である。   As described above, since the photon transmitter transmits photons according to a predetermined timing (GGM timing s20), the arrival timing of the photons in the photon receiver is concentrated in a limited range of the AD period, and the frequency distribution. To make up the peak. On the other hand, since dark noise is distributed at random, the frequency distribution spreads over the entire A-D period and does not constitute a peak. Therefore, when a clear peak appears in the frequency distribution as shown in FIG. 4D, it can be determined that the time region including the peak (here, the BC period) is the arrival timing of the photon. Therefore, it is possible to determine that a signal rises at a timing within the peak range and that it is a photon reception signal, and a signal that rises at other timings is dark noise.

(ピーク検出)
ピーク検出部63は、図4(d)に示すような度数分布データから光子到達タイミングの時間範囲を示すピーク範囲TPKを検出し比較判定部64へ出力する。ピーク範囲TPKの検出には統計的な処理を利用する。たとえば、度数分布の極大値を検出し、そのピーク分布の全幅、あるいはピークの標準偏差をσとして2σ (約95%をカバー)の範囲をピーク範囲TPKとしてもよい。
(Peak detection)
The peak detector 63 detects the peak range T PK indicating the time range of the photon arrival timing from the frequency distribution data as shown in FIG. Statistical processing is used to detect the peak range T PK . For example, the maximum value of the frequency distribution may be detected, and the full width of the peak distribution or the standard deviation of the peak may be σ, and the range of 2σ (covering about 95%) may be the peak range T PK .

(比較判定)
上述したように、メモリ65に過去m回のデータセットDS(0)〜DS(m−1)が蓄積された状態で、最新の有信号サンプリングデータs7がフィルタ61から出力され、図4(e)に示すようなデータセットDS(m)として比較判定部64に入力したとする。
(Comparison judgment)
As described above, in the state where the data sets DS (0) to DS (m−1) of the past m times are accumulated in the memory 65, the latest signaled sampling data s7 is output from the filter 61, and FIG. ) As a data set DS (m) as shown in FIG.

図5は本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作を示すフローチャートである。まず、データセットDS(m)を取得すると(ステップS101)、度数分布生成部62は予め設定された引用数mを用いて過去m回のデータセットDS(0)〜DS(m−1)をメモリ65から呼び出し(ステップS102)、上述したように度数分布を作成する(ステップS103)。続いて、ピーク検出部63は、度数分布から光子到達タイミングの時間範囲を示すピーク範囲TPKを検出する(ステップS104)。 FIG. 5 is a flowchart showing the photon reception determination operation of the signal processing circuit 6 according to the present embodiment. First, when the data set DS (m) is acquired (step S101), the frequency distribution generation unit 62 uses the preset citation number m to store the past m times of the data sets DS (0) to DS (m−1). Called from the memory 65 (step S102), a frequency distribution is created as described above (step S103). Subsequently, the peak detection unit 63 detects a peak range T PK indicating a time range of photon arrival timing from the frequency distribution (step S104).

ピーク範囲TPKが与えられると、比較判定部64は、データセットDS(m)の信号立ち上がり時間とピーク範囲TPKとを比較する(ステップS105)。データセットDS(m)が図4(e)に示す波形であれば、その立ち上がりタイミングはピーク範囲TPK内に存在するので、最新の有信号サンプリングデータs7は光子信号である(光子検出)と判定される(ステップS106)。光子検出と判定されると、比較判定部64は光子受信信号s9および光子受信クロックs91を立ち上げる(ステップS107)。 Given the peak range T PK , the comparison / determination unit 64 compares the signal rise time of the data set DS (m) with the peak range T PK (step S105). If the data set DS (m) is the waveform shown in FIG. 4E, the rising timing is within the peak range T PK , so that the latest signaled sampling data s7 is a photon signal (photon detection). Determination is made (step S106). If it is determined that the photon is detected, the comparison / determination unit 64 starts up the photon reception signal s9 and the photon reception clock s91 (step S107).

データセットDS(m)が例えばDS(2)のようにピーク範囲TPK以外で立ち上がっていれば、比較判定部64はダークノイズであると判定し(ステップS108)、光子受信信号s9および光子受信クロックs91を立ち上げない(ステップS109)。 If the data set DS (m) rises outside the peak range T PK as in DS (2), for example, the comparison / determination unit 64 determines that it is dark noise (step S108), and receives the photon reception signal s9 and the photon reception. The clock s91 is not raised (step S109).

ステップS107あるいはS109が終了すると、DS(j[1:m−1])を1周期分シフトし、最新のDS(m)をDS(m−1)に格納する(ステップS110)。すなわち、新たなデータセットDS(m)はメモリ65に蓄積されるが、その際、最も古いDS(0)は削除され、次に古いDS(1)がDS(0)となり、以下順次繰り下がって、最新のデータセットDS(m)がDS(m−1)としてメモリ65に蓄積される。   When step S107 or S109 ends, DS (j [1: m−1]) is shifted by one cycle, and the latest DS (m) is stored in DS (m−1) (step S110). In other words, the new data set DS (m) is stored in the memory 65. At this time, the oldest DS (0) is deleted, the next old DS (1) becomes DS (0), and so on. Thus, the latest data set DS (m) is stored in the memory 65 as DS (m−1).

以上の処理は、GGMタイミング信号s20の繰り返し周期に従って逐次的に処理される。あるいは、メモリ65の容量が十分大きい場合には、大量のサンプリングデータを記憶しながら同様の処理を行うことも可能である。   The above processing is sequentially performed according to the repetition period of the GGM timing signal s20. Alternatively, when the capacity of the memory 65 is sufficiently large, it is possible to perform the same processing while storing a large amount of sampling data.

1.5)変形例
上記光子受信器の処理では、GGMタイミングs20の周期毎にDS(0)〜DS(m−1)を読み出し度数分布を作成したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。たとえば、作成した度数分布を他のメモリに保持しておき、この度数分布に対して最新のDS(m)を反映させることで信号処理を更に高速化することができる。
1.5) Modified Example In the process of the photon receiver, DS (0) to DS (m−1) are read out for each period of the GGM timing s20, and the frequency distribution is created, but this embodiment is limited to this. It is not a thing. For example, the created frequency distribution is stored in another memory, and the latest DS (m) is reflected in this frequency distribution, thereby further speeding up the signal processing.

さらに、この手法を用いることで、メモリ65の容量が制限される場合でも、その記憶容量を超える範囲(回数)での度数分布を作成する事が可能となり、度数分布の精度の向上が期待出来る。   Furthermore, by using this method, even when the capacity of the memory 65 is limited, it is possible to create a frequency distribution in a range (number of times) exceeding the storage capacity, and an improvement in the accuracy of the frequency distribution can be expected. .

あるいは、GGMタイミングs20と光子到達の相対位相のドリフトの影響を緩和する事を目的として、前回作成した度数分布に重み付け処理を行った上で最新のDS(m)を反映させることもできる。重み付け処理により、最近のデータを遠い過去のデータよりも重視した光子到達判定が可能となり、位相がドリフトする場合であっても度数分布の誤差を圧縮することが可能になる。   Alternatively, for the purpose of alleviating the influence of the drift of the relative phase of the GGM timing s20 and the arrival of the photon, the latest DS (m) can be reflected after weighting processing is performed on the previously created frequency distribution. By the weighting process, it is possible to determine the arrival of photons in which the latest data is more important than the past data, and it is possible to compress the frequency distribution error even when the phase drifts.

1.6)効果
上述したように、本実施形態によれば、APDの出力波形の立ち上がりタイミングとAPDのGGMバイアス印加タイミングとの位相差を記録し、その位相差の記録を集計して得られる度数分布から光子到来タイミング領域(ピーク範囲TPK)を検出する。したがって、送信側から別送されるクロック信号を用いることなく、APD出力がピーク範囲TPKのタイミングであれば光子信号、それ以外のタイミングであればダークノイズと判定することができ、ダークノイズを除去して受信光子信号のSN比を改善することができる。
1.6) Effect As described above, according to the present embodiment, the phase difference between the rising timing of the output waveform of the APD and the GGM bias application timing of the APD is recorded, and the recording of the phase difference is obtained. The photon arrival timing region (peak range T PK ) is detected from the frequency distribution. Therefore, without using a clock signal sent separately from the transmission side, it is possible to determine that the APD output is a photon signal if it is in the peak range T PK , and that it is dark noise if the timing is other than that, thus eliminating dark noise. Thus, the S / N ratio of the received photon signal can be improved.

したがって、GGMパルス幅を広げることによってダークノイズが増加してもSN比の劣化を回避することができるために、GGMによる光子受信の位相トレランスを緩和することが可能になる。位相トレランスが緩和されると、光子到達とGGMパルスの精密な位相調整が不要となるので動作が安定し設計も容易になる。   Therefore, even if dark noise increases by widening the GGM pulse width, deterioration of the SN ratio can be avoided, so that the phase tolerance of photon reception by GGM can be reduced. When the phase tolerance is relaxed, it is not necessary to reach the photon and precise phase adjustment of the GGM pulse, so that the operation is stable and the design is facilitated.

2.第2実施形態
上述した第1実施形態では、図4に示すように光子の到達タイミングの範囲(ピーク範囲TPK)が変化しない場合を説明したが、実際は光ファイバの温度変化等の影響で光子の到達タイミングは変化しうる。光子到来タイミングが時間と共に変化している場合には、GGMタイミングs20の時間幅でGGMタイミングs20の周期毎にDS(0)〜DS(m−1)を読み出し度数分布を作成しても十分に明瞭なピークが現れないことがある。なぜならば、時間の変化とともに、比較的頻度の高い光子信号の発生が徐々にシフトしてピークが分散してしまうからである。
2. Second Embodiment In the first embodiment described above, the case where the photon arrival timing range (peak range T PK ) does not change as shown in FIG. 4 has been described. However, in actuality, the photon is affected by the temperature change of the optical fiber. The arrival timing of can vary. When the photon arrival timing changes with time, it is sufficient to read out DS (0) to DS (m−1) for each period of the GGM timing s20 with the time width of the GGM timing s20 and create a frequency distribution. A clear peak may not appear. This is because, as time changes, the generation of relatively frequent photon signals is gradually shifted and the peaks are dispersed.

このような位相変化の主因は、ファイバや電子部品の温度変化による遅延変動であり急激な変化にはならない。信号処理の時間スケールからみれば、直線的な変化として近似して差し支えないものである。また、送受信間でクロックの別送を行わずに個別に高精度なクロック源を有するシステムであっても、そのクロック源の周波数差が非常に小さい場合には同様に直線的な変化として近似することができる。たとえば2つのクロック源からのクロック信号1周期毎の位相差の変化量がAPDのGGMパルス幅に対して非常に小さいとみなせる場合には、直線的な変化に近似可能である。   The main cause of such a phase change is a delay variation due to a temperature change of the fiber or electronic component, and does not become a sudden change. From the time scale of signal processing, it can be approximated as a linear change. In addition, even in a system with a highly accurate clock source without separately sending clocks between transmission and reception, if the frequency difference between the clock sources is very small, it should be similarly approximated as a linear change. Can do. For example, if the amount of change in the phase difference for each cycle of the clock signals from the two clock sources can be considered to be very small relative to the AGM GGM pulse width, it can be approximated to a linear change.

したがって、上記度数分布のピークが分散している場合、ピークの頂上が平坦になっている場合、ピーク分布の幅が所定値より広がっているために有意味なタイミング検出ができない場合、あるいは度数分布のピークとバックグランドとの比(コントラスト比)が所定のしきい値より小さい場合には、位相差が時間に対してある一定の割合で直線的に変化していると仮定し、その変化の割合を求める。その変化の割合を補正係数αとしてAPDの出力信号の立ち上がりタイミングを補正すれば、第1実施形態と同様に光子信号であるか否かを識別することが可能となる。本発明の第2実施形態によれば、この補正係数αを用いたオフセット処理により光子到来タイミングの時間的変化に対応する。   Therefore, when the peaks of the frequency distribution are dispersed, when the top of the peak is flat, when the peak distribution width is wider than the predetermined value, meaningful timing detection cannot be performed, or the frequency distribution If the peak-to-background ratio (contrast ratio) is smaller than a predetermined threshold, the phase difference is assumed to change linearly at a certain rate with respect to time, and the change Find the percentage. If the rising rate of the output signal of the APD is corrected using the rate of change as the correction coefficient α, it is possible to identify whether the signal is a photon signal as in the first embodiment. According to the second embodiment of the present invention, the offset process using the correction coefficient α corresponds to the temporal change of the photon arrival timing.

2.1)回路構成の概略
図6は本発明の第2実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図である。本実施形態における信号処理回路6の演算回路群60は、図2に示す構成にオフセット処理部66およびカウンタ67を追加した構成を有する。その他のブロックは、図1および図2に示すブロックと同一機能を有するので同一参照番号を付している。
2.1) Outline of Circuit Configuration FIG. 6 is a block diagram illustrating in more detail the functional configuration of the signal processing circuit 6 in the photon receiver according to the second embodiment of the present invention. The arithmetic circuit group 60 of the signal processing circuit 6 in this embodiment has a configuration in which an offset processing unit 66 and a counter 67 are added to the configuration shown in FIG. The other blocks have the same functions as the blocks shown in FIG. 1 and FIG.

メモリ65には、第1実施形態と同様に、m個のDS(0)〜DS(m−1)が蓄積されるが、その際、各データセットDS(j)に対応するGGMタイミング信号s20のカウント数がカウンタ67によりカウントされメモリ65に蓄積される。上述したように、フィルタ61によって無信号サンプリングデータs6はメモリ65に蓄積されないので、その時間に相当するカウント値を対応づけて蓄積しておくことで、各データセットDS(j)と実際の時間経過とを対応づけている。カウンタ67はm個のDS(0)〜DS(m−1)の実際の時間経過を十分カバーできるカウント容量を有するものとする。   Similarly to the first embodiment, m DS (0) to DS (m−1) are stored in the memory 65. At this time, the GGM timing signal s20 corresponding to each data set DS (j) is stored. Are counted by the counter 67 and stored in the memory 65. As described above, since the no-signal sampling data s6 is not accumulated in the memory 65 by the filter 61, each data set DS (j) and the actual time can be stored by associating the count value corresponding to that time. Corresponding to the course. The counter 67 is assumed to have a count capacity that can sufficiently cover the actual time passage of m DS (0) to DS (m−1).

演算回路群60の度数分布生成部62は、第1実施形態で説明したように、メモリ65に蓄積されたデータセットDS(0)〜DS(m−1)から度数分布を生成し、ピーク検出部63は度数分布から分布のピークを含む時間領域(ピーク範囲)TPKを検出しようとする。その際、ピーク検出部63が度数分布からピークを検出できなかった場合は、その旨がオフセット処理部66へ通知される。 As described in the first embodiment, the frequency distribution generation unit 62 of the arithmetic circuit group 60 generates a frequency distribution from the data sets DS (0) to DS (m−1) stored in the memory 65, and performs peak detection. The unit 63 tries to detect a time region (peak range) T PK including a distribution peak from the frequency distribution. At this time, if the peak detection unit 63 cannot detect a peak from the frequency distribution, the fact is notified to the offset processing unit 66.

ピーク検出不能の通知を受けると、オフセット処理部66はメモリ65からm個のDS(0)〜DS(m−1)と時間経過を示すカウント値を読み出し、後述するように、データセットの立ち上がりタイミングの経時変化に最も良く合致する補正係数αを直線近似により求める。そして、オフセット処理部66は、新たなデータセットDS(m)の立ち上がりタイミングが補正係数αで規定される変化に合致するか否かによって、その立ち上がりが光子受信かダークノイズかを判定する。以下、オフセット処理の具体例を詳細に説明する。   Upon receiving the notification that the peak cannot be detected, the offset processing unit 66 reads m DS (0) to DS (m−1) and the count value indicating the passage of time from the memory 65, and the rising edge of the data set as will be described later. A correction coefficient α that best matches the change in timing with time is obtained by linear approximation. Then, the offset processing unit 66 determines whether the rising edge is a photon reception or dark noise depending on whether the rising timing of the new data set DS (m) matches the change defined by the correction coefficient α. Hereinafter, a specific example of the offset process will be described in detail.

2.2)オフセット処理(例1)
図7はオフセット処理部の内部機能構成を示すブロック図であり、図8はオフセット処理を行っていないデータセットDSの立ち上がりタイミングの一例を示すタイムチャートである。
2.2) Offset processing (Example 1)
FIG. 7 is a block diagram showing an internal functional configuration of the offset processing unit, and FIG. 8 is a time chart showing an example of the rising timing of the data set DS that is not subjected to the offset processing.

図7において、オフセット処理部66は、オフセット処理を制御するプログラム制御プロセッサ66.1と、図8に示すデータセット群を格納するメモリ66.2とを有し、さらにパターン検出部66.3および傾きα決定部66.4を機能的に含んでいる。パターン検出部66.3および傾きα決定部66.4はプロセッサ66.1上でプログラムを実行するにより実現することもできる。   7, the offset processing unit 66 includes a program control processor 66.1 that controls the offset processing, and a memory 66.2 that stores a data set group illustrated in FIG. 8, and further includes a pattern detection unit 66.3 and An inclination α determining unit 66.4 is functionally included. The pattern detection unit 66.3 and the inclination α determination unit 66.4 can also be realized by executing a program on the processor 66.1.

図8に示すように、プロセッサ66.1は、周期的に取得されたDS(i)について、信号発生のタイミングの時間T(i)をクロックの値としてメモリ66.2に記録する。等間隔の周期の順序(データセット番号)iと各周期での信号発生時間T(i)とからなる空間でプロットすると、たとえば図8に示すような分布が得られる。信号の発生は、GGMパルスの幅に相当するクロックのA〜Dの範囲に存在する。図8の例では、信号発生が無かった周期はi=2,5〜7となっている。   As shown in FIG. 8, the processor 66.1 records the time T (i) of signal generation timing in the memory 66.2 as a clock value for the DS (i) acquired periodically. When plotting in a space composed of the sequence of equally spaced periods (data set number) i and the signal generation time T (i) in each period, for example, a distribution as shown in FIG. 8 is obtained. The generation of the signal exists in the range of A to D of the clock corresponding to the width of the GGM pulse. In the example of FIG. 8, the period in which no signal is generated is i = 2, 5-7.

上述したようにドリフトした信号発生タイミングは傾きαで斜めに分布し、ノイズ発生は周囲にランダムに分布している。したがって、プロットされたデータ(i, T(i))を何らかの方法で1次関数で近似することができれば、その傾きαを用いて信号発生をノイズ発生から区別することができる。   As described above, the drifted signal generation timing is distributed obliquely with the inclination α, and the noise generation is randomly distributed around. Therefore, if the plotted data (i, T (i)) can be approximated by a linear function by any method, the signal generation can be distinguished from the noise generation using the slope α.

一次関数近似を行う方法としては最小自乗法を用いることができるが、これに限定されない。図8に示すようにプロットされたデータ(i, T(i))は2次元に分布した離散信号とみなすことができるので、その中から特徴的な分布の信号群をノイズから分離して抽出する画像処理の手法を利用することも可能である。たとえば、2次元のフーリエ変換を用いて、幅A−Dの全般に分布したノイズの中からαに傾く信号の列を抽出することができる。また、2次元に分布した離散信号を画像とすれば、その中から直線を抽出するハフ変換(Hough Transform)を使用することもできる。   As a method of performing the linear function approximation, a least square method can be used, but the method is not limited thereto. As shown in Fig. 8, the plotted data (i, T (i)) can be regarded as two-dimensionally distributed discrete signals. It is also possible to use an image processing technique. For example, a two-dimensional Fourier transform can be used to extract a sequence of signals inclined to α from noise distributed over the entire width A to D. Further, if a discrete signal distributed two-dimensionally is used as an image, a Hough Transform that extracts a straight line from the image can be used.

図9は本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作の一例を示すフローチャートである。図9は、図5のステップS103の代わりにパターン検出ステップS201および一次関数近似によるα決定ステップS202が配置されていること以外は図5のステップと同じである。   FIG. 9 is a flowchart showing an example of the photon reception determination operation of the signal processing circuit 6 according to the present embodiment. FIG. 9 is the same as the step in FIG. 5 except that a pattern detection step S201 and an α determination step S202 by linear function approximation are arranged instead of step S103 in FIG.

まず、プロセッサ66.1は、周期的に取得されたDS(i)について信号発生のタイミングの時間T(i)をクロックの値としてメモリ66.2に格納する(ステップS102)。続いて、有信号パターン検出部66.3は、メモリ66.2に格納された分布データから最小自乗法あるいは2次元フーリエ変換等の方法を用いて一次関数で近似する(ステップS201)。そして、傾きα決定部66.4は得られた一次関数から傾きαを決定する(ステップS202)。   First, the processor 66.1 stores the signal generation timing time T (i) in the memory 66.2 as a clock value for the periodically acquired DS (i) (step S102). Subsequently, the signal pattern detection unit 66.3 approximates the distribution data stored in the memory 66.2 with a linear function using a method such as a least square method or a two-dimensional Fourier transform (step S201). Then, the inclination α determining unit 66.4 determines the inclination α from the obtained linear function (step S202).

こうして傾きαが決定されると、ピーク検出部63はオフセット処理後の度数分布からピーク範囲TPKを検出する(ステップS104)。ピーク範囲TPKが与えられると、比較判定部64は、オフセット処理されたデータセットDS(α,m)の信号立ち上がり時間とピーク範囲TPKとを比較する(ステップS105)。以下、図5で説明したように、データセットDS(α,m)の立ち上がりタイミングがピーク範囲TPK内にあれば、最新の有信号サンプリングデータs7は光子信号である(光子検出)と判定され(ステップS106)、ピーク範囲TPK以外で立ち上がっていればダークノイズであると判定される(ステップS108)。 When the inclination α is determined in this way, the peak detector 63 detects the peak range T PK from the frequency distribution after the offset process (step S104). When the peak range T PK is given, the comparison / determination unit 64 compares the signal rise time of the offset-processed data set DS (α, m) with the peak range T PK (step S105). Hereinafter, as described with reference to FIG. 5, if the rising timing of the data set DS (α, m) is within the peak range T PK , the latest signaled sampling data s7 is determined to be a photon signal (photon detection). (Step S106) If it has risen outside the peak range T PK , it is determined that it is dark noise (Step S108).

2.3)オフセット処理(例2)
上述したドリフトに対応する一次関数の傾きαの決定は度数分布をモニタしながら行うこともできる。
2.3) Offset processing (example 2)
The determination of the slope α of the linear function corresponding to the above-described drift can be performed while monitoring the frequency distribution.

図10(A)はオフセット処理を行っていないデータセットDSの立ち上がりタイミングの一例を示すタイムチャートであり、(B)は本実施形態による光子受信によりオフセット処理されたデータセットDS(α、j)の立ち上がりタイミングを示すタイムチャートである。なお、図10(A)および(B)における波形a)〜e)の説明は、オフセット処理によるタイミングのドリフトとその補正を除けば図4と同じであるが、それぞれの波形c)は、図8と同様に、周期的に取得されたDS(i)について信号発生のタイミングの時間T(i)をクロックの値としてメモリに格納されたものとする。   FIG. 10A is a time chart showing an example of the rising timing of the data set DS that has not been subjected to the offset processing, and FIG. 10B is a data set DS (α, j) that has been offset processed by photon reception according to the present embodiment. It is a time chart which shows the rise timing. The explanation of waveforms a) to e) in FIGS. 10A and 10B is the same as that in FIG. 4 except for timing drift due to offset processing and its correction, but each waveform c) is shown in FIG. Similarly to FIG. 8, it is assumed that the time T (i) of signal generation timing is stored in the memory as a clock value for DS (i) acquired periodically.

図10(A)の波形c)に示すオフセット処理を行わないデータセットDS(0)〜DS(m−1)から度数分布を生成すると、図10(A)の波形d)に示すように明瞭なピークがない分布となり、ピーク検出部63は光子到達のタイミングを検出できない。この場合、オフセット処理部66はメモリ65に蓄積されたデータセットDS(0)〜DS(m−1)のそれぞれの立ち上がりタイミングがある程度直線的にならぶ斜めの直線を探索する。探索方法の詳細は後述するが、直線の傾斜を変化させながらピーク検出部63のピーク値が最も大きくなる傾斜(比例定数)αを発見するという方法を用いる。   When the frequency distribution is generated from the data sets DS (0) to DS (m−1) that are not subjected to the offset processing shown in the waveform c) of FIG. 10A, the frequency distribution is clear as shown in the waveform d) of FIG. Therefore, the peak detection unit 63 cannot detect the arrival timing of the photons. In this case, the offset processing unit 66 searches for an oblique straight line in which the rising timings of the data sets DS (0) to DS (m−1) stored in the memory 65 are linear to some extent. Although the details of the search method will be described later, a method of finding an inclination (proportional constant) α that maximizes the peak value of the peak detection unit 63 while changing the inclination of the straight line is used.

図10(A)に示す例において、DS(0)からDS(m−1)へ向けた時間経過に対して傾斜αの直線上で近似される速度の位相ドリフトが存在しているとすれば、時間に比例する定数αで各データセットの立ち上がりタイミングをオフセット処理することで図10(B)に示すようにある特定のタイミング範囲(ここではB−C期間)でピーク検出器63から最も大きなコントラストが得られるはずである。   In the example shown in FIG. 10A, if there is a phase drift of a speed approximated on a straight line with a slope α with respect to the time passage from DS (0) to DS (m−1). By offset processing the rising timing of each data set with a constant α proportional to time, the peak detector 63 is the largest in a specific timing range (here, BC period) as shown in FIG. Contrast should be obtained.

図10(B)に示すように、最適な補正係数αを選択し、同様のオフセット処理をすべてのデータセットに対して施すことで、サンプリングクロックのB−C間で度数分布に明瞭なピークが出現する。このピーク範囲をTPKとして比較判定部64へ出力する。新たなデータセットDS(m)に対して同様のオフセット処理を行ったDS(α、m)とピーク範囲TPKとを比較することで、新たなデータセットDS(m)は、GGMタイミング信号s20の終了間際に現れた非常に小さいパルスであるが、光子信号であると識別することができる。 As shown in FIG. 10B, by selecting the optimum correction coefficient α and applying the same offset process to all data sets, a clear peak is found in the frequency distribution between B and C of the sampling clock. Appear. The peak range is output to the comparison determination unit 64 as T PK . The new data set DS (m) is converted into the GGM timing signal s20 by comparing the DS (α, m) obtained by performing the same offset processing on the new data set DS (m) with the peak range T PK. Although it is a very small pulse that appears just before the end of, it can be identified as a photon signal.

図11(A)は本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作を示すフローチャートであり、(B)はそのサブプロシジャとして最適度数分布生成動作を示すフローチャートである。図11(A)は、図5のステップS103の代わりに最適度数分布生成ステップS300が配置されていること以外は図5のステップと同じなので、以下、図11(B)の最適度数分布生成ステップS300について説明する。   FIG. 11A is a flowchart showing the photon reception determination operation of the signal processing circuit 6 according to this embodiment, and FIG. 11B is a flowchart showing the optimum frequency distribution generation operation as its subprocedure. FIG. 11A is the same as the step in FIG. 5 except that an optimum frequency distribution generation step S300 is arranged instead of step S103 in FIG. 5, and hence the optimum frequency distribution generation step in FIG. S300 will be described.

図11(B)において、オフセット処理部66は、変数aを用いて、オフセット係数の範囲を最適値αが含まれるであろう範囲a1〜a2に定め、変数aを精度dで順次変更させながら以下のステップを実行する(ステップS301)。   In FIG. 11B, the offset processing unit 66 uses the variable a to determine the range of the offset coefficient as the range a1 to a2 that will include the optimum value α, and sequentially changes the variable a with accuracy d. The following steps are executed (step S301).

まず、すべてのデータセットDS(0)〜DS(m−1)に対して変数aで決まるタイミングのオフセット処理を行い、DS(a,0)〜DS(a,m−1)を生成する(ステップS302)。DS(a,0)〜DS(a,m−1)から度数分布生成部62が度数分布を作成する(ステップS303)。この度数分布からピーク検出部63はピークの位置とそのピークコントラストとを計算し保存する(ステップS304)。ここでピークコントラストとはピークとバックグラウンドの度数比をいう。ある変数aの値についてピークの位置とピークコントラストとが求まると、変数aをdだけ変化させ、以下同様にステップS302〜S304を実行する。   First, all data sets DS (0) to DS (m−1) are subjected to offset processing determined by a variable a to generate DS (a, 0) to DS (a, m−1) ( Step S302). The frequency distribution generation unit 62 creates a frequency distribution from DS (a, 0) to DS (a, m-1) (step S303). From this frequency distribution, the peak detector 63 calculates and stores the peak position and its peak contrast (step S304). Here, the peak contrast refers to the frequency ratio between the peak and the background. When the peak position and the peak contrast are obtained for the value of a certain variable a, the variable a is changed by d, and steps S302 to S304 are executed in the same manner.

このようにしてa1からa2までのすべての変数aについてピークの位置およびピークコントラストが求まると(ステップS301の終了)、オフセット処理部66は度数分布のピークコントラストが最も大きくなる変数aの値をオフセット係数αとして決定する(ステップS305)。こうして得られたオフセット係数αは、図8あるいは図10(A)の最適傾斜αに相当する。   When the peak positions and peak contrasts are obtained for all the variables a1 to a2 in this way (end of step S301), the offset processing unit 66 offsets the value of the variable a that maximizes the peak contrast of the frequency distribution. The coefficient α is determined (step S305). The offset coefficient α thus obtained corresponds to the optimum inclination α in FIG. 8 or FIG.

続いて、度数分布生成部62はオフセット係数αを用いてオフセット処理されたDS(α,0)〜DS(α,m−1)から度数分布を作成し(ステップS306)、メインプロシジャに戻る。以下、上述したステップS104〜S110が実行される。   Subsequently, the frequency distribution generation unit 62 creates a frequency distribution from DS (α, 0) to DS (α, m−1) offset using the offset coefficient α (step S306), and returns to the main procedure. Thereafter, steps S104 to S110 described above are executed.

このように、変数aをオフセットの比例定数とし、有限の範囲a1〜a2内で十分な精度dで変化させながら度数分布のコントラストを演算する。第1実施形態のように光子信号のAPD到達とGGMパルスとの相対的な位相が固定している場合には、変数aを変化させない状態で度数分布に明瞭なピークが出現し、光子到達の位相が判明する。これに対して相対位相がドリフトしている場合には、変数aがある値に設定されたときの度数分布に最大ピークコントラストが現れる。このようにある有限範囲で変数aを変化させながら度数分布のピークコントラストを計算し、その最大ピークコントラストを与える変数aの値を最適補正係数αとして決定する。このαを用いて最新のデータセットDS(m)をオフセット処理し、DS(α,m)に対して第1実施形態と同様の光子受信判定を行う。   In this way, the contrast of the frequency distribution is calculated while the variable a is a proportional constant of the offset and is changed with sufficient accuracy d within the finite range a1 to a2. When the relative phase between the APD arrival of the photon signal and the GGM pulse is fixed as in the first embodiment, a clear peak appears in the frequency distribution without changing the variable a, and the photon arrival The phase is revealed. On the other hand, when the relative phase drifts, the maximum peak contrast appears in the frequency distribution when the variable a is set to a certain value. In this way, the peak contrast of the frequency distribution is calculated while changing the variable a in a certain finite range, and the value of the variable a giving the maximum peak contrast is determined as the optimum correction coefficient α. The latest data set DS (m) is offset using this α, and the same photon reception determination as in the first embodiment is performed on DS (α, m).

3.第3実施形態
本発明の第3実施形態による光子受信器は、第2実施形態で求めた補正係数αを用いることでGGMタイミング信号s20を位相ドリフトに追従させる構成を有する。
3. Third Embodiment A photon receiver according to a third embodiment of the present invention has a configuration in which the GGM timing signal s20 follows the phase drift by using the correction coefficient α obtained in the second embodiment.

図12は本発明の第3実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図である。本実施形態における光子受信器には、タイミング生成回路71にドリフト補正回路71aが接続され、ドリフト補正されたGGMタイミング信号s20αが電源回路1および信号処理回路6へ供給される点が図6に示す回路と異なっている。その他の構成および動作は図6に示す第2実施形態のものと同一であるから、同一機能を有するものは同一参照番号が付して説明は省略する。   FIG. 12 is a block diagram illustrating in more detail the functional configuration of the signal processing circuit 6 in the photon receiver according to the third embodiment of the present invention. FIG. 6 shows that the drift correction circuit 71a is connected to the timing generation circuit 71 and the drift-corrected GGM timing signal s20α is supplied to the power supply circuit 1 and the signal processing circuit 6 in the photon receiver in this embodiment. It is different from the circuit. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment shown in FIG. 6, those having the same functions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

オフセット処理部66は光子到達とGGMタイミングとの相対位相のドリフトを補正する補正係数αを算出して光子受信判定に利用するが、本実施形態による光子受信器はドリフト補正回路71aを設けることで、この比例定数であるαが零になるようにGGMタイミングを補正するフィードバック機能を有する。   The offset processing unit 66 calculates a correction coefficient α for correcting the relative phase drift between the arrival of the photon and the GGM timing and uses it for photon reception determination. However, the photon receiver according to the present embodiment is provided with the drift correction circuit 71a. And a feedback function for correcting the GGM timing so that α, which is the proportionality constant, becomes zero.

ドリフト補正回路71aはタイミング生成回路71からGGMタイミング信号s20を入力し、補正係数αをオフセット処理部66から入力する。ドリフト補正回路71aは、補正係数αが零になるようにGGMタイミング信号s20を修正する。たとえば、図8に示すような補正係数αが検索されると、このαが零になるようにGGMタイミング信号s20の位相を変化させる。これによりドリフト補正されたGGMタイミング信号s20αに同期したGGMバイアス電圧がAPD2に印加され、結果的に図10(B)に示すようにGGMタイミング信号の一定のタイミング領域(B−C期間)で信号の立ち上がりが検出されるようになる。   The drift correction circuit 71 a receives the GGM timing signal s 20 from the timing generation circuit 71 and the correction coefficient α from the offset processing unit 66. The drift correction circuit 71a corrects the GGM timing signal s20 so that the correction coefficient α becomes zero. For example, when a correction coefficient α as shown in FIG. 8 is searched, the phase of the GGM timing signal s20 is changed so that α becomes zero. As a result, a GGM bias voltage synchronized with the drift-corrected GGM timing signal s20α is applied to the APD 2, and as a result, as shown in FIG. 10B, the signal is output in a certain timing region (B-C period) of the GGM timing signal. Rising edge is detected.

このドリフト補正手法を用いることで、光子からクロック信号を抽出する、あるいは、別にクロック伝送を行うなどの複雑な手法を用いることなく、光子到来タイミングに対してGGMタイミングの位相を追従させることが可能となる。   By using this drift correction method, it is possible to follow the phase of the GGM timing with respect to the photon arrival timing without using a complicated method such as extracting a clock signal from the photon or performing another clock transmission. It becomes.

ドリフト補正回路71aは、具体的には、可変遅延回路を用いることで実現が可能である。あるいは、位相ロックループPLLや遅延ロックループDLLを用いることも可能である。なお、同様のドリフト補正回路71aを基準クロック生成回路70の直後に挿入し、基準クロックs1をドリフト補正することで同様の効果を得ることも可能である。   Specifically, the drift correction circuit 71a can be realized by using a variable delay circuit. Alternatively, a phase lock loop PLL or a delay lock loop DLL can be used. It is also possible to obtain the same effect by inserting the same drift correction circuit 71a immediately after the reference clock generation circuit 70 and correcting the drift of the reference clock s1.

4.適用例(1)
本発明による光子受信器は量子暗号鍵配布システムの受信側光子検出回路に適用可能である。特にPlug&Play方式の量子暗号鍵配布システムは、光ファイバ伝送路における偏光の揺らぎを補償することができるため、偏光に敏感な量子暗号鍵配布システムを実用化するための方式として期待されている。
4). Application example (1)
The photon receiver according to the present invention can be applied to a receiving-side photon detection circuit of a quantum key distribution system. In particular, the Plug & Play quantum encryption key distribution system can compensate for polarization fluctuations in an optical fiber transmission line, and thus is expected as a method for putting a polarization sensitive quantum encryption key distribution system into practical use.

図13は、Plug&Play方式量子暗号鍵配布システムの送信器の概略的構成を示すブロック図、図14は本発明の第3実施形態による光子受信器を適用したPlug&Play方式量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。   FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of a transmitter of the Plug & Play quantum key distribution system, and FIG. 14 is a receiver of the Plug & Play quantum encryption key distribution system to which the photon receiver according to the third embodiment of the present invention is applied. It is a block diagram which shows schematic structure of these.

図14に示すように、受信器50にクロック源51が設けられ、その基準クロック信号にしたがってレーザ光源52が光パルスPを生成する。また、基準クロック信号はタイミング生成回路71へ供給される。ただし、タイミング生成回路71にはドリフト補正回路71aが組み込まれているものとする。タイミング生成回路71は信号処理回路6からの補正係数αに従ってGGMタイミング信号s20αを生成し、上述したように、このGGMタイミング信号s20αに従って2つのAPD0およびAPD1にGGMバイアス電圧が印加される。したがって、光パルスPの生成タイミングは基準クロック信号に同期し、APD0およびAPD1のGGMタイミングは基準クロック信号に従属し伝送路24による遅延変動等を補償したものとなる。   As shown in FIG. 14, the receiver 50 is provided with a clock source 51, and the laser light source 52 generates an optical pulse P according to the reference clock signal. The reference clock signal is supplied to the timing generation circuit 71. However, it is assumed that the timing generation circuit 71 includes a drift correction circuit 71a. The timing generation circuit 71 generates the GGM timing signal s20α according to the correction coefficient α from the signal processing circuit 6, and as described above, the GGM bias voltage is applied to the two APD0 and APD1 according to the GGM timing signal s20α. Therefore, the generation timing of the optical pulse P is synchronized with the reference clock signal, and the GGM timings of APD0 and APD1 are subordinate to the reference clock signal and compensate for delay variation caused by the transmission path 24.

まず、図14において、レーザ光源52から出射された光パルスPは光サーキュレータCIRを通して光カプラCPLにより2分割され、一方の光パルスP1はそのまま短いパス(Short Path)を通って偏光ビームスプリッタPBSへ、他方の光パルスP2は位相変調器54のある長いパス(Long Path)を通って偏光ビームスプリッタPBSへ導かれ、ダブルパルスとして伝送路24へ送出される。また、基準クロック信号は別のチャネルを通して送信器10へ送出され、送信器10で折り返されて戻ってくることで送信器10と受信器50が同期して動作する。   First, in FIG. 14, an optical pulse P emitted from a laser light source 52 is divided into two by an optical coupler CPL through an optical circulator CIR, and one optical pulse P1 passes through a short path as it is to a polarization beam splitter PBS. The other optical pulse P2 is guided to the polarization beam splitter PBS through a long path having a phase modulator 54, and is transmitted to the transmission line 24 as a double pulse. In addition, the reference clock signal is sent to the transmitter 10 through another channel, and the transmitter 10 and the receiver 50 operate in synchronization by being returned by being returned by the transmitter 10.

図13において送信器10にはファラデーミラー21と位相変調器22が設けられ、受信した光パルスP1およびP2はファラデーミラー21で反射することで偏光状態が90度回転し、可変光減衰器13を通して受信器50へ返送される。その際、位相変調器22は光パルスP2が通過するタイミングで光パルスP2を位相変調し、位相変調された光パルスP2*aが受信器50へ返送される。 In FIG. 13, the transmitter 10 is provided with a Faraday mirror 21 and a phase modulator 22, and the received optical pulses P 1 and P 2 are reflected by the Faraday mirror 21, so that the polarization state is rotated by 90 degrees and passes through the variable optical attenuator 13. Returned to the receiver 50. At that time, the phase modulator 22 phase-modulates the optical pulse P2 at a timing when the optical pulse P2 passes, and the phase-modulated optical pulse P2 * a is returned to the receiver 50.

受信器50の偏光ビームスプリッタPBSは、送信器10から受信した光パルスP1およびP2*aの偏光状態が90度回転していることから、これら受信パルスをそれぞれ送信時とは異なるパスへ導く。すなわち受信した光パルスP1は長いパスを通り、位相変調器54を通過するタイミングで位相変調され、位相変調された光パルスP1*bが光カプラCPLに到達する。他方、送信器10で位相変調された光パルスP2*aは送信時とは異なる短いパスを通って同じく光カプラCPLに到達する。したがって、送信器10で位相変調された光パルスP2*aと受信器50で位相変調された光パルスP1*bとが干渉し、その結果が光子検出器APD0またはAPD1により検出される。 Since the polarization state of the optical pulses P1 and P2 * a received from the transmitter 10 is rotated by 90 degrees, the polarization beam splitter PBS of the receiver 50 guides these received pulses to paths different from those at the time of transmission. That is, the received optical pulse P1 passes through a long path and is phase-modulated at a timing when it passes through the phase modulator 54, and the phase-modulated optical pulse P1 * b reaches the optical coupler CPL. On the other hand, the optical pulse P2 * a phase-modulated by the transmitter 10 similarly reaches the optical coupler CPL through a short path different from that at the time of transmission. Therefore, the optical pulse P2 * a phase-modulated by the transmitter 10 interferes with the optical pulse P1 * b phase-modulated by the receiver 50, and the result is detected by the photon detector APD0 or APD1.

このような構成を有するPlug&Play方式の受信器50に本発明の第3実施形態による光子受信器を適用することで、光ファイバ伝送路24の温度変化等の影響で光子の到達タイミングは変化する場合であっても、実際の光子到達タイミングに合わせてGGMバイアス電圧をAPD0およびAPD1に印加することができ、暗号鍵の生成効率を大きく向上させることができる。   When the photon receiver according to the third embodiment of the present invention is applied to the Plug & Play receiver 50 having such a configuration, the arrival timing of the photons changes due to the temperature change of the optical fiber transmission line 24 or the like. Even so, the GGM bias voltage can be applied to the APD0 and APD1 in accordance with the actual photon arrival timing, and the encryption key generation efficiency can be greatly improved.

5.適用例(2)
図15は、単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの送信器の概略的構成を示すブロック図、図16は本発明の第3実施形態による光子受信器を適用した単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。
5. Application example (2)
FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of a transmitter of a unidirectional transmission quantum encryption key distribution system, and FIG. 16 is a unidirectional transmission quantum encryption to which a photon receiver according to a third embodiment of the present invention is applied. It is a block diagram which shows the schematic structure of the receiver of a key distribution system.

図15に示すように、送信器10にクロック源11が設けられ、その基準クロック信号に同期してレーザ光源LDから光パルス列が出射し、短いパスに設けられた位相変調器22で位相変調され、長いパスを通った光パルスと相前後して可変光減衰器13を通して光ファイバ伝送路24へ送出される。また、基準クロック信号は別チャネルを通して受信器50へ送出される。   As shown in FIG. 15, the transmitter 10 is provided with a clock source 11, an optical pulse train is emitted from the laser light source LD in synchronization with the reference clock signal, and phase-modulated by a phase modulator 22 provided in a short path. The optical pulse passing through the long path is sent to the optical fiber transmission line 24 through the variable optical attenuator 13 in tandem with the optical pulse. The reference clock signal is sent to the receiver 50 through another channel.

図16に示すように、受信器50は送信器10から受信した基準クロック信号をタイミング生成回路71へ供給する。ただし、タイミング生成回路71にはドリフト補正回路71aが組み込まれているものとする。タイミング生成回路71は信号処理回路6からの補正係数αに従ってGGMタイミング信号s20αを生成し、上述したように、このGGMタイミング信号s20αに従って2つのAPD0およびAPD1にGGMバイアス電圧が印加される。したがって、送信器10において光パルスPの生成タイミングは基準クロック信号に同期し、受信器50においてAPD0およびAPD1のGGMタイミングは基準クロック信号に従属し伝送路24による遅延変動等を補償したものとなる。   As shown in FIG. 16, the receiver 50 supplies the reference clock signal received from the transmitter 10 to the timing generation circuit 71. However, it is assumed that the timing generation circuit 71 includes a drift correction circuit 71a. The timing generation circuit 71 generates the GGM timing signal s20α according to the correction coefficient α from the signal processing circuit 6, and as described above, the GGM bias voltage is applied to the two APD0 and APD1 according to the GGM timing signal s20α. Therefore, the generation timing of the optical pulse P is synchronized with the reference clock signal in the transmitter 10, and the GGM timing of APD0 and APD1 is dependent on the reference clock signal in the receiver 50 and compensates for delay variation and the like due to the transmission path 24. .

6.適用例(3)
図17は本発明の第3実施形態による光子受信器を適用した単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。送信器10は図15に示すものと同一である。
6). Application example (3)
FIG. 17 is a block diagram showing a schematic configuration of a receiver of a unidirectional transmission quantum encryption key distribution system to which a photon receiver according to a third embodiment of the present invention is applied. The transmitter 10 is the same as that shown in FIG.

図17において、受信器50にクロック源51が設けられ、その基準クロック信号はタイミング生成回路71へ供給される。ただし、タイミング生成回路71にはドリフト補正回路71aが組み込まれているものとする。タイミング生成回路71は信号処理回路6からの補正係数αに従ってGGMタイミング信号s20αを生成し、上述したように、このGGMタイミング信号s20αに従って2つのAPD0およびAPD1にGGMバイアス電圧が印加される。したがって、送信器10ではクロック源11に同期して光パルスが生成され、受信器50ではAPD0およびAPD1のGGMタイミングがクロック源51の基準クロック信号に従属し伝送路24による遅延変動等を補償したものとなる。   In FIG. 17, the receiver 50 is provided with a clock source 51, and the reference clock signal is supplied to the timing generation circuit 71. However, it is assumed that the timing generation circuit 71 includes a drift correction circuit 71a. The timing generation circuit 71 generates the GGM timing signal s20α according to the correction coefficient α from the signal processing circuit 6, and as described above, the GGM bias voltage is applied to the two APD0 and APD1 according to the GGM timing signal s20α. Accordingly, an optical pulse is generated in the transmitter 10 in synchronization with the clock source 11, and in the receiver 50, the GGM timing of the APD0 and APD1 is subordinate to the reference clock signal of the clock source 51 to compensate for delay variation due to the transmission line 24, etc. It will be a thing.

既に述べたように、送信器10および受信器50において個別に高精度なクロック源11および51を有するシステムであっても、そのクロック源の周波数差が非常に小さい場合には、第2実施形態で説明したように位相ドリフトを直線的な変化として近似することができる。たとえば2つのクロック源11および51の基準クロック信号1周期毎の位相差の変化量がAPD0およびAPD1のGGMパルス幅に対して非常に小さいとみなせる場合には、直線的な変化に近似可能である。   As already described, even in the system having the high-accuracy clock sources 11 and 51 individually in the transmitter 10 and the receiver 50, when the frequency difference between the clock sources is very small, the second embodiment As described above, the phase drift can be approximated as a linear change. For example, when the change amount of the phase difference for each period of the reference clock signals of the two clock sources 11 and 51 can be regarded as being very small with respect to the GGM pulse width of APD0 and APD1, it can be approximated to a linear change. .

なお、上記適応例(1)〜(3)の光子受信器は、本発明の第1実施形態あるいは第2実施形態によるものであってもよい。   Note that the photon receivers of the application examples (1) to (3) may be those according to the first embodiment or the second embodiment of the present invention.

また、光検出器2はアバランシェ・フォトダイオード(APD)に限定されるものではない。たとえば、光電子増倍管(フォトマル)や、極低温のPINフォトダイオードによる単一光子検出器を用いることもできる。ただし、GGMを必要とするのは、1.55μm帯のInGaAs-APDを使用する場合である。可視光のSi-APDではGGMは不要であるが、本発明を適用可能である。本発明は1.55μmのファイバ伝送帯域で有効である。   Further, the photodetector 2 is not limited to an avalanche photodiode (APD). For example, a single photon detector using a photomultiplier tube (photomultiplier) or a cryogenic PIN photodiode can be used. However, GGM is required when using an InGaAs-APD in the 1.55 μm band. Visible Si-APD does not require GGM, but the present invention is applicable. The present invention is effective in a fiber transmission band of 1.55 μm.

本発明による光子受信器は、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。光計測としては、Optical Time Domain Reflectmeter (OTDR)や、フォトルミネッセンスの分光計測器などに適用可能である。   The photon receiver according to the present invention is applicable not only to photon receivers for quantum cryptography communication but also to photon receivers for general optical communication and optical measurement. The optical measurement can be applied to an optical time domain reflectometer (OTDR), a photoluminescence spectroscopic instrument, and the like.

本発明の第1実施形態による光子受信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon receiver by 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図である。It is the block diagram which described the functional structure of the signal processing circuit 6 in the photon receiver by 1st Embodiment in detail. 図2に示す回路での主な信号の波形を模式的に示すタイムチャートである。3 is a time chart schematically showing main signal waveforms in the circuit shown in FIG. 2. 本発明の第1実施形態による光子受信方法を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the photon receiving method by 1st Embodiment of this invention. 本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the photon reception determination operation | movement of the signal processing circuit 6 by this embodiment. 本発明の第2実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図である。It is the block diagram which described in detail the function structure of the signal processing circuit 6 in the photon receiver by 2nd Embodiment of this invention. オフセット処理部の内部機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the internal function structure of an offset process part. オフセット処理を行っていないデータセットDSの立ち上がりタイミングの一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of the rising timing of the data set DS which has not performed offset processing. 本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the photon reception determination operation | movement of the signal processing circuit 6 by this embodiment. (A)はオフセット処理を行う前のデータセットDS(j)の立ち上がりタイミングを示すタイムチャートであり、(B)はオフセット処理されたデータセットDS(α、j)の立ち上がりタイミングを示すタイムチャートである。(A) is a time chart showing the rise timing of the data set DS (j) before performing the offset process, and (B) is a time chart showing the rise timing of the data set DS (α, j) after the offset process. is there. (A)は本実施形態による信号処理回路6の光子受信判定動作を示すフローチャート、(B)はそのサブプロシジャとして最適度数分布生成動作を示すフローチャートである。(A) is a flowchart showing a photon reception determination operation of the signal processing circuit 6 according to the present embodiment, and (B) is a flowchart showing an optimum frequency distribution generation operation as its subprocedure. 本発明の第3実施形態による光子受信器における信号処理回路6の機能構成をより詳細に記載したブロック図である。It is the block diagram which described in detail the function structure of the signal processing circuit 6 in the photon receiver by 3rd Embodiment of this invention. Plug&Play方式量子暗号鍵配布システムの送信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the transmitter of a Plug & Play system quantum encryption key distribution system. 本発明の第3実施形態による光子受信器を適用したPlug&Play方式量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the receiver of the Plug & Play system quantum key distribution system to which the photon receiver by 3rd Embodiment of this invention is applied. 単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの送信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the transmitter of the quantum encryption key distribution system of unidirectional transmission. 本発明の第3実施形態による光子受信器を適用した単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the receiver of the quantum key distribution system of the unidirectional transmission to which the photon receiver by 3rd Embodiment of this invention is applied. 本発明の第3実施形態による光子受信器を適用した単一方向伝送の量子暗号鍵配布システムの受信器の概略的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the receiver of the quantum key distribution system of the unidirectional transmission to which the photon receiver by 3rd Embodiment of this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

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(TIA)
4 サンプリング回路
6 信号処理回路
61 フィルタ
62 度数分布生成部
63 ピーク検出部
64 比較判定部
65 メモリ
66 オフセット処理部
67 カウンタ
70 基準クロック回路
71 タイミング生成回路
71a ドリフト補正回路
72 クロック制御部

1 Power supply circuit 2 Avalanche photodiode (APD)
3 Current-voltage converter (TIA)
4 sampling circuit 6 signal processing circuit 61 filter 62 frequency distribution generation unit 63 peak detection unit 64 comparison determination unit 65 memory 66 offset processing unit 67 counter 70 reference clock circuit 71 timing generation circuit 71a drift correction circuit 72 clock control unit

Claims (32)

光子通信システムにおける光子受信器において、
タイミング抽出できない程度に光子数が少ない光を受光可能な光子検出手段と、
所定周期の所定時間長における前記光子検出手段の出力変化を含む信号のデータ系列を前記所定時間長を単位として複数個を蓄積する蓄積手段と、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて、前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索する検索手段と、
検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出手段の出力を光子検出信号と判定する判定手段と、
を有することを特徴とする光子受信器。
In a photon receiver in a photon communication system,
Photon detection means capable of receiving light with a small number of photons to the extent that timing cannot be extracted;
Storage means for storing a plurality of signal data series including a change in output of the photon detection means in a predetermined time length of a predetermined period in units of the predetermined time length;
Search means for searching a temporal range indicating photon arrival timing in the predetermined time length based on a time distribution of signal change occurrence timings of the plurality of accumulated data series,
A determination unit that determines an output of the photon detection unit in which a signal change occurs at a timing within the searched time range as a photon detection signal;
A photon receiver comprising:
前記検索手段は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの前記時間分布を生成する分布生成手段と、
前記時間分布のピークを含む所定範囲を前記時間的範囲として識別するピーク検出手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の光子受信器。
The search means includes
A distribution generating means for generating the time distribution of the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Peak detection means for identifying a predetermined range including the peak of the time distribution as the temporal range;
The photon receiver of claim 1, comprising:
前記検索手段は、前記蓄積された複数のデータ系列により規定される空間に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを検出するパターン検出手段を有することを特徴とする請求項1に記載の光子受信器。   2. The photon according to claim 1, wherein the search unit includes a pattern detection unit that detects a time-varying pattern that matches a photon arrival timing based on a space defined by the plurality of accumulated data series. Receiver. 前記検索手段は、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定することを特徴とする請求項1に記載の光子受信器。   The search means obtains a temporal change pattern that matches a photon arrival timing based on a time distribution of signal change occurrence timings of the accumulated data series, and specifies the temporal range from the temporal change pattern. The photon receiver of claim 1, wherein 前記検索手段は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成するパターン生成手段と、
前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記仮の経時変化パターンが光子到達タイミングに整合しているか否かを判定するオフセット処理手段と、
を有し、前記光子到達タイミングに最も良く整合している前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択することを特徴とする請求項4に記載の光子受信器。
The search means includes
Pattern generating means for generating a temporary temporal change pattern for the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Offset processing means for determining whether or not the temporary temporal change pattern matches the photon arrival timing while sequentially changing the temporary temporal change pattern within a predetermined range;
5. The photon receiver according to claim 4, wherein the provisional temporal change pattern that best matches the photon arrival timing is selected as the temporal change pattern.
前記オフセット処理手段は、
前記仮の経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングをシフトさせるタイミングシフト手段と、
前記蓄積された複数のデータ系列の補正された信号変化発生タイミングの時間分布を生成する分布生成手段と、
前記時間分布のピークの大きさを検出するピーク検出手段と、
を有し、
前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記時間分布のピークの最も大きな前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択することを特徴とする請求項5に記載の光子受信器。
The offset processing means includes
Timing shift means for shifting the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series in a direction to cancel the temporal change of the temporary temporal change pattern;
A distribution generating means for generating a time distribution of corrected signal change occurrence timings of the plurality of accumulated data series;
Peak detection means for detecting the peak size of the time distribution;
Have
6. The temporary temporal change pattern having the largest peak of the time distribution is selected as the temporal change pattern while sequentially changing the temporary temporal change pattern within a predetermined range. Photon receiver.
前記経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングが相対的にシフトするように、前記光子検出手段を駆動するための前記駆動信号の供給タイミングをシフトさせることで、前記光子検出手段の駆動タイミングを光子到達タイミングに追従させるオフセット補正手段を更に有することを特徴とする請求項3ないし6のいずれかに記載の光子受信器。   Supply of the drive signal for driving the photon detection means so that the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series is relatively shifted in a direction to cancel the change with time of the change pattern with time The photon receiver according to any one of claims 3 to 6, further comprising offset correction means that shifts the timing so that the drive timing of the photon detection means follows the photon arrival timing. 光子通信システムにおける光子受信器において、
タイミング抽出できない程度に光子数が少ない光を受光可能な光子検出手段と、
前記光子検出手段を駆動するための所定時間長の駆動信号を所定タイミングで断続的に前記光子検出手段へ供給する駆動手段と、
前記光子検出手段の出力変化を含む信号のデータ系列を前記駆動信号の所定時間長を単位として複数個を蓄積する蓄積手段と、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布を生成する分布生成手段と、
前記時間分布に有意義なピークが存在するか否かを判定するピーク検出手段と、
前記時間分布に前記ピークが検出された場合には、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索し、前記時間分布に前記ピークが検出されない場合には、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生分布のパターンに基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する検索手段と、
検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出手段の出力を光子検出信号と判定する判定手段と、
を有することを特徴とする光子受信器。
In a photon receiver in a photon communication system,
Photon detection means capable of receiving light with a small number of photons to the extent that timing cannot be extracted;
Drive means for intermittently supplying a drive signal of a predetermined time length for driving the photon detection means to the photon detection means at a predetermined timing;
Storage means for storing a plurality of data series of signals including output changes of the photon detection means in units of a predetermined time length of the drive signal;
A distribution generating means for generating a time distribution of signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Peak detection means for determining whether or not there is a significant peak in the time distribution;
When the peak is detected in the time distribution, a time range indicating the photon arrival timing in the predetermined time length is searched based on the time distribution of the signal change occurrence timing of the accumulated data series, When the peak is not detected in the time distribution, a time-varying pattern matching the photon arrival timing is obtained based on the accumulated signal change occurrence distribution pattern of the plurality of data series, and the time change pattern is calculated from the time-varying pattern. A search means for identifying the target range;
A determination unit that determines an output of the photon detection unit in which a signal change occurs at a timing within the searched time range as a photon detection signal;
A photon receiver comprising:
前記経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングが相対的にシフトするように、前記光子検出手段を駆動するための前記駆動信号の供給タイミングをシフトさせることで、前記光子検出手段の駆動タイミングを光子到達タイミングに追従させるオフセット補正手段を更に有することを特徴とする請求項8に記載の光子受信器。   Supply of the drive signal for driving the photon detection means so that the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series is relatively shifted in a direction to cancel the change with time of the change pattern with time 9. The photon receiver according to claim 8, further comprising an offset correction unit that shifts the timing so that the drive timing of the photon detection unit follows the photon arrival timing. 前記経時変化パターンは、前記蓄積された複数のデータ系列により規定される空間において直線近似されることを特徴とする請求項3ないし9のいずれかに記載の光子受信器。   10. The photon receiver according to claim 3, wherein the time-varying pattern is linearly approximated in a space defined by the accumulated data series. 光子通信システムにおける光子受信方法において、
a)光子検出器の出力変化を含む信号のデータ系列を所定周期の所定時間長を単位として複数個を蓄積し、
b)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて、前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索し、
c)検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出器の出力を光子検出信号と判定する、
を有することを特徴とする光子受信方法。
In a photon receiving method in a photon communication system,
a) Accumulating a plurality of data series of signals including output changes of the photon detector in units of a predetermined time length of a predetermined period;
b) Based on the time distribution of the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series, a time range indicating the photon arrival timing in the predetermined time length is searched,
c) determining an output of the photon detector in which a signal change occurs at a timing within the searched time range as a photon detection signal;
A photon receiving method comprising:
前記ステップb)は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布を生成し、
前記時間分布のピークを含む所定範囲を前記時間的範囲として識別する、
ことを特徴とする請求項11に記載の光子受信方法。
Said step b)
Generating a time distribution of signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Identifying a predetermined range including the peak of the time distribution as the temporal range;
The photon receiving method according to claim 11.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列により規定される空間に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを検出し、
b.2)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項11に記載の光子受信方法。
Said step b)
b. 1) Detecting a time-varying pattern that matches the photon arrival timing based on a space defined by the accumulated data series,
b. 2) Identify the temporal range from the time course pattern,
The photon receiving method according to claim 11.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、
b.2)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項11に記載の光子受信方法。
Said step b)
b. 1) Obtain a temporal change pattern that matches the photon arrival timing based on the time distribution of the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
b. 2) Identify the temporal range from the time course pattern,
The photon receiving method according to claim 11.
前記ステップb.1)は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成し、
前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記仮の経時変化パターンが光子到達タイミングに整合しているか否かを判定し、
前記光子到達タイミングに最も良く整合している前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択する、
ことを特徴とする請求項14に記載の光子受信方法。
Said step b. 1)
A temporary temporal change pattern is generated for the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
While sequentially changing the temporary aging pattern within a predetermined range, determine whether the temporary aging pattern is aligned with the photon arrival timing,
Selecting the temporary time-varying pattern that best matches the photon arrival timing as the time-varying pattern;
The photon receiving method according to claim 14.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成し、
b.2)前記仮の経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングをシフトさせ、
b.3)前記蓄積された複数のデータ系列の補正された信号変化発生タイミングの時間分布を生成し、
b.4)前記時間分布のピークの大きさを検出し、
b.5)前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら前記b.2)〜b.4)を繰り返し、前記時間分布のピークが最も大きくなる仮の経時変化パターンを経時変化パターンとして選択し、
b.6)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項11に記載の光子受信方法。
Said step b)
b. 1) Generate a temporal change pattern with respect to the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
b. 2) Shift the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series in a direction to cancel the temporal change of the temporary temporal change pattern,
b. 3) generating a time distribution of corrected signal change occurrence timings of the plurality of accumulated data series;
b. 4) detecting the peak size of the time distribution;
b. 5) While changing the provisional temporal change pattern sequentially within a predetermined range, b. 2) to b. 4) is repeated, and the temporary change pattern with the largest peak of the time distribution is selected as the change pattern with time,
b. 6) Identify the temporal range from the time course pattern,
The photon receiving method according to claim 11.
前記経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングが相対的にシフトするように、前記光子検出器を駆動するための前記駆動信号の供給タイミングをシフトさせ、
前記光子検出器の駆動タイミングを光子到達タイミングに追従させる、
ことを特徴とする請求項13ないし16のいずれかに記載の光子受信方法。
Supply of the drive signal for driving the photon detector so that the signal change generation timing of each of the accumulated data series is relatively shifted in a direction to cancel the change with time of the change pattern with time Shift the timing,
Making the drive timing of the photon detector follow the photon arrival timing,
The photon receiving method according to any one of claims 13 to 16,
光子通信システムにおける光子受信方法において、
タイミング抽出できない程度に光子数が少ない光を受光可能な光子検出器を所定タイミングで所定時間長だけ断続的に駆動し、
前記光子検出器の出力変化を含む信号のデータ系列を前記所定時間長を単位として複数個を蓄積し、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布を生成し、
前記時間分布に有意義なピークが存在するか否かを判定し、
前記時間分布に前記ピークが検出された場合には、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生分布のパターンに基づいて前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索し、
前記時間分布に前記ピークが検出されない場合には、前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定し、
検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出器の出力を光子検出信号と判定する、
を有することを特徴とする光子受信方法。
In a photon receiving method in a photon communication system,
The photon detector capable of receiving light with a small number of photons to the extent that timing cannot be extracted is intermittently driven at a predetermined timing for a predetermined time length,
A plurality of data series of signals including output changes of the photon detector are stored in units of the predetermined time length,
Generating a time distribution of signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Determine whether there is a significant peak in the time distribution;
When the peak is detected in the time distribution, a time range indicating a photon arrival timing in the predetermined time length is searched based on a signal change occurrence distribution pattern of the plurality of accumulated data series,
When the peak is not detected in the time distribution, a time-varying pattern that matches the photon arrival timing is obtained based on the time distribution of the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series, and the time-varying pattern is calculated from the time-varying pattern. Identify the time range,
The output of the photon detector in which a signal change occurs at a timing within the searched time range is determined as a photon detection signal.
A photon receiving method comprising:
前記経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングが相対的にシフトするように、前記光子検出器を駆動するための前記駆動信号の供給タイミングをシフトさせることで、前記光子検出器の駆動タイミングを光子到達タイミングに追従させることを特徴とする請求項18に記載の光子受信方法。   Supply of the drive signal for driving the photon detector so that the signal change generation timing of each of the accumulated data series is relatively shifted in a direction to cancel the change with time of the change pattern with time 19. The photon receiving method according to claim 18, wherein the drive timing of the photon detector is made to follow the photon arrival timing by shifting the timing. 前記経時変化パターンは、前記蓄積された複数のデータ系列により規定される空間において直線近似されることを特徴とする請求項13ないし19のいずれかに記載の光子受信方法。   20. The photon receiving method according to claim 13, wherein the temporal change pattern is linearly approximated in a space defined by the plurality of accumulated data series. 前記光子検出手段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1ないし10のいずれかに記載の光子受信器。   11. The photon receiver according to claim 1, wherein the photon detection means is an avalanche photodiode (APD). 前記光子検出器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11ないし19のいずれかに記載の光子受信方法。   20. The photon receiving method according to claim 11, wherein the photon detector is an avalanche photodiode (APD). コンピュータに、タイミング抽出できない程度に光子数が少ない光を受光可能な光子検出器を駆動して光子受信を実行させるプログラムにおいて、
a)光子検出器の出力変化を含む信号のデータ系列を所定周期の所定時間長を単位として複数個をメモリに蓄積するステップと、
b)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて、前記所定時間長における光子到達タイミングを示す時間的範囲を検索するステップと、
c)検索された前記時間的範囲内のタイミングで信号変化が生じる前記光子検出器の出力を光子検出信号と判定するステップと、
を有することを特徴とするコンピュータプログラム。
In a program for causing a computer to execute photon reception by driving a photon detector capable of receiving light with a small number of photons to the extent that timing cannot be extracted,
a) accumulating a plurality of data series of signals including output changes of the photon detector in a memory in units of a predetermined time length of a predetermined period;
b) searching a time range indicating a photon arrival timing in the predetermined time length based on a time distribution of signal change occurrence timings of the plurality of accumulated data series;
c) determining the output of the photon detector in which a signal change occurs at a timing within the searched time range as a photon detection signal;
A computer program characterized by comprising:
前記ステップb)は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布を生成し、
前記時間分布のピークを含む所定範囲を前記時間的範囲として識別する、
ことを特徴とする請求項23に記載のコンピュータプログラム。
Said step b)
Generating a time distribution of signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series;
Identifying a predetermined range including the peak of the time distribution as the temporal range;
24. The computer program according to claim 23.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列により規定される空間に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを検出し、
b.2)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項23に記載のコンピュータプログラム。
Said step b)
b. 1) Detecting a time-varying pattern that matches the photon arrival timing based on a space defined by the accumulated data series,
b. 2) Identify the temporal range from the time course pattern,
24. The computer program according to claim 23.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングの時間分布に基づいて光子到達タイミングに整合する経時変化パターンを求め、
b.2)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項23に記載のコンピュータプログラム。
Said step b)
b. 1) Obtain a temporal change pattern that matches the photon arrival timing based on the time distribution of the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
b. 2) Identify the temporal range from the time course pattern,
24. The computer program according to claim 23.
前記ステップb.1)は、
前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成し、
前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら、前記仮の経時変化パターンが光子到達タイミングに整合しているか否かを判定し、
前記光子到達タイミングに最も良く整合している前記仮の経時変化パターンを前記経時変化パターンとして選択する、
ことを特徴とする請求項26に記載のコンピュータプログラム。
Said step b. 1)
A temporary temporal change pattern is generated for the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
While sequentially changing the temporary aging pattern within a predetermined range, determine whether the temporary aging pattern is aligned with the photon arrival timing,
Selecting the temporary time-varying pattern that best matches the photon arrival timing as the time-varying pattern;
The computer program according to claim 26.
前記ステップb)は、
b.1)前記蓄積された複数のデータ系列の信号変化発生タイミングに対して仮の経時変化パターンを生成し、
b.2)前記仮の経時変化パターンの経時変化を相殺する方向に前記蓄積された複数のデータ系列の各々の信号変化発生タイミングをシフトさせ、
b.3)前記蓄積された複数のデータ系列の補正された信号変化発生タイミングの時間分布を生成し、
b.4)前記時間分布のピークの大きさを検出し、
b.5)前記仮の経時変化パターンを所定の範囲内で順次変化させながら前記b.2)〜b.4)を繰り返し、前記時間分布のピークが最も大きくなる仮の経時変化パターンを経時変化パターンとして選択し、
b.6)前記経時変化パターンから前記時間的範囲を特定する、
ことを特徴とする請求項23に記載のコンピュータプログラム。
Said step b)
b. 1) Generate a temporal change pattern with respect to the signal change occurrence timing of the plurality of accumulated data series,
b. 2) Shift the signal change occurrence timing of each of the accumulated data series in a direction to cancel the temporal change of the temporary temporal change pattern,
b. 3) generating a time distribution of corrected signal change occurrence timings of the plurality of accumulated data series;
b. 4) detecting the peak size of the time distribution;
b. 5) While changing the provisional temporal change pattern sequentially within a predetermined range, b. 2) to b. 4) is repeated, and the temporal change pattern that maximizes the peak of the time distribution is selected as the time change pattern,
b. 6) Identify the temporal range from the time course pattern,
24. The computer program according to claim 23.
請求項1ないし10のいずれかに記載の光子受信器を有する量子暗号鍵配布システム。   A quantum key distribution system comprising the photon receiver according to claim 1. 請求項11ないし20のいずれかに記載の光子受信方法を実行する量子暗号鍵配布システム。   21. A quantum key distribution system for executing the photon receiving method according to claim 11. 請求項1ないし10のいずれかに記載の光子受信器を有する光計測器。   An optical measuring instrument comprising the photon receiver according to claim 1. 請求項11ないし20のいずれかに記載の光子受信方法を実行する光計測器。

An optical measuring instrument for executing the photon receiving method according to claim 11.

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