JP4146647B2

JP4146647B2 - Single photon detection method and single photon detection apparatus

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Publication number: JP4146647B2
Application number: JP2002034747A
Authority: JP
Inventors: 知行丸山; 二三男成沢; 真工藤; 光喜田中
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: JP2003243694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子発生源によって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された検出装置として、図６に示す単一光子検出装置５１が従来から知られている。この単一光子検出装置５１は、単一光子発生源５２によって出射された単一光子（以下、「光子」ともいう）Ｐｈを検出するためのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」ともいう）１１と、ＡＰＤ１１にバイアス電圧Ｖｂを印加するＤＣバイアス電源１２と、単一光子発生源５２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に出力するパルスジェネレータ５３と、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐに基づいて光子Ｐｈの入射有無を検出してその入射数をカウントするカウンタ５４とを備えている。この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源５２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地されると共にカソード端子がＤＣバイアス電源１２およびパルスジェネレータ５３に接続されている。
【０００３】
この単一光子検出装置５１を用いて光子Ｐｈをカウント（検出）する際には、まず、ＤＣバイアス電源１２によってＡＰＤ１１のカソード端子にブレークダウン電圧（図７に示す電圧Ｖ１）を下回る正極性のバイアス電圧Ｖｂ（同図に示す電圧Ｖ２）を印加する。次に、単一光子発生源５２に対して光子Ｐｈを出射させる。この際に、単一光子発生源５２は、トリガ信号Ｓｔを出力すると共に、そのトリガ信号Ｓｔの出力に同期して光子Ｐｈを出射する。これに応じて、パルスジェネレータ５３がトリガ信号Ｓｔに同期して、一例としてパルス幅が１ｎｓ〜２ｎｓのパルス電圧Ｖｐを生成すると共に、生成したパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１のカソード端子に印加する。これにより、図７に示すように、ＤＣバイアス電源１２によって印加されているバイアス電圧Ｖｂにパルスジェネレータ５３から出力されるパルス電圧Ｖｐが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超える電圧がＡＰＤ１１のカソード端子に印加される。この状態では、単一光子発生源５２によって出射された光子ＰｈがＡＰＤ１１に入射されることにより、ＡＰＤ１１内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Ｓｐとして出力される。
【０００４】
一方、カウンタ５４は、単一光子発生源５２によって出力されたトリガ信号Ｓｔを入力して、所定のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号ＳｐがＡＰＤ１１によって出力されたか否かを検出する検出処理を開始する。この際に、しきい値を超えたパルス信号Ｓｐが出力された際には、光子Ｐｈが入射されたものとして１カウントする。次いで、パルスジェネレータ５３によるパルス電圧Ｖｐの出力が停止された時点で、カソード端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。このように、この単一光子検出装置５１では、トリガ信号Ｓｔの出力時（光子Ｐｈの入射が期待される短期間）にのみＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させることで、光子Ｐｈの未入射状態では、熱雑音などに起因するＡＰＤ１１によるダークパルス（光子Ｐｈの入射以外の原因でしきい値を超えて出力されるパルス信号Ｓｐ）の出力が低減されている。また、単一光子発生源５２によって出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス幅の狭いパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に印加することで、ＡＰＤ１１がアバランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルスの発生がさらに低減されている。したがって、この単一光子検出装置５１によれば、ダークパルスの発生を低減したことにより、このパルス信号Ｓｐの数をカウントすることで、光子Ｐｈの入射数をある程度正確に測定することが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出方法には、以下の問題点がある。すなわち、従来の単一光子の検出方法では、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生を低減している。しかしながら、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバランシェ降伏時間（１ｎｓ〜２ｎｓ）は、図７に示すように、光子Ｐｈの入射時間（例えば２２ｐｓ）と比較して、非常に長い時間となっている。このため、光子Ｐｈの未入射状態においてダークパルスが出力される可能性が十分に存在する。したがって、従来の単一光子の検出方法には、光子Ｐｈが未入射であるにも拘わらず入射されたと誤って検出することがあるため、その検出精度が低いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、前記算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光子の入射を検出する。
【０００８】
請求項２記載の単一光子の検出方法は、請求項１記載の単一光子の検出方法において、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加して前記第２波高値分布を測定する。
【０００９】
請求項３記載の単一光子の検出方法は、請求項２記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１０】
請求項４記載の単一光子の検出方法は、請求項１から３のいずれかに記載の単一光子の検出方法において、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定した。
【００１１】
請求項５記載の単一光子の検出装置は、単一光子発生源によって出射された単一光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータと、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第１および第２カウンタと、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパルス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオードに印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中において前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させると共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間として設定する。
【００１２】
請求項６記載の単一光子の検出装置は、請求項５記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する。
【００１３】
請求項７記載の単一光子の検出装置は、請求項６記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１４】
請求項８記載の単一光子の検出装置は、請求項５から７のいずれかに記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された単一光子検出装置１の好適な実施の形態について説明する。なお、従来の単一光子検出装置５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
単一光子検出装置１は、単一光子発生源２によって出射された光子Ｐｈを検出する装置であって、図１に示すように、ＡＰＤ１１、ＤＣバイアス電源１２、トリガ信号Ｓｔに基づいて第１のパルス電圧Ｖｐ１と第２のパルス電圧Ｖｐ２（以下、特に区別しないときには「パルス電圧Ｖｐ」という）とを生成するパルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５、第２カウンタ１６およびＣＰＵ（本発明における制御部）１７を備えている。
【００１７】
この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、パルス電圧Ｖｐの印加直後（アバランシェ降伏の初期時）ほどキャリアの増幅作用が大きく、パルス電圧Ｖｐを印加してから経過時間が長くなるに従いその増幅作用が小さくなる特性を有している。したがって、光子Ｐｈの入射タイミングと、パルス電圧Ｖｐの印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐの立ち上がり付近）とを互いに同期させることで、その光子Ｐｈの入射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結果、パルス信号Ｓｐ（本発明における出力信号）の出力レベルを大きくすることができる。
【００１８】
パルスジェネレータ１３は、単一光子発生源２によって生成されるトリガ信号Ｓｔが入力されたときには、ＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ２経過後に第１のパルス電圧Ｖｐ１を生成すると共に、さらにＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ３経過後に第２のパルス電圧Ｖｐ２（第１のパルス電圧Ｖｐ１と同じ時間幅：一例として１ｎｓ〜２ｎｓ）を生成する。コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐの出力レベルをＣＰＵ１７によって予め設定されたしきい値Ｖｔｈと比較し、パルス信号Ｓｐの出力レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを生成して出力する。
【００１９】
第１カウンタ１５は、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ１が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。第２カウンタ１６も同様にして、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ２が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。
【００２０】
ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶された動作プログラムに従って動作し、開始信号Ｓｓを生成して単一光子発生源２に出力する。また、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６を統括制御する。具体的には、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、トリガ信号Ｓｔを入力した際には、所定の遅延時間Ｔｄ４経過後にイネーブル信号Ｓｅ１を生成して第１カウンタ１５に出力すると共に、所定の遅延時間Ｔｄ５経過後にイネーブル信号Ｓｅ２を生成して第２カウンタ１６に出力する。この場合、各遅延時間Ｔｄ４，Ｔｄ５および各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、同図に示すように、イネーブル信号Ｓｅ１の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第１のパルス電圧Ｖｐ１が生成され、かつイネーブル信号Ｓｅ２の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第２のパルス電圧Ｖｐ２が生成されるようにそれぞれ予め設定されている。また、各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、例えば同一に設定されている。さらに、ＣＰＵ１７は、しきい値Ｖｔｈをコンパレータ１４に設定する。また、ＣＰＵ１７は、遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３に対応する遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する。これらの場合、ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブルおよび遅延時間テーブルを参照してしきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成する。一例として、しきい値テーブルには、複数のしきい値Ｖｔｈが所定レベル刻みで昇順に配列（記録）されている。同様にして、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Ｔｄ２が昇順（または降順）で配列（記録）されると共に、一種類の遅延時間Ｔｄ３が記録されている。一例として、遅延時間Ｔｄ２の最小値は、後述する遅延時間Ｔｄ１よりも若干短い時間に設定され、遅延時間Ｔｄ２の最大値は、遅延時間Ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。また、遅延時間Ｔｄ３は、例えば、開始信号Ｓｓの周期Ｔ１の約１／２に設定されている。なお、テーブルを参照せずに、しきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を演算して生成することも可能である。
【００２１】
次に、単一光子検出装置１によるパルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２の最適値およびコンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈの最適値の算出処理について、図２，３を参照して説明する。なお、この際に使用する単一光子発生源２は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを入力したときに、この開始信号Ｓｓに同期してトリガ信号Ｓｔを出力すると共にこのトリガ信号Ｓｔに同期して光子Ｐｈを出射可能に構成されている。また、単一光子発生源２は、トリガ信号Ｓｔに対して光子Ｐｈを上記の遅延時間Ｔｄ１だけ遅延して出力するように設定されている。したがって、パルスジェネレータ１３によるトリガ信号Ｓｔの入力から第１のパルス電圧Ｖｐ１の出力までの遅延時間Ｔｄ２を調整することによって、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐ１の印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐ１の立ち上がり）をＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングに対して最適なタイミングに設定することが可能となる。
【００２２】
まず、ＣＰＵ１７は、遅延時間テーブルを参照することによって遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に対して遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する（ステップ３１）。一例として、ＣＰＵ１７は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に設定する。また、ＣＰＵ１７は、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６の各カウント値をリセットする。
【００２３】
次いで、ＣＰＵ１７は、しきい値テーブルを参照することによってしきい値Ｖｔｈを生成し（読み出し）て、コンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。
【００２４】
次いで、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを一定の周期Ｔ１で繰り返し生成して単一光子発生源２に出力する。これにより、単一光子発生源２は、図２に示すように、周期Ｔ１でトリガ信号Ｓｔおよび光子Ｐｈを繰り返し生成して出力する。また、ＣＰＵ１７は、単一光子発生源２によって生成されたトリガ信号Ｓｔが入力される毎に、イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２を生成して第１カウンタ１５および第２カウンタ１６にそれぞれ出力する。一方、パルスジェネレータ１３は、トリガ信号Ｓｔが入力される毎に、第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２を生成してＡＰＤ１１に出力する。次いで、ＡＰＤ１１は、各パルス電圧Ｖｐの印加期間だけアバランシェ降伏して、第１のパルス電圧Ｖｐ１の印加期間中においては光子Ｐｈの入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスを含む）を出力する。また、ＡＰＤ１１は、第２のパルス電圧Ｖｐ２の印加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスのみ）を出力する。この際に、コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されたパルス信号Ｓｐの電圧レベルとしきい値Ｖｔｈとを比較し、パルス信号Ｓｐの電圧レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを出力する。次いで、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６が、ＣＰＵ１７によって出力された各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２に基づき、それぞれ第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電圧ＶｐのＡＰＤ１１への印加期間（印加状態）においてイネーブル状態に移行する。このため、第１カウンタ１５は、第１のパルス電圧Ｖｐ１のＡＰＤ１１への印加期間中（印加状態）にイネーブル状態に移行してコンパレータ１４によって生成される検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする。一方、第２カウンタ１６は、第２のパルス電圧Ｖｐ２のＡＰＤ１１への印加期間中にイネーブル状態となって光子Ｐｈの未入射期間中における検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする（ステップ３３）。
【００２５】
ＣＰＵ１７は、開始信号Ｓｓの出力回数が規定回数に達したか否かを判別し（ステップ３４）、達しないと判別したときにはステップ３３を繰り返し実行する。一方、ＣＰＵ１７は、規定回数に達したと判別したときには、開始信号Ｓｓの出力を停止した後、各カウンタ１５，１６の現在の各カウント値を読み出すと共に現在のしきい値Ｖｔｈに関連付けて内部メモリにそれぞれ記憶する。また、ＣＰＵ１７は、コンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３５）。
【００２６】
上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３２に移行して、しきい値テーブルから次のしきい値Ｖｔｈ（次に高いレベルのしきい値Ｖｔｈ）を読み出してコンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。ＣＰＵ１７は、ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別するまで、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行して、コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈを順次変更設定しつつ、各しきい値Ｖｔｈにおける各カウンタ１５，１６のカウント値を記憶する。この場合、第１カウンタ１５のカウント値は、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生した検出信号Ｓｄの出力回数を示し、第２カウンタ１６のカウント値は、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因して発生した検出信号Ｓｄ（ダークパルス）の出力回数を示している。したがって、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行することにより、図４に示すように、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等の双方に起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１積分波高値分布と、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２積分波高値分布とが測定される（ステップ３６）。
【００２７】
ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布とに基づいて、図５に示すような、純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１波高値分布（第１微分波高値分布ともいう）と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Ｓｐ（ダークパルス）の出力回数についての第２波高値分布（第２微分波高値分布ともいう）とを算出する（ステップ３７）。具体的には、ＣＰＵ１７は、第２積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐ、言い替えれば、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。また、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布のカウント値から第２積分波高値分布のカウント値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Ｓｐのうちの主として光子Ｐｈの入射に起因して出力レベルがしきい値Ｖｔｈを超えるパルス信号Ｓｐの出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、その第３積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。
【００２８】
次に、ＣＰＵ１７は、算出した第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃを算出すると共に、このしきい値Ｖｔｈｃを超える各しきい値Ｖｔｈのダークパルスの総数Ｎｄ（図５における左下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）、および純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの総数Ｎｐ（図５における右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）を算出し、さらに総数Ｎｐを総数Ｎｄで除算することにより、この遅延時間Ｔｄ２（この例では、最小の遅延時間）を設定して光子Ｐｈの入射検出を行った際のＳＮ比を算出する（ステップ３８）。この場合、第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４の実際のしきい値Ｖｔｈｃとすることにより、光子Ｐｈの入射に起因したパルス信号Ｓｐのカウント値をダークパルスのカウント値よりも常に多くすることができると共に、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光子Ｐｈの入射検出を行うことができる。
【００２９】
次に、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３９）。上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３１に移行して、遅延時間テーブルから次の遅延時間データＤｄ２を読み出してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に新たな遅延時間Ｔｄ２を設定する。この後、ＣＰＵ１７は、ステップ３１〜ステップ３９を繰り返し実行して、パルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２を順次変更設定しながら、各遅延時間Ｔｄ２毎のしきい値ＶｔｈｃおよびＳＮ比を同様にして算出する。
【００３０】
一方、ＣＰＵ１７は、ステップ３９において、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、算出した複数のＳＮ比のうちからＳＮ比が最大となる１つの遅延時間Ｔｄ２を決定する。次いで、ＣＰＵ１７は、この決定した遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間として決定して設定すると共に、この遅延時間Ｔｄ２のときのしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈとして決定して設定する（ステップ４０）。
【００３１】
このように、この単一光子検出装置１による単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間Ｔｄ２およびコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈを設定することにより、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Ｐｈの入射を検出できる状態に単一光子検出装置１を設定することができるため、高い精度で光子Ｐｈの入射を検出することができる。
【００３２】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、抵抗を介してＡＰＤ１１のアノード端子を接地して、正極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の電圧Ｖ２およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧Ｖｐをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、抵抗を介してＡＰＤ１１のカソード端子を接地して、負極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の出力電圧およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧をアノード端子に印加してもよい。この場合には、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐの立ち下がり（印加開始タイミング）と、ＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングとを同期させる。また、本発明の実施の形態では、図３におけるステップ３１〜ステップ３９のループ内で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出する構成を採用したが、ステップ３６，３７において算出した各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時点で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出すると共にＳＮ比が最大となる遅延時間Ｔｄ２を算出する構成を採用することもできる。また、本発明の実施の形態では、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を求め、これら各積分波高値分布に基づいて、第１波高値分布および第２波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコンパレータ１４に代えてウィンドウコンパレータを使用すると共に、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつ次のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数を第１カウンタ１５および第２カウンタ１６でカウントする構成を採用することにより、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を測定することなく、第１波高値分布および第２波高値分布を算出することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の単一光子の検出方法および請求項５記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されている期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第１波高値分布および第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第２波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１波高値分布、第２波高値分布、およびしきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけトリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオードに対して印加して単一光子を検出することにより、検出可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、ＳＮ比が最も良好となるタイミングで第１のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加することができる。したがって、単一光子の入射を精度良く検出することができる。
【００３４】
さらに、請求項２記載の単一光子の検出方法および請求項６記載の単一光子の検出装置によれば、単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力させると共に単一光子を出射させて第１波高値分布を測定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに対して単一光子が入射されていない期間において所定の周期で繰り返し印加して第２波高値分布を測定することにより、一回の測定によって得られた第１波高値分布および第２波高値分布に基づいてＳＮ比が最大となる遅延時間を算出するのと比較して、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射を一層精度良く検出することができる。
【００３５】
さらに、請求項３記載の単一光子の検出方法および請求項７記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および第２のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布との差分に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、第３積分波高値分布に基づいて第１波高値分布を算出すると共に第２積分波高値分布に基づいて第２波高値分布を算出することにより、第１波高値分布および第２波高値分布を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤差を軽減することができる。したがって、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射をさらに一層精度良く検出することができる。
【００３６】
また、請求項４記載の単一光子の検出方法および請求項８記載の単一光子の検出装置によれば、第１波高値分布および第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値をＳＮ比を算出する際の決定基準として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因した出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、単一光子の入射検出率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る単一光子検出装置１の構成図である。
【図２】単一光子検出装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】単一光子検出装置１の動作および本発明の実施の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】しきい値Ｖｔｈをパラメータとして光子Ｐｈの入射状態のときにおける第１積分波高値分布および光子Ｐｈの非入射状態のときにおける第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図５】しきい値Ｖｔｈをパラメータとする光子Ｐｈの第１波高値分布およびダークパルスについての第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図６】従来の単一光子検出装置５１の構成図である。
【図７】従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出に際して、ＡＰＤ１１に印加電圧を印加するタイミングと光子Ｐｈの入射タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１単一光子検出装置
２単一光子発生源
１１アバランシェフォトダイオード
１２ＤＣバイアス電源
１３パルスジェネレータ
１４コンパレータ
１５，１６カウンタ
ＯＣ光ケーブル
Ｐｈ光子
Ｓｐ検出信号
Ｓｓ開始信号
Ｓｔトリガ信号
Ｖｂバイアス電圧
Ｖｐパルス電圧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single photon detection method and a detection apparatus for detecting a single photon emitted from a single photon generation source using an avalanche photodiode.
[0002]
[Prior art]
A single photon detection device 51 shown in FIG. 6 is conventionally known as a detection device configured to be able to detect a single photon according to this type of detection method. This single photon detection device 51 is an avalanche photodiode (hereinafter also referred to as “APD”) 11 for detecting a single photon (hereinafter also referred to as “photon”) Ph emitted from a single photon generation source 52. A DC bias power source 12 that applies a bias voltage Vb to the APD 11, a pulse generator 53 that outputs a pulse voltage Vp to the APD 11 in synchronization with a trigger signal St output from the single photon generation source 52 together with emission of the photon Ph, And a counter 54 that detects the presence / absence of the incidence of the photon Ph based on the pulse signal Sp output from the APD 11 and counts the number of incidence thereof. In this case, the APD 11 is connected to the single photon generation source 52 via the optical cable OC. In addition, as an example, the anode terminal of the APD 11 is grounded via a resistor, and the cathode terminal is connected to the DC bias power source 12 and the pulse generator 53.
[0003]
When the photon Ph is counted (detected) using the single photon detection device 51, first, a positive polarity lower than the breakdown voltage (voltage V1 shown in FIG. 7) is applied to the cathode terminal of the APD 11 by the DC bias power source 12. A bias voltage Vb (voltage V2 shown in the figure) is applied. Next, the photon Ph is emitted to the single photon generation source 52. At this time, the single photon generation source 52 outputs a trigger signal St and emits a photon Ph in synchronization with the output of the trigger signal St. In response to this, the pulse generator 53 generates a pulse voltage Vp having a pulse width of 1 ns to 2 ns in synchronism with the trigger signal St, and applies the generated pulse voltage Vp to the cathode terminal of the APD 11. As a result, as shown in FIG. 7, the pulse voltage Vp output from the pulse generator 53 is synthesized with the bias voltage Vb applied by the DC bias power supply 12, so that the voltage exceeding the breakdown voltage becomes the cathode of the APD 11. Applied to the terminal. In this state, the photons Ph emitted from the single photon generation source 52 are incident on the APD 11, whereby the carriers generated in the APD 11 are amplified and output as the pulse signal Sp.
[0004]
On the other hand, the counter 54 receives the trigger signal St output from the single photon generation source 52 and detects whether or not the pulse signal Sp having an output level exceeding a predetermined threshold is output by the APD 11. Start processing. At this time, when the pulse signal Sp exceeding the threshold value is output, it is counted as one in which the photon Ph is incident. Next, when the output of the pulse voltage Vp by the pulse generator 53 is stopped, the voltage applied to the cathode terminal falls below the breakdown voltage. As described above, in the single photon detection device 51, the APD 11 is avalanche breakdown only when the trigger signal St is output (a short period in which the incidence of the photon Ph is expected). The output of the dark pulse (pulse signal Sp output exceeding the threshold due to a cause other than the incidence of the photon Ph) due to the APD 11 due to noise or the like is reduced. In addition, by applying a pulse voltage Vp having a narrow pulse width to the APD 11 in synchronization with the trigger signal St output from the single photon generation source 52, the time for the APD 11 to avalanche breakdown is shortened. Is further reduced. Therefore, according to the single photon detection device 51, by reducing the generation of dark pulses, the number of incident photons Ph can be measured to some extent accurately by counting the number of pulse signals Sp. It has become.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method of detecting a single photon by the single photon detector 51 has the following problems. That is, in the conventional single photon detection method, the time for avalanche breakdown of the APD 11 is shortened to reduce the generation of dark pulses due to thermal noise or the like. However, even if the time for avalanche breakdown of the APD 11 is shortened, the avalanche breakdown time (1 ns to 2 ns) is much longer than the incident time of the photon Ph (for example, 22 ps) as shown in FIG. It has become. For this reason, there is a sufficient possibility that a dark pulse is output when the photon Ph is not incident. Therefore, the conventional single photon detection method has a problem that the detection accuracy is low because it may be erroneously detected that the photon Ph is incident although it is not incident.
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and a main object of the present invention is to provide a single photon detection method and a detection apparatus capable of accurately detecting the incidence of a single photon.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Claims to achieve the above object 1 The method for detecting a single photon described includes a predetermined voltage that is lower than a breakdown voltage of an avalanche photodiode, and the predetermined voltage that is generated in synchronization with a trigger signal that is output together with emission of a single photon by a single photon source. The single photon is incident on the avalanche photodiode in a state where the first pulse voltage in which the combined voltage is higher than the breakdown voltage is applied to the avalanche photodiode, and the output signal output by the avalanche photodiode A single photon detection method for detecting the incidence of a single photon when an output level exceeds a predetermined threshold, wherein a delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage And the threshold value is sequentially changed so that the first pulse voltage is applied and the single photon enters. The first peak value distribution and the first pulse voltage with respect to the number of output times of the output signal to which the output level belongs between a pair of adjacent thresholds in the period being applied are applied to the single photon. Measuring a second peak value distribution for the number of outputs of the output signal to which the output level belongs between the pair of adjacent thresholds in a period during which no incident occurs, for each of the changed delay times; The SN ratio is calculated for each delay time based on a predetermined criterion for the 1 peak value distribution, the second peak value distribution, and the threshold value, and the calculated SN ratio is maximized. Delayed from the trigger signal by time and applied to the avalanche photodiode to detect the incidence of the single photon.
[0008]
Claim 2 The method of detecting a single photon as claimed in claim 1 In the single photon detection method described in the above, the trigger signal is output at a predetermined period to the single photon generation source and the single photon is emitted to measure the first peak value distribution, and A second pulse voltage whose combined voltage with a predetermined voltage exceeds the breakdown voltage is repeatedly applied at the predetermined period in the period when the single photon is not incident on the avalanche photodiode, and the second wave is applied. Measure high value distribution.
[0009]
Claim 3 The method of detecting a single photon as claimed in claim 2 In the single photon detection method described above, the delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage and the threshold value are sequentially changed, and the application of the first pulse voltage in the application state of the first pulse voltage is performed. The number of outputs in which the output level of the output signal exceeds the threshold value in the application state of the first integrated peak value distribution and the second pulse voltage for the output frequency that the output level of the output signal exceeds the threshold value. And measuring the second integrated peak value distribution for each of the changed delay times, and based mainly on the difference between the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution, A third integrated peak value distribution is calculated for the number of times the output signal is output with the output level exceeding each threshold value due to the incidence of a single photon, and the third integrated peak value distribution is calculated. Based calculates the second crest value distribution based on the second integral peak value distribution and calculates the first peak value distribution.
[0010]
Claim 4 The method of detecting a single photon as claimed in claim 1 From 3 In the single photon detection method according to any one of the above, when the SN ratio is calculated based on the threshold value corresponding to the intersection of the envelopes of the first peak value distribution and the second peak value distribution It was defined as the decision criterion.
[0011]
Claim 5 The single photon detection device described above includes an avalanche photodiode to which a single photon emitted from a single photon generation source is incident, and a DC bias power supply that applies a predetermined voltage lower than a breakdown voltage to the avalanche photodiode. The avalanche photodiode is generated by generating a first pulse voltage whose combined voltage with the predetermined voltage exceeds the breakdown voltage in synchronization with a trigger signal output together with emission of the single photon by the single photon generation source. And a comparator that outputs a detection signal when an output level of an output signal output from the avalanche photodiode exceeds a predetermined threshold value in a state where the first pulse voltage is applied. Single photon detection device when enabled First and second counters for counting the number of times the detection signal is output from the comparator, and outputting the trigger signal to the single photon generation source at a predetermined period, and for a predetermined time with respect to the trigger signal. The single photon is delayed and emitted, the delay time from the input of the trigger signal to the application of the first pulse voltage is set to the pulse generator, and the single photon is not applied to the avalanche photodiode. A second pulse voltage is generated during the incidence period and applied to the avalanche photodiode, and the first counter is shifted to the enable state during the output period of the first pulse voltage, and the second pulse voltage is generated. The second counter is shifted to the enable state during the output period of A control unit for setting and controlling the threshold value for the comparator, the control unit sequentially changing and setting the delay time and the threshold value, and applying the first pulse voltage to the single unit. Based on the count value of the first counter, the first peak value distribution for the number of times the output signal belongs to which the output level belongs between a pair of adjacent thresholds during a period in which one photon is incident. The output signal that is measured at each changed delay time and to which the output level belongs between the pair of adjacent thresholds in a period in which the first pulse voltage is applied and the single photon is not incident The second peak value distribution for the number of outputs is measured for each of the changed delay times based on the count value of the second counter, and the first peak value distribution, the second peak value distribution, The SN ratio is calculated for each delay time based on a predetermined criterion for the threshold value, and the delay time at which the calculated SN ratio is maximized is set as the delay time for the pulse generator.
[0012]
Claim 6 A single photon detection device as claimed in claim 5 In the single-photon detection apparatus described above, the control unit causes the single-photon generation source to output the trigger signal at a predetermined period and emit the single-photon to obtain the first peak value distribution. And a second pulse voltage whose combined voltage with the predetermined voltage exceeds the breakdown voltage is repeatedly applied at the predetermined period in a period in which the single photon is not incident on the avalanche photodiode. Then, the second peak value distribution is measured.
[0013]
Claim 7 A single photon detection device as claimed in claim 6 In the single photon detection device described above, the control unit sequentially changes and sets a delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage and the threshold value, so that the first pulse is output. In the voltage application state, the output level of the output signal exceeds the threshold value. The output value of the output signal in the application state of the first integrated peak value distribution and the second pulse voltage in the application state of the second pulse voltage. The second integrated peak value distribution for the number of outputs exceeding the threshold value is measured for each of the changed delay times, and the output is based on the difference between the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution. Calculating a third integrated peak value distribution for the number of outputs of the output signal whose output level exceeds the respective threshold values mainly due to incidence of the single photon of the signal; 3 calculates the second crest value distribution based on the second integral peak value distribution and calculates the first crest value distribution based on the integrated peak value distribution.
[0014]
Claim 8 A single photon detection device as claimed in claim 5 From 7 In the single-photon detection device according to any one of the above, the control unit sets the threshold value corresponding to the intersection of the envelopes of the first peak value distribution and the second peak value distribution to the SN ratio. This is defined as the determination criterion when calculating.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a single photon detection apparatus 1 configured to be able to detect a single photon according to a single photon detection method according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, about the component same as the conventional single photon detection apparatus 51, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0016]
The single photon detection device 1 is a device that detects a photon Ph emitted from a single photon generation source 2, and as shown in FIG. 1, a first one based on an APD 11, a DC bias power source 12, and a trigger signal St. A pulse generator 13, a comparator 14, a first counter 15, a second counter 16 and a CPU that generate a pulse voltage Vp1 and a second pulse voltage Vp2 (hereinafter referred to as "pulse voltage Vp" unless otherwise distinguished). Control section) 17.
[0017]
In this case, the APD 11 is connected to the single photon generation source 2 via the optical cable OC. In addition, the APD 11 has a characteristic that the carrier amplification effect increases as soon as the pulse voltage Vp is applied (at the initial stage of avalanche breakdown), and the amplification effect decreases as the elapsed time increases after the pulse voltage Vp is applied. ing. Therefore, by synchronizing the incident timing of the photon Ph and the application start timing of the pulse voltage Vp (that is, near the rising edge of the pulse voltage Vp) with each other, carriers generated with the incidence of the photon Ph are efficiently amplified. As a result, the output level of the pulse signal Sp (output signal in the present invention) can be increased.
[0018]
When the trigger signal St generated by the single photon generation source 2 is input, the pulse generator 13 generates the first pulse voltage Vp1 after the delay time Td2 preset by the CPU 17 has elapsed, and further by the CPU 17 in advance. After the set delay time Td3 has elapsed, the second pulse voltage Vp2 (same time width as the first pulse voltage Vp1: 1 ns to 2 ns as an example) is generated. The comparator 14 compares the output level of the pulse signal Sp output from the APD 11 with a threshold value Vth set in advance by the CPU 17, and outputs the detection signal Sd when the output level of the pulse signal Sp exceeds the threshold value Vth. Generate and output.
[0019]
The first counter 15 can perform a counting operation in a state where the enable signal Se1 generated by the CPU 17 is input (enabled state), and increments the count value when the detection signal Sd is input. Similarly, the second counter 16 can perform a count operation when the enable signal Se2 generated by the CPU 17 is input (enabled state), and increments the count value when the detection signal Sd is input.
[0020]
The CPU 17 operates according to an operation program stored in advance in the internal memory, generates a start signal Ss, and outputs it to the single photon generation source 2. The CPU 17 controls the pulse generator 13, the comparator 14, the first counter 15, and the second counter 16 as a whole. Specifically, as shown in FIG. 2, when the trigger signal St is input, the CPU 17 generates an enable signal Se1 after a predetermined delay time Td4 has elapsed, outputs the enable signal Se1 to the first counter 15, and also outputs a predetermined signal. After the delay time Td5 has elapsed, an enable signal Se2 is generated and output to the second counter 16. In this case, the pulse widths of the delay times Td4, Td5 and the enable signals Se1, Se2 are such that the first pulse voltage Vp1 is generated by the pulse generator 13 during the output period of the enable signal Se1, as shown in FIG. The second pulse voltage Vp2 is set in advance by the pulse generator 13 during the output period of the enable signal Se2. The pulse widths of the enable signals Se1, Se2 are set to be the same, for example. Further, the CPU 17 sets the threshold value Vth in the comparator 14. Further, the CPU 17 sets the delay times Td2 and Td3 in the pulse generator 13 by generating the delay time data Dd2 and Dd3 corresponding to the delay times Td2 and Td3 and outputting them to the pulse generator 13. In these cases, the CPU 17 refers to the threshold value table and the delay time table stored in advance in the internal memory, and generates the threshold value Vth and the delay time data Dd2 and Dd3. As an example, a plurality of threshold values Vth are arranged (recorded) in ascending order in predetermined level increments in the threshold value table. Similarly, in the delay time table, a plurality of delay times Td2 are arranged (recorded) in ascending order (or descending order) and one kind of delay time Td3 is recorded. As an example, the minimum value of the delay time Td2 is set to a time slightly shorter than a delay time Td1 described later, and the maximum value of the delay time Td2 is set to a time longer than the delay time Td1. Further, the delay time Td3 is set to about ½ of the cycle T1 of the start signal Ss, for example. Note that the threshold value Vth and the delay time data Dd2 and Dd3 can be calculated and generated without referring to the table.
[0021]
Next, calculation processing of the optimum value of the delay time Td2 for the pulse generator 13 and the optimum value of the threshold value Vth for the comparator 14 by the single photon detection device 1 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the single photon generation source 2 used at this time outputs a trigger signal St in synchronization with the start signal Ss when the start signal Ss is input, and the trigger signal St. The photon Ph can be emitted in synchronization with the. The single photon generation source 2 is set so as to delay the photon Ph with respect to the trigger signal St by the delay time Td1 and output it. Therefore, by adjusting the delay time Td2 from the input of the trigger signal St by the pulse generator 13 to the output of the first pulse voltage Vp1, the application start timing of the pulse voltage Vp1 to the APD 11 (that is, the rise of the pulse voltage Vp1) is set to APD11. It is possible to set an optimal timing with respect to the incident timing of the photon Ph.
[0022]
First, the CPU 17 sets the delay times Td2 and Td3 for the pulse generator 13 by generating delay time data Dd2 and Dd3 by referring to the delay time table and outputting them to the pulse generator 13 (step 31). . As an example, the CPU 17 first sets the minimum delay time Td2 in the delay time table in the pulse generator 13. Further, the CPU 17 resets the count values of the first counter 15 and the second counter 16.
[0023]
Next, the CPU 17 generates (reads out) the threshold value Vth by referring to the threshold value table, and sets it in the comparator 14 (step 32).
[0024]
Next, as shown in FIG. 2, the CPU 17 repeatedly generates the start signal Ss with a constant period T <b> 1 and outputs it to the single photon generation source 2. Thereby, as shown in FIG. 2, the single photon generation source 2 repeatedly generates and outputs the trigger signal St and the photon Ph at the cycle T1. Further, every time the trigger signal St generated by the single photon generation source 2 is input, the CPU 17 generates enable signals Se1, Se2 and outputs them to the first counter 15 and the second counter 16, respectively. On the other hand, every time the trigger signal St is input, the pulse generator 13 generates the first pulse voltage Vp1 and the second pulse voltage Vp2 and outputs them to the APD 11. Next, the APD 11 undergoes avalanche breakdown only during the application period of each pulse voltage Vp, and is caused by carriers generated due to incidence of photons Ph and thermal fluctuations during the application period of the first pulse voltage Vp1. The carrier generated (so-called dark current) is amplified and a pulse signal Sp (including a dark pulse) is output. In addition, the APD 11 amplifies carriers (so-called dark current) generated due to thermal fluctuation or the like during the application period of the second pulse voltage Vp2, and outputs a pulse signal Sp (only the dark pulse). At this time, the comparator 14 compares the voltage level of the pulse signal Sp output from the APD 11 with the threshold value Vth, and outputs the detection signal Sd when the voltage level of the pulse signal Sp exceeds the threshold value Vth. . Next, the first counter 15 and the second counter 16 are synchronized with the output timings of the first pulse voltage Vp1 and the second pulse voltage Vp2, respectively, based on the enable signals Se1 and Se2 output by the CPU 17, respectively. In the application period (application state) of each pulse voltage Vp to the APD 11, the state shifts to the enable state. Therefore, the first counter 15 shifts to the enable state during the application period (application state) of the first pulse voltage Vp1 to the APD 11 and counts the number of times the detection signal Sd generated by the comparator 14 is output. On the other hand, the second counter 16 is enabled during the application period of the second pulse voltage Vp2 to the APD 11, and counts the number of times the detection signal Sd is output during the non-incidence period of the photon Ph (step 33).
[0025]
The CPU 17 determines whether or not the number of outputs of the start signal Ss has reached the specified number (step 34). When it is determined that the start signal Ss has not been reached, step 33 is repeatedly executed. On the other hand, when the CPU 17 determines that the specified number of times has been reached, after stopping the output of the start signal Ss, the CPU 17 reads the current count values of the counters 15 and 16 and associates them with the current threshold value Vth. Remember each. Further, the CPU 17 determines whether or not the threshold value Vth set for the comparator 14 has reached the maximum value (upper limit) stored in the threshold value table (step 35).
[0026]
If it is determined that the upper limit has not been reached, the CPU 17 proceeds to step 32 to read the next threshold value Vth (the next higher level threshold value Vth) from the threshold value table and set it in the comparator 14. (Step 32). The CPU 17 repeatedly executes step 32 to step 35 until it determines that the threshold value Vth set for the comparator 14 in step 35 has reached the maximum value (upper limit) stored in the threshold value table. While sequentially changing and setting the threshold value Vth for the comparator 14, the count values of the counters 15 and 16 at each threshold value Vth are stored. In this case, the count value of the first counter 15 indicates the number of times of output of the detection signal Sd caused by the incidence of the photon Ph and the thermal fluctuation of the APD 11, and the count value of the second counter 16 is APD11. The number of outputs of the detection signal Sd (dark pulse) generated only due to the thermal fluctuation or the like is shown. Therefore, by repeatedly executing Steps 32 to 35, as shown in FIG. 4, the first integrated wave with respect to the number of times of output of the pulse signal Sp caused by both incidence of the photon Ph and thermal fluctuation of the APD 11 is obtained. The high value distribution and the second integrated peak value distribution for the number of output times of the pulse signal Sp caused only by the thermal fluctuation of the APD 11 are measured (step 36).
[0027]
When it is determined in step 35 that the threshold value Vth set for the comparator 14 has reached the maximum value (upper limit) stored in the threshold value table, the CPU 17 determines the first integrated wave peak value distribution and the second integrated wave. Based on the high value distribution, as shown in FIG. 5, a first peak value distribution (also referred to as a first differential peak value distribution) with respect to the number of output times of the pulse signal Sp generated purely due to the incidence of the photon Ph Then, a second peak value distribution (also referred to as second differential peak value distribution) is calculated for the number of times of output of the pulse signal Sp (dark pulse) generated due to thermal fluctuation or the like (step 37). Specifically, the CPU 17 counts each of the nth (n is a natural number) threshold value Vth (n) and the next (n + 1) th threshold value Vth (n + 1) based on the second integrated peak value distribution. By calculating the difference between the values, the pulse signal Sp to which the output level belongs between a pair of adjacent threshold values Vth (n) and Vth (n + 1), in other words, the output level is the threshold value Vth (n). 2 and the second differential peak value distribution is calculated for the number of times the pulse signal Sp is output below the threshold value Vth (n + 1) (see step 37, FIG. 5). The CPU 17 is mainly caused by the incidence of the photon Ph in the pulse signal Sp based on the difference obtained by subtracting the count value of the second integrated peak value distribution from the count value of the first integrated peak value distribution. Then, a third integrated peak value distribution is calculated for the number of times of output of the pulse signal Sp whose output level exceeds the threshold value Vth, and the nth (n is a natural number) threshold value Vth based on the third integrated peak value distribution. By calculating the difference between the count values of (n) and the next (n + 1) th threshold value Vth (n + 1), an output is made between a pair of adjacent threshold values Vth (n) and Vth (n + 1). A first differential peak value distribution is calculated for the number of output times of the pulse signal Sp to which the level belongs (see step 37, FIG. 5).
[0028]
Next, the CPU 17 calculates a threshold value Vthc corresponding to the intersection of the calculated first differential peak value distribution and the second differential peak value distribution, and each threshold exceeding the threshold Vthc. The total number Nd of dark pulses having the value Vth (the sum of the count values in the part with the left-slanting diagonal line in FIG. 5) and the total number Np of pulse signals Sp generated purely due to the incidence of the photon Ph (right in FIG. 5) This delay time Td2 (in this example, the minimum delay time) is set by dividing the total number Np by the total number Nd and calculating the incidence of the photon Ph. The SN ratio at the time of detection is calculated (step 38). In this case, the threshold value Vthc corresponding to the intersection of the envelopes of the first differential peak value distribution and the second differential peak value distribution is set to the actual threshold value Vthc of the comparator 14 so that the photon Ph is incident. The count value of the resulting pulse signal Sp can always be larger than the count value of the dark pulse, and more photons Ph can be detected while minimizing the influence of the dark pulse.
[0029]
Next, the CPU 17 determines whether or not the delay time Td2 set for the pulse generator 13 has reached the maximum value (upper limit) stored in the delay time table (step 39). When it is determined that the upper limit has not been reached, the CPU 17 proceeds to step 31 to read out the next delay time data Dd2 from the delay time table and output it to the pulse generator 13, thereby giving the pulse generator 13 a new delay time. Set Td2. Thereafter, the CPU 17 repeatedly executes steps 31 to 39 to calculate the threshold value Vthc and the SN ratio for each delay time Td2 in a similar manner while sequentially changing and setting the delay time Td2 for the pulse generator 13. .
[0030]
On the other hand, when the CPU 17 determines in step 39 that the delay time Td2 set for the pulse generator 13 has reached the maximum value (upper limit) stored in the delay time table, the CPU 17 determines from among the plurality of calculated SN ratios. One delay time Td2 that maximizes the S / N ratio is determined. Next, the CPU 17 determines and sets the determined delay time Td2 as the optimum delay time for the pulse generator 13, and determines the threshold value Vthc at the delay time Td2 as the optimum threshold value Vth for the comparator 14. (Step 40).
[0031]
As described above, according to the method of detecting a single photon by the single photon detection device 1, the optimum delay time Td2 for the pulse generator 13 and the optimum threshold value Vth for the comparator 14 are set, so that the influence of the dark pulse is affected. Since the single photon detection device 1 can be set in a state where the incidence of the photon Ph can be detected with the least amount of the incidence, the incidence of the photon Ph can be detected with high accuracy.
[0032]
The present invention is not limited to the configuration shown in the above-described embodiment of the present invention. For example, in the embodiment of the present invention, the anode terminal of the APD 11 is grounded via a resistor, and the voltage V2 of the DC bias power supply 12 and the pulse voltage Vp of the pulse generator 13 as positive voltages are applied to the cathode terminal. However, the present invention is not limited to this. The cathode terminal of the APD 11 is grounded through a resistor, and the output voltage of the DC bias power supply 12 and the pulse voltage of the pulse generator 13 as negative voltages are connected to the anode terminal. You may apply. In this case, the fall of the pulse voltage Vp with respect to the APD 11 (application start timing) is synchronized with the incidence timing of the photon Ph with respect to the APD 11. Further, in the embodiment of the present invention, the configuration for calculating the S / N ratio for each delay time Td2 in the loop of Step 31 to Step 39 in FIG. 3 is employed, but various data calculated in Steps 36 and 37 are stored. In addition, it is also possible to employ a configuration in which the SN ratio for each delay time Td2 is calculated at the time when the loop is exited, and the delay time Td2 that maximizes the SN ratio is calculated. Further, in the embodiment of the present invention, the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution are obtained, and the first peak value distribution and the second peak value distribution are calculated based on these integrated peak value distributions. Although the configuration is adopted, for example, a window comparator is used instead of the comparator 14 and the output of the pulse signal Sp whose output level exceeds the threshold value Vth (n) and is equal to or lower than the next threshold value Vth (n). By adopting a configuration in which the first counter 15 and the second counter 16 count the number of times, the first peak value distribution and the second peak value can be measured without measuring the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution. Distribution can also be calculated.
[0033]
【The invention's effect】
As above , Contract Claim 1 Claimed single photon detection method and claims 5 According to the single photon detection device described above, the delay time and the threshold value from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage are sequentially changed so that the first pulse voltage is applied and the single photon is applied. The first peak value distribution and the first pulse voltage with respect to the number of output times of the output signal to which the output level belongs is applied between a pair of adjacent thresholds during a period in which a single photon is incident. The first peak value distribution and the second wave are measured for each delay time in which the second peak value distribution is changed with respect to the number of times of output of the output signal to which the output level belongs between a pair of adjacent thresholds in a non-period. An SN ratio is calculated for each delay time based on a predetermined value criterion for the high value distribution and the threshold value, and is delayed from the trigger signal by a delay time that maximizes the calculated SN ratio. Timing when the signal-to-noise ratio is the best while detecting the single photon by applying it to the photodiode to minimize the influence of the dark pulse by increasing the number of detectable single photons as much as possible. Thus, the first pulse voltage can be applied to the avalanche photodiode. Therefore, it is possible to accurately detect the incidence of a single photon.
[0034]
And claims 2 Claimed single photon detection method and claims 6 According to the single photon detection device described above, a trigger signal is output to the single photon generation source at a predetermined period, a single photon is emitted, the first peak value distribution is measured, and the predetermined voltage is By repeatedly applying a second pulse voltage with a combined voltage exceeding the breakdown voltage to the avalanche photodiode in a period in which no single photon is incident on the avalanche photodiode and measuring the second peak value distribution, The first pulse with the best S / N ratio compared to calculating the delay time with the maximum S / N ratio based on the first peak value distribution and the second peak value distribution obtained by one measurement. The voltage delay time can be calculated more accurately. Therefore, the incidence of a single photon can be detected with higher accuracy.
[0035]
And claims 3 Claimed single photon detection method and claims 7 According to the single photon detection device described above, the delay time and the threshold value from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage are sequentially changed, and the output signal of the output signal in the application state of the first pulse voltage is changed. The first integrated peak value distribution for the number of times the output level exceeds each threshold and the second integrated peak value for the number of times the output level of the output signal exceeds each threshold in the application state of the second pulse voltage. Measured for each delay time whose distribution has been changed, and based on the difference between the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution, the output level is mainly caused by the incidence of a single photon of the output signal. A third integrated peak value distribution is calculated for the number of times the output signal exceeds each threshold, a first peak value distribution is calculated based on the third integrated peak value distribution, and based on the second integrated peak value distribution. Second By calculating the high distribution, we can be compared to measure the first peak value distribution and the second peak value distribution directly, to reduce the count error caused by noise. Therefore, the delay time of the first pulse voltage with the best SN ratio can be calculated even more accurately. Therefore, it is possible to detect the incidence of a single photon even more accurately.
[0036]
Claims 4 Claimed single photon detection method and claims 8 According to the described single-photon detection device, the threshold value corresponding to the intersection of the envelopes of the first peak value distribution and the second peak value distribution is defined as a determination criterion when calculating the SN ratio. Thus, it is possible to always exceed the output count of the output signal due to the incidence of the single photon than the output count of the output signal due to the incidence of the dark pulse. Therefore, it is possible to improve the incidence detection rate of single photons while minimizing the influence of dark pulses.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a single photon detector 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the single photon detection device 1;
FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the single photon detection apparatus 1 and the single photon detection method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a first integrated peak value distribution when a photon Ph is incident and a second integrated peak value distribution when a photon Ph is not incident with a threshold value Vth as a parameter.
FIG. 5 is a graph showing a first peak value distribution of photons Ph using a threshold value Vth as a parameter and a second integrated peak value distribution for a dark pulse.
6 is a configuration diagram of a conventional single photon detection device 51. FIG.
FIG. 7 is a timing chart showing the relationship between the timing at which an applied voltage is applied to an APD 11 and the timing at which a photon Ph is incident upon detection of a single photon by a conventional single photon detection device 51.
[Explanation of symbols]
1 Single photon detector
2 Single photon source
11 Avalanche photodiode
12 DC bias power supply
13 Pulse generator
14 Comparator
15,16 counter
OC optical cable
Ph photon
Sp detection signal
Ss start signal
St trigger signal
Vb bias voltage
Vp pulse voltage

Claims

The combined voltage of the predetermined voltage that is lower than the breakdown voltage of the avalanche photodiode and the trigger signal that is output together with the emission of the single photon by the single photon generation source exceeds the breakdown voltage. The single photon is incident on the avalanche photodiode in a state where the first pulse voltage is applied to the avalanche photodiode, and the output level of the output signal output by the avalanche photodiode exceeds a predetermined threshold value. A single photon detection method for detecting the incidence of the single photon when
In a period in which the single photon is incident after the first pulse voltage is applied by sequentially changing the delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage and the threshold value A period when the first pulse height distribution and the first pulse voltage are applied with respect to the number of output times of the output signal to which the output level belongs between a pair of adjacent thresholds and the single photon is not incident The second peak value distribution of the number of output times of the output signal to which the output level belongs between the pair of adjacent thresholds in each of the changed delay times,
Calculating an S / N ratio for each of the delay times based on predetermined determination criteria for the first peak value distribution, the second peak value distribution, and the threshold value;
A method of detecting a single photon, wherein the incidence of the single photon is detected by applying the delay to the avalanche photodiode after being delayed from the trigger signal by a delay time that maximizes the calculated SN ratio.

The trigger signal is output to the single photon generation source at a predetermined cycle and the single photon is emitted to measure the first peak value distribution, and the combined voltage with the predetermined voltage is the breakdown voltage. voltage the single photon is repeatedly applied in the predetermined period in a period that is not incident on the second pulse voltage the avalanche photodiode in excess of the claim 1, wherein measuring the second peak value distribution Single photon detection method.

The delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage and the threshold value are sequentially changed so that the output level of the output signal is the threshold value in the application state of the first pulse voltage. A first integrated peak value distribution for the number of outputs exceeding the value and a second integrated peak value distribution for the number of outputs for which the output level of the output signal exceeds the threshold values in the application state of the second pulse voltage. Measure for each changed delay time,
Based on the difference between the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution, the output level exceeds the threshold values mainly due to the incidence of the single photon of the output signal. Calculate the third integrated peak value distribution for the number of output times of the output signal,
The single photon detection method according to claim 2, wherein the first peak value distribution is calculated based on the third integrated peak value distribution, and the second peak value distribution is calculated based on the second integrated peak value distribution. .

One of 3 the threshold value corresponding to the intersection of the envelope between the first peak value distribution and the second crest value distribution claim 1 which is defined as the determination reference for calculating the SN ratio A method for detecting a single photon as described in 1.

An avalanche photodiode to which a single photon emitted by a single photon generation source is incident, a DC bias power source that applies a predetermined voltage lower than a breakdown voltage to the avalanche photodiode, and the single photon generation source A pulse generator for generating a first pulse voltage whose combined voltage with the predetermined voltage exceeds the breakdown voltage in synchronization with a trigger signal output together with emission of one photon, and applying the first pulse voltage to the avalanche photodiode; And a comparator that outputs a detection signal when an output level of an output signal output from the avalanche photodiode exceeds a predetermined threshold in a state where a pulse voltage of 1 is applied. ,
A first counter and a second counter for counting the number of times the detection signal is output from the comparator, respectively, when enabled;
The trigger signal is output to the single photon generation source at a predetermined cycle, and the single photon is emitted after being delayed by a predetermined time with respect to the trigger signal, and the trigger signal is input to the pulse generator. A delay time from the application of the first pulse voltage to the application of the first pulse voltage and generating a second pulse voltage during the non-incidence period of the single photon to the avalanche photodiode to be applied to the avalanche photodiode, The first counter is shifted to the enable state during the output period of the first pulse voltage, the second counter is shifted to the enable state during the output period of the second pulse voltage, and the comparator A control unit for setting and controlling the threshold value,
The control unit sequentially changes and sets the delay time and the threshold value, and applies a pair of adjacent threshold values in a period in which the first pulse voltage is applied and the single photon is incident. A first peak value distribution with respect to the number of outputs of the output signal to which the output level belongs is measured for each changed delay time based on the count value of the first counter, and the first pulse voltage is applied. In the period when the single photon is not incident, the second peak value distribution with respect to the number of output times of the output signal to which the output level belongs between the pair of adjacent thresholds is the count value of the second counter. For each of the changed delay times based on the first peak value distribution, the second peak value distribution, and each delay based on a predetermined decision criterion for the threshold value. The SN ratio is calculated respectively for each time, the detection device of the single photon SN ratio obtained by the calculation is to set the delay time becomes the maximum as the delay time for the pulse generator.

The control unit causes the single photon generation source to output the trigger signal at a predetermined cycle, emit the single photon to measure the first peak value distribution, and combine it with the predetermined voltage. A second pulse voltage whose voltage exceeds the breakdown voltage is repeatedly applied at the predetermined period in a period in which the single photon is not incident on the avalanche photodiode to measure the second peak value distribution. The single photon detection device according to claim 5 .

The control unit sequentially changes and sets a delay time from the output of the trigger signal to the application of the first pulse voltage and the threshold value, and outputs the output signal in the application state of the first pulse voltage. The first integrated peak value distribution for the number of outputs whose level exceeds each threshold and the second number for the number of outputs for which the output level of the output signal exceeds the threshold in the application state of the second pulse voltage. An integrated peak value distribution is measured for each of the changed delay times, and based on a difference between the first integrated peak value distribution and the second integrated peak value distribution, the output signal mainly includes the single photon. A third integrated peak value distribution is calculated for the number of output times of the output signal whose output level exceeds the threshold values due to incidence, and the third integrated peak value distribution is calculated based on the third integrated peak value distribution. Single photon detecting device according to claim 6, wherein calculating the second crest value distribution based on the second integral peak value distribution to calculate the peak value distribution.

Wherein the control unit, according to claim defining the threshold value corresponding to the intersection of the envelope between the first peak value distribution and the second crest value distribution as the determination reference for calculating the SN ratio 5 The single photon detection device according to any one of 1 to 7 .