JP4695594B2

JP4695594B2 - 光子検出装置および光通信システム

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Publication number: JP4695594B2
Application number: JP2006527664A
Authority: JP
Inventors: 淳一安部; 克宏清水; 俊夫長谷川; 毅西岡; 裕一石塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-07-12
Also published as: JPWO2006006231A1; EP1783931A1; US20080144823A1; WO2006006231A1; EP1783931B1; EP1783931A4

Description

この発明は、単一光子光源を用いた量子暗号の伝送などの量子情報処理に利用される光子検出装置に関するものであり、特に、単一光子レベルでの光子検出を高速になし得る光子検出装置および当該光子検出装置を具備する光通信システムに関するものである。

単一光子検出器は、従来からの高感度光測定での使用に加え、量子暗号や量子計算などの量子情報処理の分野において必須の技術となることから、近年、急速にその需要が高まりつつある。特に、量子暗号や量子通信では、通常の光通信と同様に、通信速度の高速化と通信距離の延伸化のため、高速でかつ高検出効率である光子受信装置が必要とされてきている。

単一光子レベルの信号光を受信する超高感度光測定では、通常、冷却アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）や光電子増倍管（ＰＭＴ：ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ）を用いた光子検出器が用いられている。特に、１．５μｍの通信波長帯では、ＰＭＴにはほとんど感度がないため、冷却ＡＰＤを用いた光子検出器を使用することが一般的な手法となっている。

１．５μｍ帯での光子検出には、感度の問題からインジウム・ガリウム・砒素系（ＩｎＧａＡｓ）系のＡＰＤが用いられることが多い。インジウム・ガリウム・砒素系（ＩｎＧａＡｓ）系のＡＰＤを用いた光子検出に関する従来技術として、例えば、下記に示す非特許文献１がある。

この非特許文献１において、光子検出に用いられるＡＰＤはガイガー（Ｇｅｉｇｅｒ）動作モードと呼ばれる特殊なバイアス条件で駆動される。ガイガー動作モードでは、ＡＰＤの降伏電圧ＶＢよりも若干高めに逆バイアス電圧を印加した状態にしておき、光子の入射によって生じた電子雪崩を、パルス信号として観測するようにしている。また、入射される光子がクロック信号に同期して周期的に飛来するような場合には、信号光子が入射されるタイミングに合わせてＡＰＤの降伏電圧ＶＢより大きな逆バイアス電圧（ゲートパルス）を順次周期的に印加するゲーティドガイガー（ｇａｔｅｄＧｅｉｇｅｒ）動作モードと呼ばれる駆動方式が用いられる。すなわち、逆バイアス電圧が降伏電圧ＶＢより大きくなった瞬間にちょうど光子が入射されれば、一定の検出効率で出力信号に信号パルスが発生する。光子検出できなかったときには、出力には何も出力されない。

このような光子検出器を、例えば量子暗号通信に使用する場合、通信速度をあげるためには、光子が飛来する時間間隔Ｔを短くすればよい。ところが、例えば、前述した非特許文献１にあるように、ゲーティドガイガー動作モードで駆動されるＡＰＤによる光子検出器では、アフターパルス（ａｆｔｅｒｐｕｌｓｅ）という現象が生じ、光子検出後に、クロック信号に同期してＡＰＤにゲートパルスを印加した場合に、光子が入射されていないのにも関わらず、電子雪崩が生じ、誤った信号パルスが出力されることがある。このアフターパルスの発生間隔は、光子検出後の経過時間が長ければ長いほど低下する。なお、アフターパルスとは、ＡＰＤにおいて、前回のアバランシェ増幅の際に素子に残留してしまったキャリアによって引き起こされるものである。

このアフターパルスの影響を取り除くため、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルスの周期に対して、光子がまばらにしか検出されない場合には、光子検出後、一定時間ゲートパルスの印加をしない時間を設け、アフターパルス計数率が十分低下した後に、ゲートパルスの印加を再開するという手法などが提案されている（例えば、非特許文献２など）。

しかしながら、この手法では、光子が頻繁に飛来する場合には、ゲートパルスの印加を止めることによって生じる不感時間が長くなって、検出の効率が低下するため、実用的な手法であるとは言い難かった。

Ｄ．Ｓｔｕｃｋｉｅｔａｌ．， "ＰｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈＰｅｌｔｉｅｒｃｏｏｌｅｄＩｎＧａＡｓＡＰＤｓ，" Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔ．４８，１９６７（２００１））Ｄ．Ｓｔｕｃｋｉｅｔａｌ．， "Ｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｖｅｒ６７ｋｍｗｉｔｈａｐｌｕｇ＆ｐｌａｙｓｙｓｔｅｍ，" ＮｅｗＪ．Ｐｈｙｓ４，４１．１−４１．８（２００２）；Ａ．Ｙｏｓｈｉｚａｗａｅｔａｌ．， "ＡＭｅｔｈｏｄｏｆＤｉｓｃａｒｄｉｎｇＡｆｔｅｒ−ＰｕｌｓｅｓｉｎＳｉｎｇｌｅ−ＰｈｏｔｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，" Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１，６０１６−６０１７（２００２））

上述した従来の光子検出器においては、アフターパルスの影響により、光子検出の応答速度を十分に高速にすることが困難であるという課題があった。

また、上記のようにアフターパルスの影響によって生じる、光子検出器の応答時間制限の他にも、本来的にＡＰＤがもつ素子特性による応答速度制限も生じる。通常ＡＰＤでは、応答速度と量子効率はトレードオフの関係にあるため、高い量子効率が必要とされる光子検出器では、十分な応答速度を得ることが困難であるという課題があった。

このような状況に鑑み、本発明は、見かけ上の応答速度を単一の光子検出器を用いたときより大幅に向上させ得る、高速な光子検出装置を得ることを目的とするものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる光子検出装置にあっては、波長多重された入射光子パルス列を波長ごとに分波する波長分波手段と、前記波長分波手段によって分波された光子を検出する複数の光子検出器と、前記波長分波手段の出力光が前記複数の光子検出器に入射されるタイミングに合致するように前記複数の光子検出器のそれぞれにバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段と、前記複数の光子検出器からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、波長分波手段は、波長多重された入射光子パルス列を波長ごとに分波し、複数の光子検出器は、波長分波手段によって分波された光子を検出し、バイアス印加手段は、波長分波手段の出力光が複数の光子検出器に入射されるタイミングに合致するように複数の光子検出器のそれぞれにバイアス電圧としてのゲートパルスを印加し、データ処理手段は、複数の光子検出器からの検出信号を時系列信号に変換する。

本発明にかかる光子検出装置によれば、複数の各光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化することができるので、低速な光子検出素子を用いた場合でも、高速に光子検出を行うことができるという効果を奏する。

図１は、この発明の実施の形態１にかかる光子検出装置の構成を示す概念図である。図２−１は、ゲートパルス列の時間間隔Ｔが短い場合において、光子検出とアフターパルス発生確率とゲートパルス列との関係を示した模式図である。図２−２は、ゲートパルス列の時間間隔Ｔ’が長い場合において、光子検出とアフターパルス発生確率とゲートパルス列との関係を示した模式図である。図３は、光子検出から所定時間の経過後に、アフターパルスが発生する確率Ｐ_after(ｔ)を観測した実験結果を示す図である。図４は、バイアス印加手段１４が高速光子検出装置１３の各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに印加するゲートパルス（逆バイアス電圧に相当）列の様子を示す模式図である。図５は、ゲートパルス列の電圧Ｖ_biasとＡＰＤ電流との関係を示す図である。図６は、この発明の実施の形態２にかかる量子暗号通信システムの構成を示す概念図である。

符号の説明

１１波長多重光子パルス列
１２波長分波手段
１３高速光子検出装置
１３−１〜１３−ｎ光子検出器（ＡＰＤ）
１４バイアス印加手段
１５データ処理手段
２０光子検出装置
５１量子暗号送信装置
５２量子暗号変調器
５３伝送路
５４量子暗号復調器
５５クロック抽出手段
５６量子暗号受信装置

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる光子検出装置および当該光子検出装置を具備する光通信システムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１にかかる光子検出装置の構成を示す概念図である。同図に示す光子検出装置は、波長多重光子パルス列１１の各入射光子を波長によって異なる経路に分配する波長分波手段１２と、複数の光子検出器（例えば冷却アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ））１３−１〜１３−ｎを備える高速光子検出装置１３と、高速光子検出装置１３の各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎにＡＰＤの降伏電圧Ｖ_Bより大きな逆バイアス電圧（ゲートパルス）を順次周期的に印加するバイアス印加手段１４と、高速光子検出器１３の各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎから出力される検出信号を、時系列信号（シリアル信号）に変換するデータ処理手段１５と、を備えている。

波長分波手段１２としては、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ−ＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）型分波器を用いることができる。ＡＷＧ型分波器は平面光波回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎｅｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）で構成され、アレイ状に構成されたＡＰＤ光子検出器と同一基板上に集積化することができ、装置の小型化、高機能化、低コスト化が可能になる。また、ＡＷＧ型分波器の出力ポートから光ファイバで光子を取り出す場合には、複数のＡＰＤ光子検出器はアレイ型である必要はなく、各ポートの光ファイバを個別にｎ個のＡＰＤ光子検出器に繋げばよい。

また、波長分波手段１２としては、例えば、薄膜フィルタ用いることができる。

つぎに、上述したアフターパルスの影響について説明する。第２図は、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルス列に対して光子がまばらにしか検出されない場合について、光子検出とアフターパルス発生確率とゲートパルス列との関係を示した模式図であり、特に、図２−１は、ゲートパルス列の時間間隔Ｔが短い場合を示す図であり、図２−２は、ゲートパルス列の時間間隔Ｔ’が長い場合を示す図である。

図２−１に示す場合では、光子検出後、アフターパルス計数率Ｐ_after（Δｔ）が大きいうちに、つぎのゲートパルスが印加されるため、光子が入射されていないのにも関わらず、誤って検出信号が出力されてしまう確率が大きくなる。

一方、図２−２に示す場合では、光子検出後十分な時間の経過後に、つぎのゲートパルスが印加されるため、アフターパルスによる誤った検出信号は発生しなくなる。

また、図３は、光子検出から所定時間の経過後に、アフターパルスが発生する確率Ｐ_after(ｔ)を観測した実験結果を示す図である。図３から明らかなように、光子検出から０．５μs経過した後でも１０^-2程度のアフターパルスが発生する確率が存在することがわかる。したがって、通信速度を増加させるため、光子が飛来する間隔を短くすればするほど、誤り信号が発生する確率が増大することになる。例えば、図３の特性を有するＡＰＤ光子検出器を用いた場合には、Ｔ＝０．５μｓとした場合に、およそ１％の誤りが生じることになる。

図４は、バイアス印加手段１４が高速光子検出装置１３の各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに印加するゲートパルス（逆バイアス電圧に相当）列の様子を示す模式図である。また、図５は、ゲートパルス列の電圧Ｖ_biasとＡＰＤ電流との関係を示す図である。図５中に示すＩ_dは、ＡＰＤの暗電流を表している。

図４に示すように、バイアス印加手段１４は、同期信号に基づいて、ｎ個の各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに対し、図１に示した波長多重光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の周期ｎＴで、ゲートパルス列を印加する。また、バイアス印加手段１４によって各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに時間間隔ｎＴで印加される各ゲートパルス（逆バイアス電圧）は、図５に示すように、ＡＰＤの降伏電圧Ｖ_Bより大きな電圧Ｖ_B＋ΔＶと、ＡＰＤの降伏電圧Ｖ_Bより小さな電圧Ｖ_B−ΔＶの間で変化するものである。

このように、ｎ個のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎを用い、これらｎ個のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに対し波長多重パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間間隔ｎＴでゲートパルスを印加するようにしているので、個々のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに必要とされる応答速度を１/ｎにすることができる。

図１に戻って、データ処理手段１５には、高速光子検出装置１３の複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎの出力が入力されるように構成されており、データ処理手段１５は、複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎから出力される光子検出信号の時系列的な順番を保持しつつ、この光子検出信号を時系列的なシリアル信号に変換するなどのデータ処理を行った信号を検出信号として出力する。

かかる構成によれば、一定の時間間隔Ｔの一定間隔で飛来する波長多重光子パルス列１１は、波長分波手段１２に入射する。なお、波長多重光子パルス列１１は、パルス列の飛来周期が同期信号（クロック信号）と同期していればよく、光強度が非常に微弱なときは、各パルス列には必ずしも光子が含まれていなくてもよい。すなわち光子は、時間Ｔの任意の整数倍の間隔でさえあれば、歯抜けの状態でランダムに飛来してもよい。

波長分波手段１２に入射した波長多重光子パルス列１１の１つ目の入射光子は、波長分波手段１２によって分波され、高速光子検出装置１３の複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎの何れか一つ（例えば、１番目のＡＰＤ１３−１）に入射する。この入射時点において、全てのＡＰＤ１３−１〜１３−ｎには、バイアス印加手段１４からゲートパルス（逆バイアス電圧）が印加されており、これにより１つ目の光子が入射した一つのＡＰＤの出力には、アバランシェ効果により信号パルスが発生する。光子が入射していない他のＡＰＤの出力には信号パルスは発生しない。

ここで、入射光子パルスは、一定の時間間隔Ｔで波長分波手段１２に入射するが、１つ目の光子が入射したＡＰＤにつぎの光子が入射するのは、１つ目の光子が入射してから、波長多重光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間ｎＴの後である。

光子が入射した１番目のＡＰＤから出力される信号パルスは、データ処理手段１５に伝達される。

１つ目の光子が波長分波１２に入射した後、時間Ｔが経過すると、波長分波手段１２に２つ目の光子が入射する。この２つ目の光子は、波長分波手段１２によって分波され、例えば、２番目のＡＰＤ１３−２に入射する。この入射により、上述の処理と同様に、２番目のＡＰＤ１３−２の出力には、信号パルスが発生する。光子が入射した２番目のＡＰＤから出力される信号パルスは、データ処理手段１５に伝達される。なお、上述のように、２つ目の光子が入射したＡＰＤにつぎの光子が入射するのは、２つ目の光子が入射してから時間ｎＴの後である。

入射光子パルスが時間間隔Ｔをもって波長分波手段１２に入射される度に、このような動作が繰り返し実行され、データ処理手段１５では、複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎから出力された光子検出信号が時系列的なシリアル信号に変換された後、出力される。

このような構成により、各光子検出素子（ＡＰＤ）の見かけ上の応答速度を増大させることができる。例えば、高速光子検出装置１３内にｎ個のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎが配置されている場合には、理想的には各光子検出素子の見かけ上の応答速度をｎ倍にすることが可能となる。

なお、図１では、波長多重パルス列１１における各入射光子の時間間隔（周期）をＴとした場合について示したが、同一波長を有するパルス列の時間間隔が一定であればよく、異なる波長を有するパルス間の時間間隔は一定である必要はない。すなわち、異なる波長を有するパルス列は、時分割多重されている必要はない。

このように、この実施の形態の光子検出装置によれば、高速光子検出装置１３内に複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎを設け、これら複数のＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに分配されるように波長分波手段１２によって波長多重光子パルス列１１を分波するようにしているので、各ＡＰＤ１３−１〜１３−ｎに印加するゲートパルス（逆バイアス電圧）の間隔は、波長多重光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間ｎＴで済むようになる。したがって、この実施の形態の光子検出装置にあっては、各光子検出素子（ＡＰＤ）１３−１〜１３−ｎの見かけ上の応答速度をｎ倍に高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた場合でも、高速に光子検出を行うことができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２にかかる光通信システムの構成を示す概念図である。なお、この実施の形態の光通信システムでは、実施の形態１の光子検出装置を量子暗号通信における量子暗号受信装置として適用している。

図６に示す光通信システムは、量子暗号送信装置５１と、量子暗号受信装置５６と、を備えている。量子暗号送信装置５１は、量子暗号プロトコルに従って信号光子を変調する量子暗号変調器５２、信号光子よりも光強度の強いクロック信号光と信号光子を合波する合波器（図示省略）などを備えている。

一方、量子暗号受信装置５６は、伝送路５３を介して受信した受信信号を復調する量子暗号復調器５４と、受信信号からクロック信号を抽出するクロック抽出手段５５と、実施の形態１に示した光子検出装置と同等の光子検出装置２０と、を備えている。光子検出装置２０は、実施の形態１で説明したものと同様であり、波長分波手段１２、高速光子検出装置１３、バイアス印加手段１４およびデータ処理手段１５を有している。

このような量子暗号受信装置５６を用いた光通信システムにおいては、量子暗号送信装置５１の量子暗号変調器５２で量子暗号プロトコルに従って変調された信号光子は、クロック信号光と合波された後、伝送路５３を通じて伝送され、量子暗号受信装置５６に入射する。

量子暗号受信装置５６の量子暗号復調器５４に入射した信号光子は、量子暗号復調器５４で復調された後、波長分波手段１２に入射される。一方、クロック抽出手段５５には、量子暗号復調器５４で信号光子と分波されたクロック信号光が伝達され、同期をとるためのクロック信号（同期信号）が抽出される。

クロック抽出手段５５で抽出された同期信号は、実施の形態１と同様、バイアス印加手段１４に伝達される。バイアス印加手段１４は実施の形態１と同様に動作する。また。波長分波手段１２に入射された信号光子は、波長分波手段１２で分波された後、複数の光子検出素子１３−１〜１３−ｎを備える高速光子検出装置１３に入射される。高速光子検出装置１３の検出信号は、データ処理手段１５で時系列信号に変換されてデータ処理手段１５から出力される。

なお、量子暗号受信装置５６に入射した信号光子を複数の径路に分岐させること必要性がある場合には、光子検出装置２０を各径路に１式づつ設置すればよい。

以上説明したように、この実施の形態では、実施の形態１に示した光子検出装置を光通信システムの量子暗号受信装置に適用しているので、単一光子レベルでの光子検出を高速化でき、量子暗号鍵の共有速度を増大させることができる。

以上のように、本発明は、量子暗号通信における量子暗号受信装置に必要不可欠な光子検出装置として有用であり、特に、単一光子レベルでの光子検出を高速化させたい場合などに適している。

Claims

複数の波長によって波長多重され、波長毎に所定の時間間隔で入射される入射光子パルス列を波長毎に分波し、且つ、波長毎に振り分ける波長分波手段と、
前記波長分波手段によって波長毎に振り分けられた光子を検出する複数の光子検出器と、
前記波長毎に振り分けられた光子が前記各光子検出器に入射するタイミングに合致するように対応する光子検出器のそれぞれにバイアス電圧としてのゲートパルスを当該光子検出器毎に一定間隔で印加するバイアス印加手段と、
前記各光子検出器からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段と、
を備えたことを特徴とする光子検出装置。
前記入射光子パルス列は、同一時刻（タイムスロット）に異なる波長の光子が２つ以上含まれないように時分割多重されてなることを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
前記ゲートパルスの印加周期は、前記入射光子パルス列の波長多重周期に一致することを特徴とする請求項２に記載の光子検出装置。
前記波長分波手段は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型分波器であることを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
前記波長分波手段は、薄膜フィルタ型分波器であることを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
前記各光子検出器は、アレイ型ＡＰＤ素子であることを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
光信号を用いて量子暗号通信を行う送信側装置として機能する量子暗号送信装置と、
前記量子暗号通信を行う受信側装置として機能する量子暗号受信装置と、
を備えた量子暗号システムにおいて、
前記量子暗号受信装置は、
複数の波長によって波長多重され、波長毎に所定の時間間隔で入射される入射光子パルス列を波長毎に分波し、且つ、波長毎に振り分ける波長分波手段と、
前記波長分波手段によって波長毎に振り分けられた光子を検出する複数の光子検出器と、
前記波長毎に振り分けられた光子が前記各光子検出器に入射するタイミングに合致するように対応する光子検出器のそれぞれにバイアス電圧としてのゲートパルスを当該光子検出器毎に一定間隔で印加するバイアス印加手段と、
前記各光子検出器からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段と、
を具備する光子検出装置を備えたことを特徴とする光通信システム。
前記入射光子パルス列は、同一時刻（タイムスロット）に異なる波長の光子が２つ以上含まれないように時分割多重されてなることを特徴とする請求項７に記載の光通信システム。
前記ゲートパルスの印加周期は、前記入射光子パルス列の波長多重周期に一致することを特徴とする請求項８に記載の光通信システム。