JP2012013600A

JP2012013600A - 単一光子検出器

Info

Publication number: JP2012013600A
Application number: JP2010151727A
Authority: JP
Inventors: Toyohiro Tsurumaru; 豊広鶴丸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）の出力に乗る周期的雑音を除去するために従来用いていた差動アンプ等を不要とし、差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって同様の機能を実現することにより、回路のコストダウンを図るとともに、多段化を容易にして、スタブを連ねることによって、雑音除去の効果をいくらでも強めることを可能にする。
【解決手段】アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）１に周期的なバイアス電圧を印加することにより駆動される単一光子検出器であって、ＡＰＤ１に伝送路３を介して接続され、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６に起因して出力信号に加わる周期的な雑音を除去するスタブ型の帯域除去フィルタを備えている。このスタブ型の帯域除去フィルタは、同軸ケーブルまたはプリント基板上のパターンから構成される電気的な線路（スタブ４）から構成される。
【選択図】図３

Description

この発明は単一光子検出器に関し、特に、例えば量子暗号用光子検出器またはその周辺回路として用いられる単一光子検出器に関する。

量子暗号などの量子情報処理の実装においては、通信媒体として光を用いることが多い。なおかつ光の量子的な性質を顕わにして情報処理に利用するためには、信号１パルスあたりに含まれる光子数を１個程度にする必要がある。つまり信号１パルスあたりの光の強度を、通常の光通信と比較して１００万分の１程度以下という非常に微弱なレベルにする必要があり、このために近年は量子情報処理向けの高感度な光検出器の研究が盛んになっている。

この種の単一光子検出器としては、図１に示すような、アバランシフォトダイオード（Avalanche Photo-Diode）（以下、ＡＰＤとする。）を用いるものが代表的である。ＡＰＤは、入射した光に応じてＩＶ特性を変えるダイオードであり、これに時間的に変化するパルス状のバイアス電圧Ｖ（ｔ）を印加してゲート動作をする。つまりパルス電圧が加わっている時間内（印加電圧Ｖ（ｔ）が高い値である時刻ｔ）に光が単一光子検出器に入射されると、ＡＰＤに多くの電流が流れる。その電流を抵抗Ｒによって電圧に変換し、当該電圧を出力することによって、入射された光の検出を行うことができる。

しかし、特に印加パルス同士の時間間隔が短い場合、つまりバイアス電圧の繰り返し周波数が大きい場合には、光の入射の有無にかかわらず周期的な電流がＡＰＤに流れる。そしてこれが出力電圧に周期的雑音として表れ、光検出信号の検出を困難にする。特にバイアス電圧の周期を数百ＭＨｚ以上の高速とすると、周期的雑音の振幅が検出信号を上回り、信号の識別が困難になる。

特許文献１および非特許文献１では、この問題を解決するための電子回路の構成を提案している。基本的なアイディアとしては、ＡＰＤから出力された生の出力信号と、それを時間的に一周期分遅らせた信号との差分をとることによって、周期的雑音を除去するというものである。この種の電子回路の具体的な構成としては、図２に示す通りであり、まず、入力信号を、ディバイダにより、いったん２つに分割した上で、一方を短い線路に通し、もう一方をあえて長い線路に通して、長い線路に通した信号を短い線路を通した信号に対して１周期分遅らせる。そして、双方の信号をそれぞれ差動アンプ等に入力することによって差分を取り、それを出力とする（特許文献１の図４も参照）。

国際公開第２００８／１０４７９９号パンフレット

Z. L. Yuan et al., "High speed single photon detection in the near infrared," Applied Physics Letters 91, 041114 (2007).

上述したような従来方式では、周期的雑音を除去するための回路において、必ず差分をとるためのハイブリッドジャンクションや差動アンプ等の回路が必要になるという問題点があった。これにより、回路のコストが高価になるという問題点があった。また、差動アンプ等を多段化させて複数個設けることは、コスト的およびスペース点に困難であり、多段化させることが難しいため、単数個設けるしかなく、雑音除去の効果を強めたくても、その手段がないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、周期的雑音を除去するために従来用いていた差動アンプ等を不要とし、差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって同様の機能を実現することにより、回路のコストダウンを図るとともに、多段化を容易にして、必要に応じてスタブを連ねることによって、雑音除去の効果をレベルに合わせて強めることが可能な、単一光子検出器を得ることを目的とする。

この発明は、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に周期的なバイアス電圧を印加することにより駆動される単一光子検出器であって、前記アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に接続され、前記バイアス電圧に起因して出力信号に加わる周期的な雑音を除去するスタブ型の帯域除去フィルタを備えたことを特徴とする単一光子検出器である。

この発明は、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に周期的なバイアス電圧を印加することにより駆動される単一光子検出器であって、前記アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に接続され、前記バイアス電圧に起因して出力信号に加わる周期的な雑音を除去するスタブ型の帯域除去フィルタを備えたことを特徴とする単一光子検出器であるので、周期的雑音を除去するために従来用いていた差動アンプ等を不要とし、差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって同様の機能を実現することにより、回路のコストダウンを図るとともに、多段化を容易にして、必要に応じてスタブを連ねることによって、雑音除去の効果をレベルに合わせて強めることが可能となる。

従来の光検出器の構成を示した回路図である。周期的雑音除去の機能を備えた従来の光検出器の構成を示した回路図である。この発明の実施の形態１に係る単一光子検出器の構成を示した回路図である。この発明の実施の形態１に係る単一光子検出器の動作を示した説明図である。この発明の実施の形態２に係る単一光子検出器の構成を示した回路図である。この発明の実施の形態３に係る単一光子検出器の構成を示した回路図である。

実施の形態１．
図３および図４は、この発明の実施の形態１に係る単一光子検出器の構成を表わす回路図である。図３および図４において、１は入射した光に応じてＩＶ特性が変化するＡＰＤ、２はＡＰＤ１に流れる電流を電圧に変換する抵抗Ｒ、３はＡＰＤ１からの出力電圧を伝送する伝送路、４は同軸ケーブルまたはプリント基板上のパターンから構成される電気的な線路からなるスタブ、５ａ，５ｂはグラウンド（接地）、６は、単一光子検出器を駆動させるために印加されるバイアス電圧Ｖ（ｔ）、７は、単一光子検出器からの出力である。また、図４において、８はＡＰＤ１から出力される出力電圧、９は出力電圧に加わる周期的雑音、１０は光検出信号である。

図３および図４に示すように、本実施の形態１に係る単一光子検出器は、以下のように構成されている。ＡＰＤ１の一端と抵抗Ｒ（符号２）とが直列に接続されている。ＡＰＤ１の他端は、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６が印加される端子となっている。抵抗Ｒ（符号２）の、ＡＰＤ１と反対側の一端は、グラウンド５ａ（０Ｖ）に短絡され、接地されている。また、ＡＰＤ１と抵抗Ｒ（符号２）との間に伝送路３の一端が並列接続されており、伝送路３の他端は出力７が出力される出力端子となっており、コンパレータ等（図示せず）に接続されている。また、伝送路３の中間部分にスタブ４の一端が並列接続されている。スタブ４の他端はグラウンド５ｂ（０Ｖ）に短絡され、接地されている。以上が、本実施の形態１に係る量子暗号用光子検出器の周辺回路の構成である。

基本的な考え方は以下の通りである。まず、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６の周波数をν［Ｈｚ］とすると、上記の特許文献１に記載の従来方式の回路構成は、周波数ｎνの成分（ここで、ｎは整数とする。）をすべて除去するための帯域除去フィルタ（band elimination filter, ＢＥＦ）が設けられているとみなすことができる。そこで、本発明では、この帯域除去フィルタを、より簡単なスタブ型の帯域除去フィルタにおきかえることを提案する。ここでいうスタブとは、同軸ケーブルやプリント基板上のパターンから構成された電気的な線路のことである。従って、本実施の形態１においては、スタブと呼ばれる単純な線路を帯域除去フィルタとして用いることを提案する。

図３および図４を用いて、より詳しく説明すると、以下の通りである。まず、スタブ４上での電気信号の伝播速度をｃ［ｍ／ｓ］とし、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６の周期をνとし、対応する信号の波長をλとすると、周波数ν［Ｈｚ］の成分は、スタブ４上を波長λ＝ｃ／ν［ｍ］で伝播する。そこで、スタブ４の長さをλ／２にして、終端をグラウンド５ｂに短絡させて接地すると、この波長λの成分は、スタブ４上を往復して打ち消しあう（波の干渉効果）。また、同様に、波長λ／ｎ（ｎは整数）をもつ信号成分（または、νの整数倍の周波数ｎνをもつ信号成分）も、スタブ４上で打ち消される。従って、このスタブ４が、周波数ｎνをすべて除去する帯域除去フィルタとして働くことになる。

従って、本実施の形態１の単一光子検出器の動作は以下の通りである。ここでは、図４を用いて説明する。ＡＰＤ１は、入射した光に応じてＩＶ特性を変えるダイオードであるため、ＡＰＤ１に、図４のグラフ（ａ）に示すような、時間的に変化するパルス状のバイアス電圧Ｖ（ｔ）６を印加して、それが光検出にゲートをかけている状況を想定して、ゲート動作を行う。すなわち、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６が加わっている時間内（印加電圧Ｖ（ｔ）６が高い値（Ｈ）である時刻ｔ）に、単一光子検出器に光が入射されると、ＡＰＤ１に多くの電流が流れる。その電流を抵抗Ｒ（符号２）によって電圧に変換し、出力電圧８として出力することによって、当該入射光の検出を知らせる。しかし、このとき、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６の繰り返し周波数が大きい場合等には、光の入射の有無にかかわらず、周期的な電流がＡＰＤ１に流れる。そして、これが、出力電圧８に周期的雑音９として現れ、光検出信号１０の検出を困難にする。すなわち、図４のグラフ（ｂ）に示すように、出力電圧８には、光検出信号１０と周期的雑音９とが含まれている。特に、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６の周期を数百ＭＨｚ以上の高速とすると、周期的雑音９の振幅が光検出信号１０の振幅を上回り、光検出信号１０の識別が困難になる。従って、本実施の形態１においては、この問題を解決するための電子回路の構成として、スタブ４を伝送路３の途中に並列接続させるとともに、当該スタブ４の長さをλ／２にし、その終端をグラウンド５ｂに接続して接地するようにした。これにより、波長λの成分および波長λ／ｎの信号成分は、上述のように、スタブ４上を往復して打ち消しあうので、このスタブ４が、周波数ｎνをすべて除去する帯域除去フィルタとして働くことになり、出力電圧８に現れる周期的雑音９を除去することができる。この結果、図４のグラフ（ｃ）に示すように、出力７において、検出すべき光検出信号１０のみが顕著に表れるようになる。

このように、本実施の形態１においては、スタブ４が、伝送路３を介してＡＰＤ１に接続されて、ＡＰＤ１に印加されるバイアス電圧Ｖ（ｔ）６に起因して出力電圧８に乗る周期的雑音９を除去するための、スタブ型の帯域除去フィルタを構成している。これにより、スタブという単純な線路から帯域除去フィルタが構成でき、安価で単純な回路により、周期的雑音９を確実に除去でき、高精度、高感度な、光検出を行うことができる。

以上のように、本実施の形態１に係る単一光子検出器は、ＡＰＤ１の出力電圧に加わる周期的雑音９の除去のために従来用いていた差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって同様の機能を実現することにより、回路のコストダウンを図ることができる。また、スタブ４により、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６に起因してＡＰＤ１の出力電圧８に加わる周期的雑音９を除去することができるので、単一光子検出器からの出力７において、当該周期的雑音９を除去させて、光検出信号１０を顕著に表わすことができ、入射された光の検出の精度を向上させることができるという効果を奏する。

なお、上記の実施の形態１の説明においては、スタブ４を１段設ける例について説明したが、その場合に限らず、スタブ４は単純な線路であるため、伝送路３に対して複数段を連ねて設けることも容易に可能であり、コスト的にもスペース的にも特に問題はない。また、スタブ４を多段化した場合には、段数に応じて、帯域除去フィルタの雑音除去の効果をいくらでも強めることができる。スタブ４を多段化した例については、後述の実施の形態２および３で説明する。

実施の形態２．
基本的な考え方は、上述の実施の形態１と同じであるが、本実施の形態２では、帯域除去フィルタの効果をさらに高めるために、スタブ４を並列に並べて多段化する例について説明する。すなわち、本実施の形態２においては、１つのＡＰＤ１に対して、スタブ４が複数段設けられている。

図５は、本実施の形態２に係る単一光子検出器の構成を表わす回路図である。図５において、１はＡＰＤ、２は抵抗Ｒ、３は伝送路、４はスタブ、５ａ，５ｂはグラウンド（接地）、６はＡＰＤ１に印加するための時間的に変化するパルス状のバイアス電圧Ｖ（ｔ）、７は単一光子検出器の出力である。

図５に示すように、本実施の形態２に係る単一光子検出器は、以下のように構成されている。ＡＰＤ１の一端と抵抗Ｒ（符号２）とが直列に接続され、ＡＰＤ１の、反対側の一端には、上述の実施の形態１で説明したバイアス電圧Ｖ（ｔ）６が印加される。また、抵抗Ｒ（符号２）の、ＡＰＤ１と反対側の一端は、グラウンド５ａ（０Ｖ）に短絡され、接地されている。また、ＡＰＤ１と抵抗Ｒ（符号２）との間に伝送路３の一端が並列接続されており、伝送路３の他端は出力端子となっており、コンパレータ等（図示せず）に接続され、そこから出力７が出力される。また、伝送路３の途中には、スタブ４が複数段設けられており、各スタブ４の一端が伝送路３に並列接続されている。各スタブ４の他端はグラウンド５ｂ（０Ｖ）に短絡され、接地されている。本実施の形態２の構成と実施の形態１の構成との違いは、図５に示すように、伝送路３にスタブ４が複数段設けられている点である。他の構成については、実施の形態１と同じである。なお、スタブ４を設ける間隔は、すべて一定間隔でもよいが、特にそれに限定されるものではなく、場所によって異なる任意の間隔で設けるようにしてもよい。

本実施の形態２の単一光子検出器の動作は以下の通りである。実施の形態１と同様に、ＡＰＤ１に、時間的に変化するパルス状のバイアス電圧Ｖ（ｔ）６を印加し、バイアス電圧Ｖ（ｔ）６が加わっている時間内（印加電圧Ｖ（ｔ）が高い値（Ｈ）である時刻ｔ）に光が入射すると、ＡＰＤ１に多くの電流が流れるので、その電流を抵抗Ｒ（符号２）によって電圧に変換し、出力することによって光の検出を知らせる。本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、ＡＰＤ１から出力される出力電圧に周期的雑音が現れるので、スタブ４により当該周期的雑音を除去する。本実施の形態２においても、各スタブ４の長さをλ／２にし、その終端をグラウンド５ｂに接続して接地するようにしたので、これにより、波長λの成分は、実施の形態１と同様に、スタブ４上を往復して打ち消しあうので、このスタブ４が、周波数ｎνを除去する帯域除去フィルタとして働くことになり、ＡＰＤ１から出力される出力電圧８（図４参照）に現れる周期的雑音９（図４参照）を除去し、出力７においては、検出すべき光検出信号１０のみが顕著に表れるようにすることができる。また、本実施の形態２においては、スタブ４を多段化して、複数段設けるようにしたので、スタブ４の個数に応じて雑音除去の効果をより強めることができるので、実施の形態１に比べて、さらに雑音除去の効果を高めることができる。

以上のように、本実施の形態２に係る単一光子検出器は、上述の実施の形態１と同様に、従来用いていた差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって、同様の機能（周期的雑音除去の機能）を実現することにより、回路のコストダウンを図ることができるという効果を奏する。また、本実施の形態２においては、スタブ４を多段設けるようにしたので、その段数に応じて、雑音除去の効果をいくらでも強めることができるため、必要に応じて、所望の段数のスタブ４を設けるようにすれば、より高い雑音除去の効果を実現することができるという効果が得られる。

実施の形態３．
基本の考え方は、上述の実施の形態１および２と同じだが、本実施の形態３では、上述の実施の形態２の構成に対して、各スタブ４の間にアッテネータ（減衰器）を挿入した。

図６は、この発明の実施の形態３に係る単一光子検出器の構成を表わす回路図である。図６において、１はＡＰＤ、２は抵抗Ｒ、３は伝送路、４はスタブ、５ａ，５ｂはグラウンド（接地）、６はＡＰＤ１に印加するための時間的に変化するパルス状のバイアス電圧Ｖ（ｔ）、７は出力、１１はアッテネータ（減衰器）である。

アッテネータ（減衰器）１１を設けたことは、帯域除去フィルタの効果を高めるための措置である。スタブ型の帯域除去フィルタは抵抗を含まないので、周波数ｎνの信号成分は消滅することはなく、実は、反射して、伝送路３を逆方向、つまり、前段のスタブ４またはＡＰＤ１の方向に戻っていく（なお、上述の実施の形態１でも、この状況は同様だが、スタブ４が１段であれば反射波は必ず抵抗Ｒ（符号２）に吸収されて消滅するので問題ない。）。そして、この反射波が再び前段のスタブ４で反射されて、ということを繰返して、回路内に存在し続けると、多段化をした効果が薄れる。そこで、本実施の形態３においては、この反射波を吸収する目的で、スタブ４間にアッテネータ（減衰器）１１を挿入し、それにより、当該反射波を吸収するようにした。他の動作および構成については、実施の形態１または２と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

以上のように、本実施の形態３に係る単一光子検出器は、上述の実施の形態１および２と同様に、従来用いていた差動アンプ等の代わりに、スタブと呼ばれる単純な線路を用いることによって、同様の機能を実現することにより、回路のコストダウンを図ることができるという効果を奏する。また、本実施の形態３においては、上述の実施の形態２と同様に、スタブ４を多段設けるようにしたので、その段数に応じて、雑音除去の効果をいくらでも強めることができるため、必要に応じて、所望の段数のスタブ４を設けるようにすれば、より高い雑音除去の効果を実現することができるという効果が得られる。さらに、本実施の形態３においては、消滅せずに反射して伝送路３の逆方向、すなわち、前段のスタブ４またはＡＰＤ１の方向に反射波として戻っていく周波数ｎνの信号成分を吸収する目的で、スタブ４間にアッテネータ（減衰器）１１を挿入する構成としたので、周波数ｎνの信号成分も確実に除去でき、多段化した効果を十分に発揮することができる。

１ＡＰＤ、２抵抗Ｒ、３伝送路、４スタブ、５ａ，５ｂグラウンド（接地）、６バイアス電圧Ｖ（ｔ）、７出力、８出力電圧、９周期的雑音、１０光検出信号、１１アッテネータ（減衰器）。

Claims

アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に周期的なバイアス電圧を印加することにより駆動される単一光子検出器であって、
前記アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に接続され、前記バイアス電圧に起因して出力信号に加わる周期的な雑音を除去するスタブ型の帯域除去フィルタを備えた
ことを特徴とする単一光子検出器。
前記スタブ型の帯域除去フィルタは、同軸ケーブルまたはプリント基板上のパターンから構成された電気的な線路であって、
前記線路の前記アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に接続されていない側の終端は接地されている
ことを特徴とする請求項１に記載の単一光子検出器。
前記スタブ型の帯域除去フィルタは、単一の前記アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）に対して、複数段設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の単一光子検出器。
複数段設けられている前記スタブ型の帯域除去フィルタ同士の間に減衰器を設けたことを特徴とする請求項３に記載の単一光子検出器。