JP4155971B2 - Ａｐｄ光子検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）のなだれ電流を利用して光子（フォトン）の検出を行うＡＰＤ光子検出装置に関し、特に光子の検出応答速度を速くしたＡＰＤ光子検出装置に関する。

従来、アクティブ・クエンチング（強制的になだれ電流を止める）によって検出応答速度を速くしたＡＰＤ光子検出装置があった。（例えば、非特許文献1参照）

［従来例１］
ＡＰＤに所定の繰り返し周期で入力される光子を検出するＡＰＤ光子検出装置で、この繰り返し周期に同期したパルスを用いてアクティブ・クエンチングを行うことによって、検出応答速度を速くしたＡＰＤ光子検出装置の概略構成を図３に示す。ＤＣバイアス電源１は、ＡＰＤ２のブレークダウン電圧Ｖbより僅かに小さいＤＣ電圧を発生し、ＡＰＤ２への過電流を防止するための保護抵抗Ｒ２を介してＡＰＤ２のカソードに供給する。

パルス発生器３は、ＡＰＤ２への光子の入力に対応した繰り返し周期のパルス信号で、かつこのパルス信号がＤＣバイアス電源１から供給されるＤＣ電圧に重畳されてＡＰＤ２のカソードにおけるＡＰＤ印加電圧Ｖaとなるときに、このＡＰＤ印加電圧Ｖaが、図４（ａ）に示すように、ブレークダウン電圧Ｖbより大きくなったり小さくなったりするような振幅を有するこのパルス信号を、直流阻止用のコンデンサＣ１を介してＡＰＤ２のカソードに供給する。ＡＰＤ２のアノードは、負荷抵抗Ｒ１を介して接地されている。負荷抵抗Ｒ１は、ＡＰＤ２のなだれ電流を電圧に変換する。この出力電圧Ｖo（ＡＰＤの出力信号）は、フォトンカウンタ（図示しない）等に入力され、波高弁別、計数等が行われる。

このように構成されたＡＰＤ光子検出装置は、図４（ａ）に示すように、パルス発生器３から出力されるパルス信号の繰り返し周期に対応して、ＡＰＤ印加電圧Ｖaがブレークダウン電圧Ｖbより大きくなったときに光子を入力してなだれ現象を生じさせ（なだれ電流が流れる）、そしてＡＰＤ印加電圧Ｖaがブレークダウン電圧Ｖbより小さくなったときになだれ現象を終了させる（クエンチング）ように動作する。その結果、図４（ｂ）に示すような出力電圧Ｖoが負荷抵抗Ｒ１に発生しＡＰＤの出力信号となる。

［従来例２］
ＡＰＤに非周期的に入力される光子を検出するＡＰＤ光子検出装置で、ＡＰＤの出力信号からアクティブ・クエンチングを行うためのクエンチ信号を作り、この信号をＡＰＤの出力（負荷抵抗）に帰還させることによって、検出応答速度を速くしたＡＰＤ光子検出装置の概略構成を図５に、各部の波形を図６に示す。なお、図６において、破線はクエンチ信号Ｄが負荷抵抗Ｒ１（ＡＰＤ２の出力）に帰還されていない場合を示している。また、各論理素子（Ｑ１〜Ｑ４）における遅延時間を１／２目盛分としている。

ＤＣバイアス電源１は、ＡＰＤ２のブレークダウン電圧Ｖbより僅かに大きいＤＣ電圧を発生し、ＡＰＤ２への過電流を防止するための保護抵抗Ｒ２を介してＡＰＤ２のカソードにＡＰＤ印加電圧Ｖaとして供給する。ＡＰＤ２のアノードは、負荷抵抗Ｒ１を介して接地されている。負荷抵抗Ｒ１は、ＡＰＤ２のなだれ電流を電圧に変換する。この出力電圧Ｖo（ＡＰＤの出力信号）は、フォトンカウンタ（図示しない）等に入力され、波高弁別、計数等が行われる。

また、この出力電圧Ｖo（ＡＰＤの出力信号）は、アクティブ・クエンチングを行うためにコンパレータ４に入力される。コンパレータ４は、出力電圧ＶoからＡＰＤ２がなだれ電流を発生しているか否かを判定する基準となる基準電圧Ｖtを基準電圧発生器５から受けて、入力された出力電圧Ｖoがこの基準電圧Ｖtを越えている期間のみハイとなる信号Ａを出力する。この信号Ａは、インバータＱ１で反転されて信号Ｂとなった後に、２つに分岐され、一方の信号Ｂは２つのインバータＱ２、３によって遅延されて信号ＣとなってスリーステートバッファＱ４の信号端子に入力され、また他方の信号ＢはそのままスリーステートバッファＱ４のゲート端子に入力される。

スリーステートバッファＱ４は、ゲート端子の信号Ｂがロウのときに、信号端子に入力された信号Ｃをそのまま信号Ｄとして出力し、またゲート端子の信号Ｂがハイのときには出力端を高インピーダンス状態にする。そして、スリーステートバッファＱ４から出力された信号Ｄは、クエンチ信号Ｄとして負荷抵抗Ｒ１（ＡＰＤ２の出力）に帰還される。クエンチ信号Ｄは、ハイのときにＡＰＤ２をクエンチ状態（ＡＰＤ２の逆バイアス電圧をブレークダウン電圧Ｖbより小さくしてなだれ現象を終了させる状態）にし、ロウのときにＡＰＤ２をリセット状態（ＡＰＤ２の逆バイアス電圧をブレークダウン電圧Ｖbより大きくしてなだれ現象を起こせる状態）にする。

吉澤明男，土田英実，遠藤道幸「1550nm帯単一光子検出器を開発」電総研ニュース（ETL NEWS）, 2000-11

しかしながら、従来例１のＡＰＤ光子検出装置においては、パルス発生器３から出力されるパルス信号がＡＰＤ２での光子検出のための周期的なゲートの役割をし、常にＡＰＤ２に対して光子検出のオン／オフ動作をさせているために、非周期的に入力される光子を検出する場合、例えばＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry）法での離散的に入力される後方散乱光、フレネル反射光をＡＰＤで検出するような場合には、光子検出の時間（ゲートを開く時間）は半分となり効率的ではないという問題があった。

また、従来例２のＡＰＤ光子検出装置においては、ＡＰＤ２の出力信号（出力電圧Ｖo）とＡＰＤ２の出力（負荷抵抗Ｒ１）に帰還させるクエンチ信号Ｄとが同符号であるためにアクティブ・クエンチングを行う制御系が発振し易い、すなわちコンパレータ４の基準電圧Ｖtの電圧変化によるその出力信号Ａの位相変化、各論理素子（Ｑ１〜Ｑ４）の遅延時間の変化、回路パターンの遅延時間の変化等によってコンパレータ４の出力信号Ａとクエンチ信号Ｄとのタイミングずれが生じ、制御系が発振し易いという問題があった。

本発明は、ＡＰＤの出力信号から作ったクエンチ信号をＡＰＤの負荷抵抗側とは反対側に帰還することによって、これらの課題を解決し、光子の検出応答速度を速くしたＡＰＤ光子検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１のＡＰＤ光子検出装置では、光子の入力によりなだれ電流を発生させるＡＰＤ（２）と、該ＡＰＤのカソードに当該ＡＰＤのブレークダウン電圧より大きい所定のＤＣ電圧を供給するＤＣバイアス電源（１）と、前記ＡＰＤのアノードから供給されるなだれ電流を電圧に変換し、変換した該電圧をＡＰＤの出力信号として出力する負荷抵抗（Ｒ１）とを備えたＡＰＤ光子検出装置において、
前記出力信号の電圧を前記基準電圧と比較して前記ＡＰＤがなだれ電流を発生しているか否かを判定し、その判定信号を出力するコンパレータ（１１）と、該コンパレータから出力される前記判定信号を受け、該判定信号が、前記ＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定している期間に、少なくとも１つの所定のパルス幅を有するパルスでなる前記なだれ電流を強制的に止めるためのクエンチ信号を発生させるクエンチ信号発生手段（１３）と、該クエンチ信号発生手段から出力される前記クエンチ信号をその直流分を阻止して前記ＡＰＤのカソードに帰還するコンデンサ（Ｃ２）とを備えた。

また、本発明の請求項２のＡＰＤ光子検出装置では、上述した請求項１のＡＰＤ光子検出装置において、更に、前記コンデンサから出力される直流分が阻止された前記クエンチ信号を半波整流して前記ＡＰＤのカソードに帰還するダイオード（Ｑ５）を含むようにした。

また、本発明の請求項３のＡＰＤ光子検出装置では、上述した請求項１又は２のＡＰＤ光子検出装置において、前記クエンチ信号発生手段は、前記所定のパルス幅を有するパルスを所定周期で繰り返し発生するパルス発生器（１３ａ）と、該パルス発生器から出力される前記パルスと前記コンパレータから出力される前記判定信号とを受け、該判定信号が、前記ＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定している期間は該パルスを前記クエンチ信号として出力する論理ゲート（１３ｂ）とを含むようにした。

また、本発明の請求項４のＡＰＤ光子検出装置では、上述した請求項３のＡＰＤ光子検出装置において、前記パルス発生器で発生される前記パルスの前記所定周期が前記ＡＰＤと前記負荷抵抗とに関連して決まる光子の検出応答時間より短くなるようにした。

また、本発明の請求項５のＡＰＤ光子検出装置では、上述した請求項１〜４のいずれかのＡＰＤ光子検出装置において、前記ＤＣバイアス電源は、前記ＡＰＤのブレークダウン電圧より大きい前記所定のＤＣ電圧と前記ＡＰＤのブレークダウン電圧より小さい所定のＤＣ電圧とを選択的に切り換えて前記ＡＰＤのカソードに供給できるようにした。

本発明の請求項1のＡＰＤ光子検出装置では、負荷抵抗から出力されるＡＰＤの出力信号からＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定した場合には、そのなだれ電流を強制的に止めるためのクエンチ信号を発生してＡＰＤのカソードに帰還するようにしたので、光子の検出応答速度を速くできるとともに、非周期的に入力される光子を効率的に検出することができる。また、上記のように、ＡＰＤの出力信号から作ったクエンチ信号をＡＰＤの出力（負荷抵抗）ではなくカソードに帰還しているので、回路、論理素子、回路パターン等の遅延時間の変化等によってＡＰＤの出力信号とクエンチ信号とのタイミングずれが生じるような場合でも発振を起こすことはない。

本発明の請求項１〜３のＡＰＤ光子検出装置では、コンパレータによって負荷抵抗から出力されるＡＰＤの出力信号と基準電圧とが比較されてＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定されている期間に、少なくとも１つの所定のパルス幅を有するパルスでなるクエンチ信号を発生してＡＰＤのカソードに帰還するようにしたので、ＡＰＤに入力される光子数が多く、なだれ電流が次々と続けて発生するような場合でも確実になだれ電流を止めることができる。

本発明の請求項５のＡＰＤ光子検出装置では、ＡＰＤのブレークダウン電圧より大きい所定のＤＣ電圧とブレークダウン電圧より小さい所定のＤＣ電圧とが選択的に切り換えてＡＰＤのカソードに供給できるようにしたので、仮に１つのＡＰＤを光強度検出と光子検出とに共用するような場合であっても、任意の所定の時間のみＡＰＤ光子検出装置として使用することができる。したがって、例えばＯＴＤＲ法で後方散乱光、フレネル反射光をＡＰＤで検出するような場合には、任意の距離についてのみＡＰＤ光子検出装置として使用することができる。

本発明の実施形態のＡＰＤ光子検出装置の構成を図１に、各部の波形を図２に示す。なお、図２において、破線はクエンチ信号ＰがＡＰＤ２のアノードに帰還されていない場合を示している。また、論理ゲート１３ｂとしてＮＡＮＤゲートを用い、その遅延時間を１／２目盛分としている。

ＤＣバイアス電源１は、ＡＰＤ２のブレークダウン電圧Ｖbより僅かに大きいＤＣ電圧を発生し、ＡＰＤ２への過電流を防止するための保護抵抗Ｒ２を介してＡＰＤ２のカソードにＡＰＤ印加電圧Ｖaとして供給する。なお、このＤＣバイアス電源１は、制御部（図示しない）からの指令により、ＡＰＤ２のブレークダウン電圧Ｖbより大きい所定のＤＣ電圧とブレークダウン電圧Ｖbより小さい所定のＤＣ電圧とを選択的に切り換えて出力できるようになっている。ＡＰＤ２のアノードは、負荷抵抗Ｒ１を介して接地されている。負荷抵抗Ｒ１は、ＡＰＤ２のなだれ電流を電圧に変換する。この出力電圧Ｖo（ＡＰＤの出力信号）は、フォトンカウンタ（図示しない）等に入力され、波高弁別、計数等が行われる。

また、この出力電圧Ｖo（ＡＰＤの出力信号）は、アクティブ・クエンチングを行うためにコンパレータ１１に入力される。コンパレータ１１は、出力電圧ＶoからＡＰＤ２がなだれ電流を発生しているか否かを判定する基準となる基準電圧Ｖtを基準電圧発生器１２から受けて、入力された出力電圧Ｖoがこの基準電圧Ｖtを越えている期間のみハイとなる判定信号Ｊをクエンチ信号発生手段１３に出力する。

クエンチ信号発生手段１３は、判定信号Ｊがハイの期間、すなわちＡＰＤ２がなだれ電流を発生していると判定している期間に、所定のパルス幅（例えば約５０ｎｓ）のパルスを少なくとも１つ発生してクエンチ信号Ｘとして出力するもので、パルス発生器１３ａ、論理ゲート１３ｂ（例えばＮＡＮＤゲート）で構成されている。パルス発生器１３ａは、主にＡＰＤ２の内部容量と負荷抵抗Ｒ１とで決まる光子の検出応答時間より短い繰り返し周期（例えば約１００ｎｓ）で、所定のパルス幅（約５０ｎｓ）のパルスＲpを発生する。論理ゲート１３ｂ（例えばＮＡＮＤゲート）は、コンパレータ１１から入力される判定信号Ｊがハイになっている期間、パルス発生器１３ａから入力されるパルスＲpをクエンチ信号Ｘとして可変減衰器１４に出力する。なお、クエンチ信号ＸはパルスＲpに対して遅延して出力される。

可変減衰器１４は、クエンチ信号発生手段１３から出力されたクエンチ信号Ｘを所定の電圧（振幅）に減衰してクエンチ信号Ｐとして出力する。そして、クエンチ信号Ｐは、コンデンサＣ２でその直流分が阻止された後に、ダイオードＱ５で半波整流されてＡＰＤ２のカソードに帰還される。クエンチ信号Ｐは、ロウのときにＡＰＤ２をクエンチ状態、すなわちＡＰＤ印加電圧Ｖaをブレークダウン電圧Ｖbより小さくしてなだれ現象を終了させる状態にし、ハイのときにはＡＰＤ２のカソードに帰還されていない状態となり、ＡＰＤ印加電圧Ｖaがブレークダウン電圧Ｖbより大きくなってなだれ現象を起こせる状態となる。

なお、上述のコンパレータ１１、基準電圧発生器１２、クエンチ信号発生手段１３、可変減衰器１４、コンデンサＣ２及びダイオードＱ５はクエンチ手段２０を構成している。また、クエンチ信号発生手段１３は、上記では、パルス発生器１３ａ及び論理ゲート１３ｂ（例えばＮＡＮＤゲート）で構成する場合を示したが、これに限定されるわけではなく、各種論理素子を組み合わせて、コンパレータ１１から出力される判定信号Ｊがハイの期間に、所定のパルス幅（例えば約５０ｎｓ）のパルスを少なくとも１つ発生して出力できるものであればよい。

本発明のＡＰＤ光子検出装置は、上述のように、クエンチ手段２０によってＡＰＤ２の出力電圧Ｖoから作ったクエンチ信号ＰをＡＰＤ２のカソードに帰還してアクティブ・クエンチングを行うようにしたので、光子の検出応答速度を速くできるとともに、非周期的に入力される光子を効率的に検出することができる。

また、クエンチ信号Ｐの帰還先を、ＡＰＤ２のアノード（負荷抵抗Ｒ１）に帰還した従来例２とは異なり、ＡＰＤ２のカソードに帰還しているので発振を起こすようなことはない。したがって、クエンチ手段２０の一部を構成するコンパレータ１１、論理ゲート１３ｂ、可変減衰器１４、コンデンサＣ２、ダイオードＱ５及び回路パターン等の遅延時間の変化等によってＡＰＤ２の出力信号（出力電圧Ｖo）とクエンチ信号Ｐとのタイミングずれが生じるような場合でも発振を起こすことはない。

また、クエンチ信号発生手段１３では、コンパレータ１１から出力される判定信号Ｊがハイの期間に、所定のパルス幅（例えば約５０ｎｓ）のパルスを少なくとも１つ発生しクエンチ信号Ｘとして出力するので、ＡＰＤ２に入力される光子数が多く、なだれ電流が次々と続けて発生するような場合でも確実になだれ電流を止めることができる。

また、ＤＣバイアス電源１は、制御部（図示しない）からの指令により、ＡＰＤ２のブレークダウン電圧Ｖbより大きい所定のＤＣ電圧とブレークダウン電圧Ｖbより小さい所定のＤＣ電圧とを選択的に切り換えてＡＰＤ２のカソードに供給できるようになっているので、仮に１つのＡＰＤを光強度検出と光子検出とに共用するような場合であっても、任意の所定の時間のみＡＰＤ光子検出装置として使用することができる。したがって、例えばＯＴＤＲ法で後方散乱光、フレネル反射光をＡＰＤで検出するような場合には任意の距離についてのみＡＰＤ光子検出装置として使用することができる。

本発明の実施形態の構成を示す図 本発明の実施形態の各部の波形を示す図 従来例１の概略構成を示す図 従来例１の動作を説明するための図 従来例２の概略構成を示す図 従来例２の各部の波形を示す図

符号の説明

１・・・ＤＣバイアス電源、２・・・ＡＰＤ、３，１３ａ・・・パルス発生器、４，１１・・・コンパレータ、５，１２・・・基準電圧発生器、１３・・・クエンチ信号発生手段、１３ｂ・・・論理ゲート、１４・・・可変減衰器、２０・・・クエンチ手段、Ｃ１，Ｃ２・・・コンデンサ、Ｑ１〜Ｑ３・・・インバータ、Ｑ４・・・スリーステートバッファ、Ｑ５・・・ダイオード、Ｒ１・・・負荷抵抗、Ｒ２・・・保護抵抗。

Claims (5)

1. 光子の入力によりなだれ電流を発生させるＡＰＤ（２）と、
   該ＡＰＤのカソードに当該ＡＰＤのブレークダウン電圧より大きい所定のＤＣ電圧を供給するＤＣバイアス電源（１）と、
   前記ＡＰＤのアノードから供給されるなだれ電流を電圧に変換し、変換した該電圧をＡＰＤの出力信号として出力する負荷抵抗（Ｒ１）とを備えたＡＰＤ光子検出装置において、
   前記出力信号から前記ＡＰＤがなだれ電流を発生しているか否かを判定するための基準電圧を発生する基準電圧発生器（１２）と、
   前記出力信号の電圧を前記基準電圧と比較して前記ＡＰＤがなだれ電流を発生しているか否かを判定し、その判定信号を出力するコンパレータ（１１）と、
   該コンパレータから出力される前記判定信号を受け、該判定信号が、前記ＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定している期間に、少なくとも１つの所定のパルス幅を有するパルスでなる前記なだれ電流を強制的に止めるためのクエンチ信号を発生させるクエンチ信号発生手段（１３）と、
   該クエンチ信号発生手段から出力される前記クエンチ信号をその直流分を阻止して前記ＡＰＤのカソードに帰還するコンデンサ（Ｃ２）とを備えたことを特徴とするＡＰＤ光子検出装置。
2. 前記コンデンサから出力される直流分が阻止された前記クエンチ信号を半波整流して前記ＡＰＤのカソードに帰還するダイオード（Ｑ５）を含むことを特徴とする請求項１に記載のＡＰＤ光子検出装置。
3. 前記クエンチ信号発生手段は、
   前記所定のパルス幅を有するパルスを所定周期で繰り返し発生するパルス発生器（１３ａ）と、
   該パルス発生器から出力される前記パルスと前記コンパレータから出力される前記判定信号とを受け、該判定信号が、前記ＡＰＤがなだれ電流を発生していると判定している期間は該パルスを前記クエンチ信号として出力する論理ゲート（１３ｂ）とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＡＰＤ光子検出装置。
4. 前記パルス発生器で発生される前記パルスの前記所定周期が前記ＡＰＤと前記負荷抵抗とに関連して決まる光子の検出応答時間より短いことを特徴とする請求項３に記載のＡＰＤ光子検出装置。
5. 前記ＤＣバイアス電源は、前記ＡＰＤのブレークダウン電圧より大きい前記所定のＤＣ電圧と前記ＡＰＤのブレークダウン電圧より小さい所定のＤＣ電圧とを選択的に切り換えて前記ＡＰＤのカソードに供給できることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＡＰＤ光子検出装置。

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