JP2011226922A - Photon detector - Google Patents

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利守 本庄
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photon detector with an improved detection speed by a simpler structure than conventional technologies.SOLUTION: A voltage signal from an APD 701 and a signal indicating a gate voltage application time from a pulse power supply 703 are input into photon incidence discrimination means 704. In the photon incidence discrimination means, a differential waveform voltage of the gate voltage and a photon incidence signal in response to a photon incidence to the APD 701 included in the voltage signals from the APD 701 are discriminated by using the gate voltage application time and a signal indicating only a photon detection time without the gate voltage application time is output. The photon incidence discrimination means 704 has a threshold circuit which outputs a signal pulse when an input signal exceeds a predetermined threshold. The threshold is set to be lower than peak values of the differential waveform voltage of the gate voltage and the photon incidence signal. Even with such a small threshold value, the photon incidence can be properly detected by the configuration described above.

Description

本発明は、光子検出器に関し、より詳細には、単一光子を検出するための光子検出器に関する。   The present invention relates to a photon detector, and more particularly to a photon detector for detecting a single photon.

近年、光の量子的性質を利用した量子情報通信システムの研究が進められている。量子情報通信システムでは、単一の光子を用いて情報を転送するため、単一光子を検出する光子検出器が実装に際してのキーデバイスとなる。デバイス性能としては、検出効率、雑音特性、高速性等が重要である。光子検出器としてはいくつかの種類が研究されているが、中でもアバランシェ・フォト・ダイオード(APD)を用いるものは、他の光子検出器に比べて構成が簡便であるため実用性に優れている。   In recent years, research on quantum information communication systems using the quantum properties of light has been advanced. In the quantum information communication system, since information is transferred using a single photon, a photon detector that detects a single photon is a key device for mounting. As device performance, detection efficiency, noise characteristics, high speed, and the like are important. Several types of photon detectors have been studied. Among them, those using avalanche photo diodes (APDs) are excellent in practicality because they have a simpler configuration than other photon detectors. .

APD光子検出器では、単一光子が入射されると、それにより電子が励起され、励起電子がデバイス内で増倍されて巨視的電流となる電子雪崩(アバランシェ)現象が起こる。これを利用して、単一光子の入射を検知する。ここで、1つの励起電子からアバランシェ現象により巨視的電流を発生させるためには、高いバイアス電圧をAPDに印加する必要がある。ところが、高いバイアス電圧を印加し続けると、「アフターパルス」と呼ばれる現象により誤動作が生じる。   In the APD photon detector, when a single photon is incident, electrons are excited thereby, and an avalanche phenomenon occurs in which excited electrons are multiplied in the device to become a macroscopic current. Using this, the incidence of a single photon is detected. Here, in order to generate a macroscopic current from one excited electron by an avalanche phenomenon, it is necessary to apply a high bias voltage to the APD. However, if a high bias voltage is continuously applied, malfunction occurs due to a phenomenon called “after-pulse”.

アフターパルスとは、アバランシェ現象により多数発生した励起電子の一部が、APD内の不純物準位に捕獲され、その電子が熱的に再び励起されて次の電子雪崩を引き起こす現象である。最初のアバランシェ電流パルスに続いて、ゴーストともいうべき電流パルスが出力されることからアフターパルスと呼ばれる。アフターパルスは、本来は光子が入射されていないにも関わらず電流パルスが出力される現象であり、光子は未入力であるのに光子検出信号を出力するという誤動作を引き起こす。   Afterpulse is a phenomenon in which some of the excited electrons generated by the avalanche phenomenon are trapped by impurity levels in the APD, and the electrons are thermally excited again to cause the next electron avalanche. Following the first avalanche current pulse, a current pulse that should be called a ghost is output, so it is called an after pulse. The after-pulse is a phenomenon in which a current pulse is output even though no photon is originally incident, and causes a malfunction that a photon detection signal is output even though the photon is not input.

このようなアフターパルスによる誤動作を避けるため、APDに印加する電圧をパルス状にすることが通常行われる。すなわち、光子入射が見込まれる時刻だけに高いバイアス電圧を印加し、それ以外の時間帯は低バイアス状態とする。低バイアス時には、アバランシェ現象は起きないため、アフターパルスは発生しない。低バイアス状態がしばらく続くと、その間に不純物準位に捕獲された電子は価電子帯へと緩和し、次に高バイアス電圧を加えてもアフターパルスが起こらない。このようにして、アフターパルスによる誤動作を回避する。なお、所定の時刻に印加する高いバイアス電圧パルスを「ゲート電圧」と呼ぶ。   In order to avoid such a malfunction due to the after-pulse, it is usually performed that the voltage applied to the APD is pulsed. That is, a high bias voltage is applied only at a time when photon incidence is expected, and a low bias state is set during other time periods. Since no avalanche phenomenon occurs when the bias is low, no after pulse is generated. If the low bias state continues for a while, electrons trapped in the impurity level during that time relax to the valence band, and no after-pulse occurs even if a high bias voltage is applied next. In this way, malfunctions due to afterpulses are avoided. A high bias voltage pulse applied at a predetermined time is referred to as a “gate voltage”.

ゲート電圧駆動法によってアフターパルスは回避できるが、一方で、デバイスの高速性が制限される。APDは、ゲート電圧印加時にしか光子を検出しない。単位時間内に多くの光子を検出するためには、ゲート電圧を繰り返し印加することになるが、印加するゲート電圧の時間間隔は、不純物準位に捕獲された電子が価電子帯へ緩和する時間より長くしなければならない。つまり、ゲート電圧を印加する繰り返し周波数には上限が存在する。通常のInGaAs−APDの場合、この上限は数MHz程度である。これより速い繰り返しの光子入射は検出できない。APDを用いた単一光子検出器の高速性は、このゲート電圧の繰り返し周波数で制限される。   After-pulse can be avoided by the gate voltage driving method, but the high speed of the device is limited. APD detects photons only when a gate voltage is applied. In order to detect many photons within a unit time, the gate voltage is repeatedly applied. The time interval of the applied gate voltage is the time for the electrons trapped in the impurity level to relax to the valence band. It must be longer. That is, there is an upper limit to the repetition frequency at which the gate voltage is applied. In the case of normal InGaAs-APD, this upper limit is about several MHz. Faster repeated photon incidence cannot be detected. The high speed of a single photon detector using APD is limited by the repetition frequency of this gate voltage.

上記事情に鑑み、APDの周辺回路を工夫して、ゲート電圧周波数を高くする手法が考案されている。図1はその構成例である(非特許文献1参照)。一般にAPDでは、光子入射により発生したアバランシェ電流を抵抗に通し、その抵抗電圧から出力電圧信号を得る。通常はこの出力電圧をそのまま閾値回路に入力し、設定した閾値を超えると光子を検出したと判定するのであるが、図1の構成では、APD電圧出力と閾値回路との間に分岐・遅延・合成回路が挿入されている。すなわち、APD出力信号を2分岐し、一方に時間遅延を与えた後、再び差動合成したうえで、閾値回路に入力する。以下、このような回路の挿入により、ゲート電圧繰り返し周波数が高くできる事情を説明する。   In view of the above circumstances, a technique for increasing the gate voltage frequency by devising the peripheral circuit of the APD has been devised. FIG. 1 shows an example of the configuration (see Non-Patent Document 1). In general, in an APD, an avalanche current generated by photon incidence is passed through a resistor, and an output voltage signal is obtained from the resistance voltage. Normally, this output voltage is input to the threshold circuit as it is, and when the set threshold is exceeded, it is determined that a photon has been detected. However, in the configuration of FIG. A synthesis circuit is inserted. That is, the APD output signal is branched into two, a time delay is given to one, and then differential synthesis is performed again before inputting to the threshold circuit. Hereinafter, a situation where the gate voltage repetition frequency can be increased by inserting such a circuit will be described.

APDにゲート電圧が印加されていても、光子が未入射であれば、アバランシェ電流は流れない。この場合、APDは印加電圧に対してコンデンサーと同じように作用する。すなわち、ハイパスフィルタとして作用し、矩形状の電圧印加に対して、その微分波形電圧が出力される(図2参照)。通常は、この出力電圧がそのまま閾値回路に入力される。この場合には、光子入射の有無を正しく判別するために、閾値回路の判別閾値は光子未入射時の微分波形電圧のピーク値より高く設定しなければならない。そしてさらに、光子入射時のアバランシェ電流から発生する出力電圧が、この閾値より高くなるようにしなければならない。具体的には、高いゲート電圧を印加して発生するアバランシェ電流を大きくすることにより、光子入射時の出力電圧を大きくする。   Even if a gate voltage is applied to the APD, an avalanche current does not flow if no photons are incident. In this case, the APD acts on the applied voltage in the same way as a capacitor. In other words, it acts as a high-pass filter, and its differential waveform voltage is output in response to rectangular voltage application (see FIG. 2). Normally, this output voltage is directly input to the threshold circuit. In this case, in order to correctly determine the presence or absence of photon incidence, the threshold value of the threshold circuit must be set higher than the peak value of the differential waveform voltage when no photon is incident. Furthermore, the output voltage generated from the avalanche current at the time of photon incidence must be higher than this threshold. Specifically, the output voltage at the time of photon incidence is increased by increasing the avalanche current generated by applying a high gate voltage.

以上は通常のAPD光子検出器の動作である。図1ではこれに加えて、分岐・遅延・合成回路が挿入されている。これは、光子未入射時の微分波形電圧を抑圧するためのものである。APDからの微分波形電圧は2分岐され、一方に時間遅延が与えられる。ここで遅延時間は、ゲート電圧パルス間の時間間隔に等しく設定されている。すると合成回路では、隣り同士のゲート電圧から発生した微分波形電圧が合成される。この合成は差動的に行われる。すなわち、一方の微分波形電圧から他方の微分波形電圧が引き算された信号電圧が出力される。ゲート電圧波形はどれも同じなので、この2つの微分波形電圧は同じである。したがって、差動合成回路からは、微分波形電圧が打ち消された信号電圧が出力される。   The above is the operation of a normal APD photon detector. In addition to this, a branch / delay / combination circuit is inserted in FIG. This is to suppress the differential waveform voltage when no photon is incident. The differential waveform voltage from the APD is bifurcated, and one is given a time delay. Here, the delay time is set equal to the time interval between the gate voltage pulses. Then, in the synthesis circuit, the differential waveform voltage generated from the adjacent gate voltages is synthesized. This synthesis is performed differentially. That is, a signal voltage obtained by subtracting the other differential waveform voltage from one differential waveform voltage is output. Since the gate voltage waveforms are the same, the two differential waveform voltages are the same. Therefore, the differential synthesis circuit outputs a signal voltage in which the differential waveform voltage is canceled.

光子未入力時の微分波形電圧がゼロであると、閾値回路の閾値を低く設定することができる。閾値が低いと、光子入射時のアバランシェ電流は小さくても光子検出できる。具体的には、低いゲート電圧で光子が検出できる。   When the differential waveform voltage when no photon is input is zero, the threshold value of the threshold circuit can be set low. When the threshold is low, photon detection can be performed even if the avalanche current at the time of photon incidence is small. Specifically, photons can be detected with a low gate voltage.

アバランシェ電流が小さいということは、雪崩的に励起される電子の数が少ないということである。励起電子数が少ないと、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなり、その結果、アフターパルスが起きにくくなる。   A small avalanche current means that the number of electrons excited in an avalanche is small. If the number of excited electrons is small, the number of electrons trapped in the impurity level is also reduced, and as a result, afterpulses are less likely to occur.

アフターパルス確率が小さければ、ゲート電圧の印加時間間隔を長くとる必要がなくなり、したがって、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。   If the after-pulse probability is low, it is not necessary to increase the gate voltage application time interval, and thus the repetition frequency of the gate voltage can be increased.

以上の原理により、図1の回路構成を用いて、高速性が向上したAPD光子検出器を実現する。   Based on the above principle, an APD photon detector with improved high speed is realized using the circuit configuration of FIG.

Z. L. Yuan, B. E. Kardynal, A. W. Sharpe, and A. J. Shields, ‘‘High speed single photon detection in the near infrared,’’ Appl. Phys. Lett. 91, 041114 (2007).Z. L. Yuan, B. E. Kardynal, A. W. Sharpe, and A. J. Shields, ‘‘ High speed single photon detection in the near infrared, ’Appl. Phys. Lett. 91, 041114 (2007).

しかしながら、上記従来技術が有効であるためには、分岐した信号を、タイミングを合わせて全く同じ波形として差動合成する必要がある。遅延時間がずれていたり、分岐・遅延経路中に波形が歪んだり振幅が変わったりすると、差動合成回路で2経路を経た微分波形電圧が完全には打ち消し合わない。つまり、上記従来技術の実装にあたっては、精密な回路設定が必要となる。   However, in order for the above prior art to be effective, it is necessary to differentially synthesize the branched signals with exactly the same waveform at the same timing. If the delay time is shifted or the waveform is distorted or the amplitude is changed in the branch / delay path, the differential waveform voltage that has passed through the two paths in the differential synthesis circuit does not completely cancel each other. In other words, precise circuit setting is required for the implementation of the above-described prior art.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来技術よりも簡便な構成により高速性が向上された光子検出器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a photon detector with improved high-speed performance by a simpler configuration than the prior art.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、アバランシェ・フォト・ダイオード(APD)と、前記APDに、一定のバイアス電圧を定常的に印加するバイアス電圧印加手段と、前記APDに、前記バイアス電圧に加えて、矩形状のパルス電圧であるゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、前記APDからの電圧信号と、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが入力され、前記電圧信号のうちの前記ゲート電圧の微分波形電圧と前記APDに対する光子入射による光子入射信号とを前記ゲート電圧印加時刻を用いて判別し、光子検出時刻を示す信号を出力する光子入射判別手段とを備え、前記光子入射判別手段は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路であって、前記所定の閾値は、前記ゲート電圧の前記微分波形電圧のピーク値および前記光子入射信号のピーク値よりも小さいものである閾値回路を有することを特徴とする光子検出器である。   In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, there is provided an avalanche photodiode (APD), bias voltage applying means for constantly applying a constant bias voltage to the APD, A gate voltage applying means for applying a gate voltage which is a rectangular pulse voltage to the APD in addition to the bias voltage, a voltage signal from the APD, and a signal indicating a gate voltage application time from the gate voltage applying means And a differential waveform voltage of the gate voltage in the voltage signal and a photon incident signal due to photon incidence on the APD are discriminated using the gate voltage application time, and a signal indicating the photon detection time is output. A photon incidence discrimination means, and the photon incidence discrimination means is a threshold circuit that outputs a signal pulse when an input signal exceeds a predetermined threshold. I, the predetermined threshold is a photon detector, characterized in that it comprises a threshold circuit is smaller than the peak value of the peak value and the photons incident signal of the differential waveform voltage of the gate voltage.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記光子入射判別手段が、前記APDからの前記電圧信号が入力される前記閾値回路と、前記閾値回路からの前記信号パルス及び前記ゲート電圧印加手段からの前記ゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記信号パルスから前記ゲート電圧印加時刻に対応する時刻の入力信号を除去して、前記光子検出時刻を示す信号を出力する信号処理回路とを備えることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the photon incidence determination means includes the threshold circuit to which the voltage signal from the APD is input, the signal pulse from the threshold circuit, and the A signal that receives the signal indicating the gate voltage application time from the gate voltage application means, removes the input signal corresponding to the gate voltage application time from the signal pulse, and outputs a signal indicating the photon detection time And a processing circuit.

また、本発明の第3の態様は、第1の態様において、前記光子入射判別手段が、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記ゲート電圧印加時刻に同期したパルス信号を出力するパルス信号源と、前記APDからの前記電圧信号と前記パルス信号源からの前記パルス信号とを差動的に合成して差動合成信号を出力する差動合成回路と、前記差動合成回路からの前記差動合成信号が入力される閾値回路とを備え、閾値回路が出力する前記信号パルスは、前記光子検出時刻を示す信号であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the photon incidence determination means receives a signal indicating a gate voltage application time from the gate voltage application means and is synchronized with the gate voltage application time. A pulse signal source that outputs a pulse signal; a differential synthesis circuit that differentially synthesizes the voltage signal from the APD and the pulse signal from the pulse signal source to output a differential synthesized signal; and And a threshold circuit to which the differential combined signal from the differential combining circuit is input, and the signal pulse output from the threshold circuit is a signal indicating the photon detection time.

本発明によれば、精密な回路設定を必要とせずに、APDから出力されるゲート電圧の微分波形電圧による誤動作を回避した光子検出器を実現することができ、その結果、高速性に優れた光子検出器を提供できる。   According to the present invention, it is possible to realize a photon detector that avoids malfunction due to the differential waveform voltage of the gate voltage output from the APD without requiring precise circuit setting, and as a result, excellent in high speed. A photon detector can be provided.

APDの周辺回路を工夫して、ゲート電圧周波数を高くする従来の構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of a conventional structure which devises the peripheral circuit of APD and raises a gate voltage frequency. 矩形状の電圧印加に対するAPDの作用を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect | action of APD with respect to rectangular-shaped voltage application. 本発明の第1の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態の光子検出器による光子検出を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the photon detection by the photon detector of 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態の光子検出器による光子検出を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the photon detection by the photon detector of 2nd Embodiment. 本発明の第3の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 3rd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図3は、本発明の第1の実施形態の構成を示す図である。従来技術と同様に、APD301に対し、直流電源302からバイアス電圧が印加され、加えて、光子入射が見込まれる時刻にパルス電源303からゲート電圧が印加される。そして、APD301から電圧信号が出力される。本実施形態では、APD301からの電圧信号はそのまま閾値回路304に入力される。閾値回路304では、入力信号が設定した閾値を超えたときに信号パルスを出力する。閾値回路304からの信号パルスは、信号処理回路305に入力される。信号処理回路305には、ゲート電圧を印加するパルス電源303から、ゲート電圧印加時刻を示す信号も入力されている。そして、信号処理回路305から光子検出時刻を示す信号が出力される。信号処理回路305の動作については後述する。
(First embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the first exemplary embodiment of the present invention. As in the prior art, a bias voltage is applied from the DC power supply 302 to the APD 301, and in addition, a gate voltage is applied from the pulse power supply 303 at a time when photon incidence is expected. A voltage signal is output from the APD 301. In this embodiment, the voltage signal from the APD 301 is input to the threshold circuit 304 as it is. The threshold circuit 304 outputs a signal pulse when the input signal exceeds a set threshold. A signal pulse from the threshold circuit 304 is input to the signal processing circuit 305. A signal indicating a gate voltage application time is also input to the signal processing circuit 305 from a pulse power supply 303 that applies a gate voltage. Then, a signal indicating the photon detection time is output from the signal processing circuit 305. The operation of the signal processing circuit 305 will be described later.

上記構成において、APD301に印加するゲート電圧のパルス幅は、その立ち上がり部分の微分波形のパルス幅より長いものとする(図4(a)参照)。このようにすると、ゲート電圧印加中に光子入射があった場合、APD301からは、最初にゲート電圧の立ち上がり部分の微分波形電圧が出力され、次に入射光子によるアバランシェ信号が出力される(図4(b)参照)。   In the above configuration, the pulse width of the gate voltage applied to the APD 301 is longer than the pulse width of the differential waveform at the rising portion (see FIG. 4A). In this way, when a photon is incident while the gate voltage is being applied, the APD 301 first outputs a differential waveform voltage at the rising portion of the gate voltage, and then outputs an avalanche signal due to the incident photon (FIG. 4). (See (b)).

このようなAPD301の出力電圧に対し、閾値回路304の判別閾値は、ゲート電圧の微分波形電圧のピーク値および光子入射信号のピーク値より小さいものとする(図4(b)参照)。すると、閾値回路304からは、ゲート電圧立ち上がり時及び光子入射時に信号パルスが出力される。   For such an output voltage of the APD 301, the discrimination threshold of the threshold circuit 304 is smaller than the peak value of the differential waveform voltage of the gate voltage and the peak value of the photon incident signal (see FIG. 4B). Then, the threshold circuit 304 outputs a signal pulse when the gate voltage rises and when a photon is incident.

信号処理回路305には、ゲート電圧印加時刻及び光子入射時刻に信号パルスが入力されている。ここで、信号処理回路305には、パルス電源303からゲート電圧印加時刻を示す信号も入力されている。この時刻情報を使うと、閾値回路304から入力された信号パルスのうち、どれがゲート電圧立ち上がり時の信号であるかが分かる。そこで信号処理回路305では、ゲート電圧立ち上がり時の信号を除去する。すると、残ったのは光子入射時の信号ということになり、これを光子検出時刻として出力する。   A signal pulse is input to the signal processing circuit 305 at the gate voltage application time and the photon incidence time. Here, the signal processing circuit 305 also receives a signal indicating the gate voltage application time from the pulse power supply 303. Using this time information, it can be seen which of the signal pulses input from the threshold circuit 304 is the signal at the rise of the gate voltage. Therefore, the signal processing circuit 305 removes the signal when the gate voltage rises. Then, what remains is a signal at the time of photon incidence, and this is output as the photon detection time.

以上のように回路を構成・動作させると、閾値が小さくても正しく光子入射が検出できる。そのため、ゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。   When the circuit is configured and operated as described above, photon incidence can be detected correctly even if the threshold value is small. Therefore, the avalanche current can be reduced by reducing the gate voltage. Then, the number of electrons excited in an avalanche is reduced, and the number of electrons trapped in the impurity level is reduced. As a result, the after pulse rate is reduced, and the repetition frequency of the gate voltage can be increased.

本実施形態は、従来例のように、2つの信号が打ち消し合うようには構成されていない。したがって、従来例のような精密な回路設定は必要ではない。   This embodiment is not configured so that two signals cancel each other as in the conventional example. Therefore, precise circuit setting as in the conventional example is not necessary.

さらにまた、ゲート電圧の時間幅が広いため、光子検出可能な時間帯が長くなっていることも、従来例に比べた利点となる。   Furthermore, since the time width of the gate voltage is wide, the time period in which photons can be detected is long, which is an advantage over the conventional example.

なお、ゲート電圧の時間幅が広いと、1つのゲート電圧印加時間内でアフターパルスが起こる可能性があるが、いったんアバランシェが起こるとAPD内の電子が一瞬全部吐き出されるため、しばらくの間APDは不感応状態となる(これを「クエンチング」という。)。そのため、ある程度の時間内であれば、アフターパルスが起こることはない。   In addition, if the time width of the gate voltage is wide, an after pulse may occur within one gate voltage application time. However, once an avalanche occurs, all the electrons in the APD are discharged for a moment, so the APD It becomes insensitive (this is called “quenching”). Therefore, after-pulse does not occur within a certain time.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、信号処理回路305によりゲート電圧印加時刻に対応する時刻の信号を除去したが、アナログ回路的な処理によっても同様の効果を得ることができる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the signal processing circuit 305 removes the signal at the time corresponding to the gate voltage application time, but the same effect can be obtained by analog circuit processing.

図5は、本発明の第2の実施形態の構成を示す図である。APD501にパルス幅の広いゲート電圧がパルス電源503から印加され、APD501から電圧信号が出力されるのは、第1の実施形態と同様である。本実施形態では、APD501からの電圧信号が、パルス信号源504からのパルス信号と差動合成回路505で差動合成される。このパルス信号は、ゲート電圧印加時刻と同期している。ここで、パルス信号のパルス幅は、APD501からのゲート電圧の微分波形電圧の立ち上がり時のパルス幅と同程度であることが好ましい。   FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the second exemplary embodiment of the present invention. The gate voltage having a wide pulse width is applied to the APD 501 from the pulse power source 503, and the voltage signal is output from the APD 501 as in the first embodiment. In the present embodiment, the voltage signal from the APD 501 is differentially synthesized with the pulse signal from the pulse signal source 504 by the differential synthesis circuit 505. This pulse signal is synchronized with the gate voltage application time. Here, the pulse width of the pulse signal is preferably approximately the same as the pulse width at the rise of the differential waveform voltage of the gate voltage from the APD 501.

このようなパルス信号源504からのパルス信号とAPD501からの電圧信号とが差動合成回路505で差動合成されると、その出力は図6のようになる。すなわち、ゲート電圧の微分波形電圧に対してパルス信号源504からのパルス信号が引き算されるので、この合成信号のピーク値はゼロレベル以下となる。一方、光子入射信号はそのまま出力される。   When such a pulse signal from the pulse signal source 504 and a voltage signal from the APD 501 are differentially synthesized by the differential synthesis circuit 505, the output is as shown in FIG. That is, since the pulse signal from the pulse signal source 504 is subtracted with respect to the differential waveform voltage of the gate voltage, the peak value of this combined signal becomes zero level or less. On the other hand, the photon incident signal is output as it is.

差動合成信号は閾値回路506に入力される。閾値回路506では、ゼロレベル以上かつ光子入射信号のピーク値以下の閾値を越えたときに、信号パルスを出力する。これにより、閾値回路506からは、光子入射時のみ信号パルスが出力される。   The differential composite signal is input to the threshold circuit 506. The threshold circuit 506 outputs a signal pulse when the threshold value exceeds the zero level and below the peak value of the photon incident signal. Thereby, a signal pulse is output from the threshold circuit 506 only when a photon is incident.

以上のように回路を構成・動作させると、低い閾値で光子入射が正しく検出でき、したがってゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。   When the circuit is configured and operated as described above, photon incidence can be correctly detected with a low threshold, and thus the gate voltage can be reduced and the avalanche current can be reduced. Then, the number of electrons excited in an avalanche is reduced, and the number of electrons trapped in the impurity level is reduced. As a result, the after pulse rate is reduced, and the repetition frequency of the gate voltage can be increased.

(第3の実施形態)
図7は、本発明の第3の実施形態の構成を示す図である。第1及び第2の実施形態では閾値回路を用いた具体的な光子検出器について説明したが、本発明は、これらの構成に限定されない。図7に示すように、本発明は、APD701からの電圧信号と、パルス電源703からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが光子入射判別手段704に入力され、光子入射判別手段704において、APD701からの電圧信号のうちのゲート電圧の微分波形電圧とAPD701に対する光子入射による光子入射信号とをゲート電圧印加時刻を用いて判別する。そして、ゲート電圧印加時刻を含まない光子検出時刻のみを示す信号を出力する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the third exemplary embodiment of the present invention. Although specific photon detectors using threshold circuits have been described in the first and second embodiments, the present invention is not limited to these configurations. As shown in FIG. 7, in the present invention, the voltage signal from the APD 701 and the signal indicating the gate voltage application time from the pulse power supply 703 are input to the photon incidence determining means 704, and the photon incidence determining means 704 The differential voltage of the gate voltage and the photon incidence signal due to the photon incidence on the APD 701 are determined using the gate voltage application time. Then, a signal indicating only the photon detection time not including the gate voltage application time is output.

光子入射判別手段704は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路を有する。ここで、所定の閾値は、ゲート電圧の微分波形電圧のピーク値および光子入射信号のピーク値よりも小さく設定する。このように閾値が小さくても、上記構成によれば正しく光子入射が検出できる。そのため、ゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。   The photon incidence determination means 704 has a threshold circuit that outputs a signal pulse when the input signal exceeds a predetermined threshold. Here, the predetermined threshold is set smaller than the peak value of the differential waveform voltage of the gate voltage and the peak value of the photon incident signal. Thus, even if the threshold value is small, according to the above configuration, photon incidence can be detected correctly. Therefore, the avalanche current can be reduced by reducing the gate voltage. Then, the number of electrons excited in an avalanche is reduced, and the number of electrons trapped in the impurity level is reduced. As a result, the after pulse rate is reduced, and the repetition frequency of the gate voltage can be increased.

なお、図3、5及び7では、APDとグランドとの間に抵抗を配置し、その抵抗電圧によりAPDからの電圧信号を得ているが、このような構成のみに限定する意図ではない。   3, 5 and 7, a resistor is arranged between the APD and the ground, and a voltage signal from the APD is obtained by the resistance voltage, but it is not intended to be limited to such a configuration.

301 APD
302 直流電源(「バイアス電圧印加手段」に対応)
303 パルス電源(「ゲート電圧印加手段」に対応)
304 閾値回路
305 信号処理回路
501 APD
502 直流電源(「バイアス電圧印加手段」に対応)
503 パルス電源(「ゲート電圧印加手段」に対応)
504 パルス信号源
505 差動合成回路
506 閾値回路
701 APD
702 直流電源(「バイアス電圧印加手段」に対応)
703 パルス電源(「ゲート電圧印加手段」に対応)
704 光子入射判別手段
301 APD
302 DC power supply (corresponding to "bias voltage application means")
303 Pulse power supply (corresponding to "gate voltage application means")
304 threshold circuit 305 signal processing circuit 501 APD
502 DC power supply (corresponding to “bias voltage application means”)
503 Pulse power supply (corresponding to "gate voltage application means")
504 Pulse signal source 505 Differential synthesis circuit 506 Threshold circuit 701 APD
702 DC power supply (corresponding to "bias voltage application means")
703 Pulse power supply (corresponding to "gate voltage application means")
704 Photon incidence discrimination means

Claims (3)

アバランシェ・フォト・ダイオード(APD)と、
前記APDに、一定のバイアス電圧を定常的に印加するバイアス電圧印加手段と、
前記APDに、前記バイアス電圧に加えて、矩形状のパルス電圧であるゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、
前記APDからの電圧信号と、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが入力され、前記電圧信号のうちの前記ゲート電圧の微分波形電圧と前記APDに対する光子入射による光子入射信号とを前記ゲート電圧印加時刻を用いて判別し、光子検出時刻を示す信号を出力する光子入射判別手段と
を備え、
前記光子入射判別手段は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路であって、前記所定の閾値は、前記ゲート電圧の前記微分波形電圧のピーク値および前記光子入射信号のピーク値よりも小さいものである閾値回路を有することを特徴とする光子検出器。
An avalanche photodiode (APD),
Bias voltage applying means for constantly applying a constant bias voltage to the APD;
Gate voltage application means for applying a gate voltage, which is a rectangular pulse voltage, to the APD in addition to the bias voltage;
A voltage signal from the APD and a signal indicating a gate voltage application time from the gate voltage application means are input, and a differential waveform voltage of the gate voltage in the voltage signal and a photon incidence signal due to photon incidence on the APD And photon incidence determining means for outputting a signal indicating the photon detection time.
The photon incidence determining means is a threshold circuit that outputs a signal pulse when an input signal exceeds a predetermined threshold, and the predetermined threshold is a peak value of the differential waveform voltage of the gate voltage and the threshold voltage. A photon detector comprising a threshold circuit that is smaller than a peak value of a photon incident signal.
前記光子入射判別手段は、
前記APDからの前記電圧信号が入力される前記閾値回路と、
前記閾値回路からの前記信号パルス及び前記ゲート電圧印加手段からの前記ゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記信号パルスから前記ゲート電圧印加時刻に対応する時刻の入力信号を除去して、前記光子検出時刻を示す信号を出力する信号処理回路と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光子検出器。
The photon incidence determination means is
The threshold circuit to which the voltage signal from the APD is input;
The signal pulse from the threshold circuit and a signal indicating the gate voltage application time from the gate voltage application means are input, the input signal at the time corresponding to the gate voltage application time is removed from the signal pulse, The photon detector according to claim 1, further comprising a signal processing circuit that outputs a signal indicating a photon detection time.
前記光子入射判別手段は、
前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記ゲート電圧印加時刻に同期したパルス信号を出力するパルス信号源と、
前記APDからの前記電圧信号と前記パルス信号源からの前記パルス信号とを差動的に合成して差動合成信号を出力する差動合成回路と、
前記差動合成回路からの前記差動合成信号が入力される閾値回路と
を備え、
閾値回路が出力する前記信号パルスは、前記光子検出時刻を示す信号であることを特徴とする請求項1に記載の光子検出器。
The photon incidence determination means is
A pulse signal source that receives a signal indicating the gate voltage application time from the gate voltage application means, and outputs a pulse signal synchronized with the gate voltage application time;
A differential synthesis circuit that differentially synthesizes the voltage signal from the APD and the pulse signal from the pulse signal source to output a differential synthesis signal;
A threshold circuit to which the differential composite signal from the differential composite circuit is input,
The photon detector according to claim 1, wherein the signal pulse output from the threshold circuit is a signal indicating the photon detection time.
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