JP4245956B2 - Single photon detection probability setting method - Google Patents
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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検出装置に対して単一光子の検出確率を設定する単一光子検出確率設定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の単一光子検出装置として、図2に示す単一光子検出装置1が従来から知られている。この単一光子検出装置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(直流)バイアス電源12と、単一光子発生源2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13と、APD11によって出力されるパルス信号(出力信号)Spに基づいて光子Phの入射の有無を検出してその入射数をカウントするカウンタ14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2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13に接続されている。カウンタ14は、コンパレータ機能を有し、単一光子発生源2によって出力されたトリガ信号Stを入力して、その後の所定期間内に、設定された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。
【0003】
この単一光子検出装置1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3に示す電圧V1)を下回る正極性のバイアス電圧Vbを印加する。次に、単一光子発生源2に対して光子Phを出射させる。この際に、単一光子発生源2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13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。具体的には、パルスジェネレータ13は、APD11への光子Phの入射タイミングに合わせてパルス電圧VpをAPD11に印加できるように、トリガ信号Stを入力した後、予め設定された遅延時間Tdが経過した際にパルス電圧Vpを生成してAPD11に印加する。これにより、図3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13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V1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2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、図2に示すように、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14は、単一光子発生源2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。この処理では、しきい値を超えたパルス信号Spが出力された際に、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13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V1を下回る。このように、この単一光子検出装置1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2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のアバランシェ降伏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1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】
このような単一光子検出装置1は、例えば、特開平11−234265号公報に開示されているように、情報セキュリティ通信装置における量子暗号通信の受信装置に適用されている。
【0006】
この種の情報セキュリティ通信装置では、単一光子の偏光状態を用いて情報(「0」または「1」)を表現することによってデータ通信を行っている。具体的には、送信側では、単一光子発生装置(1)が、入力したトリガ信号に同期して単一光子を発生する。偏光変調素子(2)は、符号化装置(3)による設定内容に基づいて、入力した単一光子の偏光状態を制御して符号化する。また、偏光変調素子(2)は、偏光した単一光子を転送手段(6)である光ケーブルに出力する。この場合、送信側では、単一光子に同期してトリガ信号も出力する。一方、受信側では、偏光分離素子(9,10)が単一光子の偏光状態に応じて光路を選択することにより、偏光状態ごとに設けられた単一光子検出装置(11,12,13,14)に単一光子を入光させる。各単一光子検出装置(11〜14)は、送信側から出力された単一光子を光検出素子を用いて検出する。さらに、受信側では、偏光解析装置(15)、タイムスロット識別手段(16)および復号化装置(17)が、各単一光子検出装置(11〜14)の検出結果に基づいて、各単一光子に符号化された情報を復号する。この際に、単一光子検出装置1のように、光検出素子としてAPDを用いた単一光子検出装置が各単一光子検出装置(11〜14)として使用される。
【0007】
ところで、APDを用いた単一光子検出装置1では、トリガ信号Stの入力タイミングに基づいてパルス電圧Vpを生成してAPD11をアバランシェ降伏状態に移行させているが、APD11に対してパルス電圧Vpが印加されている期間内のどのタイミングで光子Phを入射させるのか、またカウンタ14に設定するしきい値をどのような値に設定するのかによって、光子Phの検出確率(パルス信号Spの発生確率)が大きく変化する。例えば、APD11を用いた単一光子検出装置1を上記した情報セキュリティ通信装置に適用した場合、情報セキュリティ通信装置の設置場所毎に受信側と送信側との間の距離が変化するため、それに伴って光子Phが通過する光ケーブルOCの長さも変化する結果、単一光子検出装置1に対するトリガ信号Stと光子Phの入力タイミングが変化する。このため、単一光子検出装置1では、まず、パルス電圧Vpが印加されている期間におけるAPD11に対する光子Phの入射タイミングの設定、すなわちパルスジェネレータ13におけるトリガ信号Stの入力からパルス電圧Vpの印加までの遅延時間Tdの設定を最初に行い、次いで、カウンタ14に対するしきい値の設定を行うことにより、光子Phの検出確率を設定している。
【0008】
この単一光子検出装置1に対する光子Phについての検出確率の設定に際して、従来は、単一光子発生源2を備えた試験器を用いて単一光子検出装置1に光子Phおよびトリガ信号Stを出力しつつ、遅延時間Tdおよびしきい値を順次変更して、光子Phの検出確率についてのしきい値依存性を示す波高分布を、変更した各遅延時間Td毎にそれぞれ測定することにより、図4に示すような波高分布についての遅延時間依存性データを予め測定している。一方、情報セキュリティ通信装置を設置した際は、この波高分布についての遅延時間依存性データを参照して所望の波高分布を決定し、この波高分布となるようにパルスジェネレータ13における遅延時間Tdを調整することにより、パルス電圧Vpが印加されている期間におけるAPD11に対する光子Phの入射タイミングを設定する。具体的に、図4において符号Aで示す波高分布(以下、「波高分布A」ともいう)に設定する例について説明する。まず、カウンタ14のしきい値を一定の値(例えば20mV)に固定し、その状態で、APD11における光子Phの検出確率を測定する処理を行う。次いで、測定した検出確率が波高分布A上の発生確率(この場合、4%)となるか否かを判別し、その発生確率ではないときには、検出確率が波高分布A上に位置するまで(測定した検出確率が波高分布Aにおける上記のしきい値に対応する発生確率と一致するまで。この例では、4%となるまで)、遅延時間を変化させる。測定した検出確率が、波高分布Aにおける上記のしきい値に対応する発生確率と一致した場合、パルスジェネレータ13に対する遅延時間Tdの調整を終了する。その後、設定した波高分布(波高分布A)を参照しつつ、単一光子検出装置1に対する光子Phの検出確率が所望の値となるしきい値を求め、求めたしきい値をカウンタ14に設定する。これにより、単一光子検出装置1に対する光子Phの検出確率の設定が完了する。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−234265号公報(第8頁、第1図)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、単一光子検出装置1に対する従来の単一光子の検出確率設定方法には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、従来の単一光子の検出確率設定方法では、パルスジェネレータ13における遅延時間Tdを設定する際に、カウンタ14に対するしきい値を一定の値に固定した状態において、パルスジェネレータ13における遅延時間Tdを変化させつつ、この固定したしきい値における光子Phの検出確率(パルス信号Spの発生確率)が遅延時間依存性データを参照して決定した所望の波高分布上に位置するように設定している。しかしながら、図4に示すように、遅延時間Td毎の各波高分布は、ダークパルスの発生率が実用上問題の生じない低いレベルとなるしきい値(約6mV)以上の範囲において、他のいずれかの波高分布と一点で交わる波形のため、一つのしきい値に基づく遅延時間Tdの設定方法では、誤って他の波高分布に設定されるおそれがあるという課題が生じる。例えば、波高分布Aとなるように、しきい値を20mVに固定して遅延時間Tdを調整した場合であっても、しきい値が20mVの点で符号Bの波高分布(以下、「波高分布B」ともいう)と交わるために、誤って波高分布Bに設定されるおそれがある。
【0011】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、単一光子の検出確率を正確に設定し得る単一光子検出確率設定方法を提供することを主目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る単一光子検出確率設定方法は、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の入力時から予め設定された遅延時間が経過した時に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カウンタとを備えた単一光子検出装置に対して前記単一光子の検出確率を設定する単一光子検出確率設定方法であって、前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間および前記カウンタに対する前記しきい値を順次変更して当該カウンタによる前記単一光子の入射の検出確率についてのしきい値依存性を示す波高分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定することによって作成した波高分布についての遅延時間依存性データ中の所定の前記波高分布における任意の値のしきい値に対応する第1の検出確率と当該任意の値のしきい値を前記カウンタに対して設定した際に測定される検出確率とが一致し、かつ前記所定の前記波高分布における他の任意の値のしきい値に対応する第2の検出確率と当該他の任意の値のしきい値を前記カウンタに対して設定した際に測定される検出確率とが一致する前記遅延時間を、前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間を変更しつつ求め、前記一致したときの前記遅延時間を前記パルスジェネレータに対して設定し、その後に、前記カウンタに対する前記しきい値を任意の値に設定することによって前記単一光子の検出確率を設定する。
【0013】
また、請求項2記載の単一光子検出確率設定方法は、請求項1記載の単一光子検出確率設定方法において、前記カウンタに対する前記しきい値を前記任意の値のしきい値に設定した状態において当該カウンタによる前記検出確率を測定すると共に当該測定した検出確率と前記第1の検出確率とを互いに比較する処理と、前記カウンタに対する前記しきい値を前記他の任意の値に設定した状態において当該カウンタによる前記検出確率を測定すると共に当該測定した検出確率と前記第2の検出確率とを互いに比較する処理とを、前記任意の値のしきい値に対応する前記測定した検出確率が前記第1の検出確率に一致し、かつ前記他の任意の値のしきい値に対応する前記測定した検出確率が前記第2の検出確率に一致するまで前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間を変更しつつ実行する。
【0014】
【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検出確率設定方法の好適な実施の形態について、図1,2,4を参照して説明する。なお、図4に示す単一光子検出装置1における波高分布についての遅延時間依存性データは予め測定されているものとする。また、以下、上記した単一光子検出装置1の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を使用して重複した説明を省略する。
【0015】
単一光子検出確率を設定する際は、最初に、図2に示す単一光子検出装置1において、パルス電圧Vpが印加されている期間におけるAPD11に対する光子Phの相対的な入射タイミングを設定する。具体的には、図1に示すように、まず、図4に示す波高分布についての遅延時間依存性データを参照して、その遅延時間依存性データ中の所望の(所定の)遅延時間Tdに対応する波高分布を決定する(ステップ20)。例えば、図4における波高分布Aに決定したものとする。
【0016】
次いで、カウンタ14に対するしきい値を任意の値Vth1に設定する(ステップ21)。続いて、カウンタ14における光子Phの検出確率Pdを測定し(ステップ22)、測定した検出確率Pdと、決定した波高分布Aにおけるしきい値(値Vth1)に対応する第1の検出確率Pa1とを比較する(ステップ23)。この際に、両検出確率Pd,Pa1が一致しないときには、パルスジェネレータ13に対する遅延時間Tdを変更しつつ(ステップ24)、このステップ22,23を繰り返し実行して、検出確率Pdを第1の検出確率Pa1に一致させる。例えば、図4に示すように、しきい値を値Vth1(20mV)に設定した場合、波高分布Aにおける第1の検出確率Pa1が4%のため、カウンタ14の検出確率Pdが4%となるように遅延時間Tdを変更する。
【0017】
上記処理を終了した後に、カウンタ14に対するしきい値を他の任意の値Vth2に設定する(ステップ25)。次いで、カウンタ14における光子Phの検出確率Pdを測定し(ステップ26)、測定した検出確率Pdと、決定した波高分布Aにおけるしきい値(値Vth2)に対応する第2の検出確率Pa2とを比較する(ステップ27)。この際に、両検出確率Pd,Pa2が一致しないときには、パルスジェネレータ13に対する遅延時間Tdを変更しつつ(ステップ28)、このステップ26,27を繰り返し実行して、検出確率Pdを第2の検出確率Pa2に一致させる。ステップ27において両検出確率Pd,Pa2が一致せずに遅延時間Tdを変更する場合において、図4に示すように、しきい値の値Vth2を値Vth1よりも低い電圧(例えば8mV)に設定した際に、測定した検出確率Pdが波高分布Aにおける第2の検出確率Pa2(6%)よりも大きいときは、遅延時間Tdを増加させることにより、検出確率Pdが第2の検出確率Pa2に近づき、検出確率Pdが第2の検出確率Pa2よりも小さいときは、遅延時間Tdを減少させることにより、検出確率Pdが第2の検出確率Pa2に近づくという傾向がある。逆に、しきい値の値Vth2を値Vth1よりも高い電圧に設定した場合、上記傾向と逆の傾向になる。したがって、遅延時間Tdを変更する際は、この傾向に基づいて変更することにより、検出確率Pdを容易に第2の検出確率Pa2に一致させることができる。
【0018】
次いで、しきい値を値Vth1,Vth2にそれぞれ設定した際の各検出確率Pdを再度測定して(ステップ29)、測定した各検出確率Pdと対応する検出確率Pa1,Pa2とを比較する(ステップ30)。各検出確率Pdの少なくとも一方が対応する検出確率(Pa1またはPa2)と一致していない場合、各検出確率Pdと対応する検出確率Pa1,Pa2とが一致するまで上記ステップ21〜30を繰り返し実行する。一方、ステップ30において、測定した各検出確率Pdと対応する検出確率Pa1,Pa2とが互いに一致した場合には、しきい値に対する光子Phについての検出確率が波高分布Aに示す特性となるように、パルスジェネレータ13に対して遅延時間Td(つまり、パルス電圧Vpが印加されている期間におけるAPD11に対する光子Phの入射タイミング)が設定されたと判別して、次の処理に移行する。
【0019】
続いて、図4に示す波高分布Aを参照して、単一光子検出装置1による光子Phについての検出確率が所望の値となるしきい値を求め、求めたしきい値をパルスジェネレータ13に設定する(ステップ31)。これにより、単一光子検出装置1に対する光子Phについての検出確率Pdの設定が完了する。
【0020】
このように、この単一光子検出確率設定方法によれば、パルス電圧Vpが印加されている期間における単一光子検出装置1のAPD11に対する光子Phの入射タイミングを設定する際に、遅延時間Tdを変更して、図4に示す波高分布についての遅延時間依存性データを参照して決定した波高分布における2つの異なる値Vth1,Vth2のしきい値に対する各検出確率Pa1,Pa2と、2つの異なる値Vth1,Vth2をしきい値としてカウンタ14に設定した際に測定される各検出確率Pdとが共に一致する遅延時間Tdを求め、求めた遅延時間Tdをパルスジェネレータ13に遅延時間Tdとして設定することにより、しきい値に対する光子Phの検出確率を、決定した波高分布の特性となるように確実かつ正確に設定(調整)することができる。したがって、その後に、決定した波高分布に基づいてしきい値を設定することにより、単一光子検出装置1における光子Phの検出確率を所望の値に確実に設定することができる。
【0021】
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、しきい値に対する光子Phについての検出確率が波高分布A(所望の波高分布)に示す特性となるように、パルスジェネレータ13に対して遅延時間Td(つまり、パルス電圧Vpが印加されている期間におけるAPD11に対する光子Phの入射タイミング)を設定する作業を単一光子検出装置が自動的に行うように構成することもできる。この単一光子検出装置1Aは、図5に示すように、単一光子検出装置1の構成に加えて、メモリ41、入力部42および制御部43を備えて構成されている。この場合、メモリ41には、図4に示す遅延時間Td毎の波高分布についての遅延時間依存性データが予め記憶されている。入力部42は、例えば、操作パネルやキーボード等で構成されて、所望の波高分布を示す特定データDsやカウンタ14に対するしきい値Vth(Vth1,Vth2)を制御部43に入力可能に構成されている。制御部43は、CPU等によって構成されて、入力部42から入力したしきい値Vthをカウンタ14に設定すると共に、カウンタ14における光子Phの検出確率Pdを測定する機能を備えている。また、制御部43は、パルスジェネレータ13の遅延時間Tdを調整する機能を備えている。さらに、制御部43は、入力部42から特定データDsが入力された際に、メモリ41に記憶されている複数の波高分布の内の入力した特定データDsによって特定される波高分布を所望の波高分布として決定し、決定した波高分布についての遅延時間依存性データを参照することにより、決定した波高分布における入力したしきい値Vthに対応する光子Phの各検出確率Pa1,Pa2を算出する機能を備えている。
【0022】
このように構成された単一光子検出装置1Aでは、入力部42から特定データDsおよびしきい値Vth1,Vth2を入力した制御部43が、上記した図1に示すステップ20〜ステップ30を実行することにより、しきい値Vth1,Vth2に対する光子Phについての検出確率が所望の波高分布に示す特性となるように、パルスジェネレータ13に対して遅延時間Tdを自動的に設定する。一例として、入力部42から波高分布Aを示す特定データDsを入力した際に、制御部43は、メモリ41を参照することにより、特定データDsによって特定される波高分布を所望の波高分布(一例として波高分布A)として決定する(ステップ20)。次いで、制御部43は、入力部42から入力したしきい値Vth1をカウンタ14に設定することにより、カウンタ14のしきい値を設定(固定)する(ステップ21)。次いで、制御部43は、この状態において、カウンタ14における光子Phの検出確率Pdを測定しつつ(ステップ22)、この測定した検出確率Pdとメモリ41を参照して算出したしきい値Vth1に対応する第1の検出確率Pa1とを比較しつつ(ステップ23)、パルスジェネレータ13の遅延時間Tdを変更することにより(ステップ24)、カウンタ14による検出確率Pdを第1の検出確率Pa1に一致させる処理を実行する。
【0023】
次いで、制御部43は、入力部42から入力したしきい値Vth2をカウンタ14に設定することにより、カウンタ14のしきい値を設定(固定)する(ステップ25)。次いで、制御部43は、この状態において、カウンタ14における光子Phの検出確率Pdを測定しつつ(ステップ26)、この測定した検出確率Pdとメモリ41を参照して算出したしきい値Vth2に対応する第2の検出確率Pa2とを比較しつつ(ステップ27)、パルスジェネレータ13の遅延時間Tdを変更することにより(ステップ28)、カウンタ14による検出確率Pdを第2の検出確率Pa2に一致させる処理を実行する。次いで、制御部43は、カウンタ14に対してしきい値Vth1,Vth2を順次設定すると共に、各しきい値Vth1,Vth2における各検出確率Pdを測定して(ステップ29)、測定した各しきい値Vth1,Vth2における各検出確率Pdが検出確率Pa1,Pa2に共に一致しているか否かを判別する(ステップ30)。制御部43は、ステップ30において、測定した各しきい値Vth1,Vth2における各検出確率Pdが第1の検出確率Pa1,Pa2に共に一致するまで、ステップ21〜30を繰り返し実行する。これにより、各しきい値に対する光子Phについての検出確率Pdが波高分布Aに示す特性となるように、パルスジェネレータ13に対する遅延時間Tdが制御部43によって自動設定される。この後、制御部43は、入力部42から入力したしきい値Vthをカウンタ14に設定する。これにより、単一光子検出装置1Aに対する光子Phの検出確率の設定が完了する。
【0024】
このように、この単一光子検出装置1Aによれば、制御部43が、入力部42から入力した特定データDsとしきい値Vth1,Vth2とに基づいて、しきい値Vthに対する光子Phについての検出確率Pdが特定データDsによって特定される所望の波高分布に示す特性となるようにパルスジェネレータ13に対して遅延時間Tdを自動的に設定することにより、しきい値に対する光子Phの検出確率が決定した波高分布の特性に一致するように、迅速かつ簡単に、しかも確実かつ正確に設定(調整)することができる。したがって、その後に、決定した波高分布に基づいてしきい値を設定することにより、単一光子検出装置1Aにおける光子Phの検出確率を迅速かつ簡単に、しかも確実に所望の値に設定することができる。
【0025】
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、単一光子検出装置1,1Aは情報セキュリティ通信装置における量子暗号通信の受信装置への適用のみならず、他の任意の装置に適用することができるのは勿論である。さらに、本発明の実施の形態では、カウンタ14にコンパレータ機能を設けてしきい値を設定する構成を例に挙げて説明したが、この構成に代えて、APD11とカウンタ14との間にコンパレータを配置して、このコンパレータに対してしきい値を設定する構成を採用することもできる。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る単一光子検出確率設定方法によれば、波高分布についての遅延時間依存性データ中の所定の波高分布における任意の値のしきい値に対応する第1の検出確率とこの任意の値のしきい値をカウンタに対して設定(固定)した際に測定される検出確率とが一致し、かつ所定の波高分布における他の任意の値のしきい値に対応する第2の検出確率とこの他の任意の値のしきい値をカウンタに対して設定した際に測定される検出確率とが一致する遅延時間を、パルスジェネレータに対する遅延時間を変更しつつ求 めることにより、しきい値に対する単一光子の検出確率の特性が決定した波高分布の示す特性に一致するように、パルスジェネレータに対する遅延時間を確実かつ正確に設定することができる。したがって、この決定した波高分布に基づいてしきい値を設定することにより、単一光子検出装置における単一光子の検出確率を所望の値に確実に設定することができる。
【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確率設定方法を説明するためのフローチャートである。
【図2】 単一光子検出装置1の構成図である。
【図3】 単一光子検出装置1による単一光子の検出に際して、パルスジェネレータ13へのトリガ信号Stの入力タイミング、APD11への光子Phの入射タイミング、およびAPD11にパルス電圧Vpを印加するタイミングの関係を示すタイミングチャートである。
【図4】 単一光子検出装置1の波高分布についての遅延時間依存性データを示す特性図である。
【図5】 単一光子検出装置1Aの構成図である。
【符号の説明】
1,1A 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
12 DCバイアス電源
13 パルスジェネレータ
14 カウンタ
41 メモリ
42 入力部
43 制御部
Ds 特定データ
OC 光ケーブル
Pd 検出確率
Ph 光子
Sp パルス信号
St トリガ信号
Vb バイアス電圧
Vp パルス電圧
Vth しきい値
Td 遅延時間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single photon detection probability setting method for setting a single photon detection probability for a single photon detection device that detects a single photon emitted by a single photon generation source using an avalanche photodiode. Is.
[0002]
[Prior art]
As a single photon detection device of this type, a single
[0003]
When counting (detecting) photons Ph using this single
[0004]
On the other hand, the
[0005]
Such a single
[0006]
In this type of information security communication apparatus, data communication is performed by expressing information (“0” or “1”) using the polarization state of a single photon. Specifically, on the transmission side, the single photon generator (1) generates a single photon in synchronization with the input trigger signal. The polarization modulation element (2) controls and encodes the polarization state of the input single photon based on the setting content by the encoding device (3). The polarization modulation element (2) outputs the polarized single photon to the optical cable as the transfer means (6). In this case, on the transmission side, a trigger signal is also output in synchronization with a single photon. On the other hand, on the receiving side, the polarization separation element (9, 10) selects the optical path according to the polarization state of the single photon, so that the single photon detection devices (11, 12, 13,. A single photon is incident on 14). Each single photon detection apparatus (11-14) detects the single photon output from the transmission side using a photon detection element. Furthermore, on the receiving side, the ellipsometer (15), the time slot identification means (16), and the decoding device (17) are connected to each single photon detector (11-14) based on the detection results of the single photon detectors (11-14). Decode information encoded in photons. At this time, like the single
[0007]
By the way, in the single
[0008]
Conventionally, when setting the detection probability for the photon Ph for the single
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-234265 (page 8, FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional single photon detection probability setting method for the
[0011]
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 probability setting method capable of accurately setting the detection probability of a single photon.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a single photon detection probability setting method according to the present invention includes an avalanche photodiode to which a single photon emitted from a single photon generation source is incident, and a breakdown voltage applied to the avalanche photodiode. A combined voltage of the DC bias power source for applying a predetermined voltage and the predetermined voltage when a preset delay time has elapsed from the input of the trigger signal output together with the emission of the single photon by the single photon generation source Generates a pulse voltage exceeding the breakdown voltage and applies the pulse voltage to the avalanche photodiode, and an output level of an output signal output by the avalanche photodiode in a state where the pulse voltage is applied is a predetermined threshold. A sensor that detects the incidence of the single photon when the value is exceeded. A single-photon detection probability setting method for setting a single-photon detection probability for a single-photon detection device comprising a counter, the delay time for the pulse generator and the threshold value for the counter Delay time dependence of the pulse height distribution created by measuring the pulse height distribution indicating the threshold dependence on the detection probability of the incidence of the single photon by the counter in turn for each of the changed delay times. A first detection probability corresponding to a threshold of an arbitrary value in the predetermined wave height distribution in the sex data, andA detection probability measured when a threshold value of an arbitrary value is set for the counter matches a second threshold value corresponding to a threshold value of another arbitrary value in the predetermined wave height distribution. Finding the delay time at which the detection probability matches the detection probability measured when the threshold value of the other arbitrary value is set for the counter while changing the delay time for the pulse generator, Set the delay time when the coincidence for the pulse generator,Thereafter, the single photon detection probability is set by setting the threshold for the counter to an arbitrary value.
[0013]
Also, the single photon detection probability setting method according to
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a single photon detection probability setting method according to the present invention will be described with reference to FIGS. It is assumed that the delay time dependency data on the wave height distribution in the single
[0015]
When setting the single photon detection probability, first, in the single
[0016]
Next, the threshold value for the
[0017]
After completing the above processing, the threshold value for the
[0018]
Next, the detection probabilities Pd when the threshold values are set to the values Vth1 and Vth2 are measured again (step 29), and the measured detection probabilities Pd are compared with the corresponding detection probabilities Pa1 and Pa2 (step 29). 30). When at least one of the detection probabilities Pd does not match the corresponding detection probability (Pa1 or Pa2), the
[0019]
Subsequently, with reference to the wave height distribution A shown in FIG. 4, a threshold value at which the detection probability for the photon Ph by the single
[0020]
Thus, according to this single photon detection probability setting method, the delay time Td is set when the incident timing of the photon Ph to the
[0021]
The present invention is not limited to the configuration shown in the above-described embodiment of the present invention. For example, the delay time Td (that is, the pulse voltage Vp) is applied to the
[0022]
In the single
[0023]
Next, the
[0024]
Thus, according to this single
[0025]
The present invention is not limited to the configuration shown in the above-described embodiment of the present invention. For example, the single
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the single photon detection probability setting method according to the present invention, the first detection corresponding to the threshold value of an arbitrary value in the predetermined wave height distribution in the delay time dependency data regarding the wave height distribution. probabilityAnd thisValue thresholdSet for the counter (Fixed)didThe second detection probability corresponding to the threshold value of any other value in the predetermined wave height distribution and the threshold value of this other arbitrary value are matched with the counter. The delay time that matches the detection probability measured when setting is set while changing the delay time for the pulse generator. MeThus, the delay time for the pulse generator can be set reliably and accurately so that the characteristic of the detection probability of a single photon with respect to the threshold value matches the characteristic indicated by the determined pulse height distribution. Therefore, by setting the threshold value based on the determined wave height distribution, the single photon detection probability in the single photon detection device can be reliably set to a desired value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart for explaining a single photon detection probability setting method according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a configuration diagram of a single
3 shows the timing of input of a trigger signal St to the
FIG. 4 is a characteristic diagram showing delay time dependency data for a pulse height distribution of the single
FIG. 5 is a configuration diagram of a single
[Explanation of symbols]
1,1A single photon detector
2 Single photon source
11 Avalanche photodiode
12 DC bias power supply
13 Pulse generator
14 counter
41 memory
42 Input section
43 Control unit
Ds specific data
OC optical cable
Pd detection probability
Ph photon
Sp pulse signal
St trigger signal
Vb bias voltage
Vp pulse voltage
Vth threshold
Td delay time
Claims (2)
前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間および前記カウンタに対する前記しきい値を順次変更して当該カウンタによる前記単一光子の入射の検出確率についてのしきい値依存性を示す波高分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定することによって作成した波高分布についての遅延時間依存性データ中の所定の前記波高分布における任意の値のしきい値に対応する第1の検出確率と当該任意の値のしきい値を前記カウンタに対して設定した際に測定される検出確率とが一致し、かつ前記所定の前記波高分布における他の任意の値のしきい値に対応する第2の検出確率と当該他の任意の値のしきい値を前記カウンタに対して設定した際に測定される検出確率とが一致する前記遅延時間を、前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間を変更しつつ求め、
前記一致したときの前記遅延時間を前記パルスジェネレータに対して設定し、
その後に、前記カウンタに対する前記しきい値を任意の値に設定することによって前記単一光子の検出確率を設定する単一光子検出確率設定方法。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 When a preset delay time elapses from the input of a trigger signal output together with the emission of one photon, a pulse voltage whose combined voltage with the predetermined voltage exceeds the breakdown voltage is generated and applied to the avalanche photodiode And a counter that detects the incidence of the single photon when the output level of the output signal output by the avalanche photodiode exceeds a predetermined threshold value when the pulse voltage is applied. The single photon detection accuracy of the single photon detector A single photon detection probability setting method for setting a
The delay time for the pulse generator and the threshold value for the counter are sequentially changed to change the pulse height distribution indicating the threshold dependence of the detection probability of the incidence of the single photon by the counter. A first detection probability corresponding to a threshold value of an arbitrary value in the predetermined wave height distribution in the delay time-dependent data for the wave height distribution created by measuring each and a threshold value of the arbitrary value The second detection probability corresponding to the threshold value of any other value in the predetermined wave height distribution and the other arbitrary The delay time corresponding to the detection probability measured when setting a threshold value of the value for the counter is the delay time for the pulse generator Asked while changing between,
Set the delay time when the coincidence for the pulse generator,
Thereafter, the single photon detection probability setting method of setting the detection probability of the single photon by setting the threshold value for the counter to an arbitrary value.
前記カウンタに対する前記しきい値を前記他の任意の値に設定した状態において当該カウンタによる前記検出確率を測定すると共に当該測定した検出確率と前記第2の検出確率とを互いに比較する処理とを、A process of measuring the detection probability by the counter in a state where the threshold value for the counter is set to the other arbitrary value and comparing the measured detection probability and the second detection probability with each other;
前記任意の値のしきい値に対応する前記測定した検出確率が前記第1の検出確率に一致し、かつ前記他の任意の値のしきい値に対応する前記測定した検出確率が前記第2の検出確率に一致するまで前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間を変更しつつ実行する請求項1記載の単一光子検出確率設定方法。The measured detection probability corresponding to the threshold of the arbitrary value matches the first detection probability, and the measured detection probability corresponding to the threshold of the other arbitrary value is the second The single-photon detection probability setting method according to claim 1, wherein the method is executed while changing the delay time for the pulse generator until the detection probability coincides with the detection probability.
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