JP5649759B2 - 光子検出装置および方法 - Google Patents

Description

この発明は、量子暗号通信などの光通信システムまたはその周辺回路に用いられる光子検出装置および方法に関するものである。

一般に、通信波長帯（１５５０ｎｍ帯）を用いた量子暗号通信の光子検出装置には、通信波長帯のＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ−Ｄｉｏｄｅ：アバランシェ・フォトダイオード）が用いられる。この回路構成においては、ＡＰＤの降伏電圧よりもわずかに低いＤＣバイアス電圧と、パルス状または正弦波状のＡＣバイアス電圧とを合波した駆動信号をＡＰＤに印加して、ガイガーモード動作させることにより、微弱な光子の検出信号を取得することができる。

しかし、ＡＰＤから出力される電気信号には、光子検出信号のみならず、ＡＰＤ駆動信号に由来した周期的雑音信号も含まれている。周期的雑音信号は、ＡＣバイアス電圧の繰り返し周波数が大きい場合に顕著となり、閾値検出による光子検出信号の抽出を阻害する要因となる。特に、ＡＣバイアス電圧の繰り返し周波数が数１００ＭＨｚ以上に達すると、光子検出信号よりも周期的雑音信号の振幅が上回ることから、光子検出信号の抽出が困難となる。

そこで、従来から、上記問題を解決するための電子回路構成が種々提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
特許文献１においては、ＡＰＤ駆動信号を正弦波として、周期的雑音信号も正弦波（単一周波数）とすることにより、ＢＥＦ（Ｂａｎｄ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ Ｆｉｌｔｅｒ）などの帯域除去フィルタを介した周期的雑音信号の除去を容易にしている。

一方、特許文献２においては、ＡＰＤ駆動信号を矩形波（正弦波でも可）とし、ＡＰＤ出力信号を分波器で２つに分割し、２つの分割信号のうちの一方の信号を、遅延線を介して駆動信号の周期分だけ時間遅延させて、２つの分割信号を合波して差分を取ることにより、複数の周波数成分を含む周期的雑音信号を除去している。この場合、雑音信号が周期的であるのに対し、光子検出信号はランダムに発生するので、光子検出信号のみの取得が可能となる。

ＷＯ２００７／１０２４３０号公報 特開２０１１−２５２９１９号公報

従来の光子検出装置は、光子検出信号に重畳される周期的雑音信号を何らかの手段で除去することにより、光子検出信号のみの抽出を可能にしているが、特許文献１の回路構成では、周期的雑音信号を除去するための帯域除去フィルタに対して高信頼性の特性が求められることから、帯域除去フィルタの周波数依存性に起因して駆動周波数を柔軟に変更することができないという課題があった。

また、特許文献２の回路構成では、差分取得回路における遅延線の長さと、分割した２つの電気信号強度との両方について、精密な微調整が要求されることから、厳密に雑音信号のみを除去することが困難になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、周期的雑音信号の除去手段を構築することなく、周期的雑音信号のみの位相を変化させて周期的雑音信号の正の頂点位置に光子検出信号を重畳させ、光子検出信号のみを際立たせることにより、閾値検出による光子検出信号の抽出を容易にした光子検出装置および方法を得ることを目的とする。

光子検出素子と、光子検出素子のアノードに接続されたアノード回路と、光子検出素子に印加される駆動信号のＡＣバイアス電圧を生成するＡＣバイアス発生回路と、駆動信号のＤＣバイアス電圧を生成するＤＣバイアス発生回路と、ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧とを合波した駆動信号を、カソード回路を介して光子検出素子のカソードに印加するＡＣ・ＤＣ合波回路と、ＡＣバイアス発生回路とＡＣ・ＤＣ合波回路との間に挿入されたカソード回路と、光子検出素子のアノードから出力される電気信号のうち、ＡＣバイアス電圧に由来した周期的雑音信号のみを所定位相シフト量だけ時間遅延させる位相シフト手段と、を備え、所定位相シフト量は、アノードから出力されたときの電気信号に含まれる光子検出信号と周期的雑音信号との位相差に相当するものである。

この発明によれば、周期的雑音信号のみの位相を変化させて、光子検出信号のみを際立たせることにより、閾値検出時に確実に光子検出信号を抽出することができる。

この発明の実施の形態１に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 図１内の光子検出素子から出力される電気信号を示す波形図である。 図１内の位相シフト手段を通過後の電気信号を示す波形図である。 この発明の実施の形態２に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態７に係る光子検出装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図である。
図１において、光子検出装置は、たとえばＡＰＤからなる光子検出素子１と、検出抵抗２ａからなるアノード回路２と、コンデンサ３ａおよび抵抗３ｂからなるカソード回路３と、正弦波状バイアス発生回路４と、ＤＣバイアス発生回路５と、ＡＣ・ＤＣ合波回路６と、位相シフト手段７と、を備えている。

光子検出素子１のカソード（電気信号入力端子）には、ＡＣ・ＤＣ合波回路６を介してカソード回路３が接続され、光子検出素子１のアノード（電気信号出力端子）には、アノード回路２および位相シフト手段７が接続されている。
光子検出素子１は、通信波長帯（１５５０ｎｍ）の光子の入力有無によって出力波形が変化する光デバイスであり、外部からの光子入力に応答してアノードから電気信号を出力する。

アノード回路２の検出抵抗２ａは、光子検出素子１のアノードとグランドとの間に挿入されている。
カソード回路３において、コンデンサ３ａは、正弦波状バイアス発生回路４とＡＣ・ＤＣ合波回路６との間に挿入され、抵抗３ｂは、正弦波状バイアス発生回路４およびコンデンサ３ａの接続点とグランドとの間に挿入されている。

正弦波状バイアス発生回路４は、正弦波状のＡＣバイアス電圧を生成し、ＤＣバイアス発生回路５は、光子検出素子１の降伏電圧よりもわずかに低いＤＣバイアス電圧を生成する。正弦波状バイアス発生回路４からのＡＣバイアス電圧は、カソード回路３を介して、ＡＣ・ＤＣ合波回路６に入力される。
ＡＣ・ＤＣ合波回路６は、カソード回路３を介したＡＣバイアス電圧と、ＤＣバイアス発生回路５からのＤＣバイアス電圧とを合波して駆動信号を生成し、光子検出素子１のカソードに印加する。

位相シフト手段７は、光子検出素子１のアノードから出力される電気信号のうち、駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させて、光子検出信号Ｓの波形を際立たせる。
位相シフト手段７を介した電気信号は、後段の信号処理回路（図示せず）に入力される。

なお、位相シフト手段７は、駆動信号として正弦波状のＡＣバイアス電圧が用いられた場合には、正弦波の周波数（たとえば、１００ＭＨｚ）に対して、わずかに中心周波数のずれたＢＥＦ（たとえば、１０１ＭＨｚ）を用いた回路構成としてもよい。

または、位相シフト手段７は、光子検出素子１のアノードから出力される電気信号と、別のＡＣ信号を合波する回路構成としてもよい。この場合、周期的雑音信号Ｎよりも、光子検出信号Ｓを際立たせることができるならば、合波させるＡＣ信号の形状(周波数、振幅、位相)は任意に設定され得る。ただし、合波させるＡＣ信号として正弦波を用いる方が、光子検出信号Ｓを容易に際立たせることができる。

次に、図２および図３を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１による信号抽出動作について説明する。
図２は光子検出素子１による光子検出信号Ｓを周期的雑音信号Ｎとともに示す波形図であり、位相シフト手段７を通過前の電気信号の積算波形の一例を示している。
図２においては、位相シフト手段７を通過前の信号波形からなる光子検出信号Ｓが、駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎの正の頂点部分に重畳されるので、閾値Ｔｈ１を用いて光子検出信号Ｓのみを検出することが困難な状態にある。

図３は位相シフト手段７を通過後の光子検出信号Ｓを周期的雑音信号Ｎとともに示す波形図であり、位相シフト手段７を通過後の電気信号の積算波形の一例を示している。
図３においては、周期的雑音信号Ｎのみがシフトされて、光子検出信号Ｓが周期的雑音信号Ｎの正の頂点部分に重畳されるようになるので、閾値Ｔｈ２を用いて光子検出信号Ｓのみを容易に検出可能することができる。なお、位相シフト量は、光通信システムの設計仕様に応じてあらかじめ適正値に設定可能である。

まず、光子検出素子１を光子検出素子として動作させるためには、降伏電圧よりもわずかに低いＤＣバイアス電圧とＡＣバイアス電圧とを合波した駆動信号を、光子検出素子１のカソードに印加する必要がある。

ＡＣ・ＤＣ合波回路６は、ＤＣバイアス発生回路５から生成されたＤＣバイアス電圧と、正弦波状バイアス発生回路４から生成された後にカソード回路３を介したＡＣバイアス電圧とを合波し、駆動信号として光子検出素子１のカソードに印加する。
これにより、光子検出素子１が動作し、光子入力に応じた電気信号の出力波形をアノードから生成する。

ただし、図２に示すように、光子検出素子１から出力される電気信号には、光子検出信号Ｓのみならず、駆動信号に由来した正弦波状の周期的雑音信号Ｎも含まれており、周期的雑音信号Ｎの振幅が光子検出信号Ｓ以上に達した場合には、閾値検出による光子検出信号Ｓのみの抽出を阻害する要因となる。

そこで、図３のように、位相シフト手段７を用いて、光子検出素子１からの電気信号のうち、駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎのみを時間的に遅延させる。
このとき、周期的雑音信号Ｎを遅延させる位相量は、光子検出素子１のアノードから出力されたときの電気信号に含まれる光子検出信号Ｓと周期的雑音信号Ｎとの位相差に相当する。

光子検出信号Ｓは、広い周波数帯域に分布しているが、周期的雑音信号Ｎは、駆動信号（正弦波）の周波数に順じている。したがって、駆動信号の周波数に対して周波数依存性のある回路素子を位相シフト手段７として用いることにより、周期的雑音信号Ｎのみを選択的に時間遅延させることができる。

すなわち、図３のように、正弦波状の周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させて、正弦波の正の頂点部分に光子検出信号Ｓを配置することにより、光子検出信号Ｓを際立たせることができる。
これにより、閾値検出により抽出されるのは光子検出信号Ｓのみとなり、周期的雑音信号Ｎを除去することなく、閾値検出への影響を回避することが可能となる。

従来の周期的雑音信号の除去技術において、光子検出装置として良好な性能を得るためには、周期的雑音信号の徹底的な除去を行うとともに、閾値を可能な限り低い値に設定する必要がある。なぜなら、閾値検出を行う信号波形の都合上、周期的雑音信号による検出器性能への影響が時間軸全体に及ぶからである。

これに対し、この発明の実施の形態１によれば、図３のように、光子検出信号Ｓを周期的雑音信号Ｎの正の頂点に配置するので、閾値検出で受ける周期的雑音信号Ｎの影響は、周期的雑音信号Ｎの正の頂点部分の時間のみに限定され、時間軸全体での周期的雑音信号Ｎの考慮は必要なくなる。

また、図３には記載していないが、予期せぬ雑音信号が突発的に発生する場合もあり、突発的な雑音信号に起因して、光子検出装置の全体的な性能低下が生じる可能性がある。
しかし、この発明の実施の形態１によれば、図３のように、観測したい光子検出信号Ｓ以外は、正弦波状の周期的雑音信号Ｎの正の頂点から外れるので、閾値検出での不要な抽出による不利益を回避することができる。

また、光子検出素子１の周辺回路の状況によっては、光子検出信号Ｓの波形形状が複雑化する場合もあり、このことによっても、光子検出装置の全体的な性能に不利益が生じる可能性がある。
しかし、この発明の実施の形態１によれば、最も効果的な閾値検出が可能となるように、光子検出信号Ｓと周期的雑音信号Ｎとの波形を調整することが可能となる。

なお、光子検出信号Ｓを、正弦波状の周期的雑音信号Ｎの正の頂点に厳密に配置することができなくても、正の頂点近傍に配置させて、周期的雑音信号Ｎよりも光子検出信号Ｓを十分に際立たせることができていれば、上記作用効果を奏することができる。

また、光子検出信号Ｓが発生するタイミングのみにおいて、閾値検出器の検出窓を開いて測定を行う手法も知られているが、閾値検出を行う検出器の能動的機構が複雑となるので効率的ではない。
これに対し、この発明の実施の形態１によれば、受動的な手法により、上記能動的機構の機能と同等の効果を達成することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１）に係る光子検出装置は、光子検出素子１と、光子検出素子１のアノードに接続されたアノード回路２と、光子検出素子１に印加される駆動信号のＡＣバイアス電圧を生成する正弦波状バイアス発生回路４（ＡＣバイアス発生回路）と、駆動信号のＤＣバイアス電圧を生成するＤＣバイアス発生回路５と、ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧とを合波した駆動信号を、カソード回路３を介して光子検出素子１のカソードに印加するＡＣ・ＤＣ合波回路６と、正弦波状バイアス発生回路４とＡＣ・ＤＣ合波回路６との間に挿入されたカソード回路３と、光子検出素子１のアノードから出力される電気信号のうち、ＡＣバイアス電圧に由来した周期的雑音信号Ｎのみを所定位相シフト量だけ時間遅延させる位相シフト手段７と、を備えている。
所定位相シフト量は、光子検出素子１のアノードから出力されたときの電気信号に含まれる光子検出信号Ｓと周期的雑音信号Ｎとの位相差に相当する。

具体的には、光子検出素子１は、ＡＰＤからなり、アノード回路２は、光子検出素子１のアノードとグランドとの間に挿入された検出抵抗２ａにより構成されている。
また、カソード回路３は、正弦波状バイアス発生回路４とＡＣ・ＤＣ合波回路６との間に挿入されたコンデンサ３ａと、正弦波状バイアス発生回路４およびコンデンサ３ａの接続点とグランドとの間に挿入された抵抗３ｂと、により構成されている。

また、この発明の実施の形態１に係る光子検出方法は、ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧とを合波した駆動信号を光子検出素子１に印加するステップと、光子検出素子１のアノードから電気信号を取得するステップと、電気信号に含まれる周期的雑音信号Ｎのみを所定位相シフト量だけ時間遅延させて、電気信号に含まれる光子検出信号Ｓのみを際立たせるステップと、を備えている。

このように、位相シフト手段７を用いて、光子検出素子１の駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させ、周期的雑音信号Ｎの正の頂点位置に光子検出信号Ｓを重畳させて際立たせたうえで閾値検出を行うことにより、周期的雑音信号Ｎの除去手段を構築することなく、量子暗号通信などにおける光子検出信号Ｓと周期的雑音信号Ｎとが混在した電気信号から、光子検出信号Ｓのみを容易にかつ確実に閾値検出することができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、位相シフト手段７の具体的な回路構成について言及しなかったが、図４のように、正弦波状バイアス発生器８および合波回路９により位相シフト手段７Ａを構成してもよい。

図４はこの発明の実施の形態２に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。

図４において、位相シフト手段７Ａは、パルス信号（正弦波信号）を生成する正弦波状バイアス発生器８と、正弦波状バイアス発生器８からのパルス信号と光子検出素子１からの電気信号とを合波する合波回路９と、を備えている。

正弦波状バイアス発生器８からのパルス信号は、周期的雑音信号Ｎを位相シフトするために、電気信号に含まれる周期的雑音信号Ｎ（ＡＣバイアス電圧）の周波数と同一周波数で位相が所定量だけ異なるか、または、周期的雑音信号Ｎの周波数からわずかに異なる中心周波数を有している。

この場合、正弦波状バイアス発生器８および合波回路９は、位相シフト手段７Ａとしての機能を実現しており、合波回路９には、光子検出素子１からの電気信号と、正弦波状バイアス発生器８からのパルス信号とが入力される。

合波回路９は、光子検出素子１からの電気信号に対して、周波数または位相が異なるパルス信号（正弦波信号）を合波することにより、前述と同様に、駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させて、光子検出信号Ｓのみを際立たせている。
このとき、合波回路９で合波されるパルス信号の振幅は、周期的雑音信号Ｎの振幅と同一に設定されることが望ましい。

以上のように、この発明の実施の形態２（図４）に係る光子検出装置の位相シフト手段７Ａは、正弦波状バイアス発生器８（ＡＣバイアス発生器）および合波回路９を備え、正弦波状バイアス発生器８を用いて、光子検出素子１の駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎと同じ振幅のパルス信号（正弦波信号）を生成し、合波回路９を用いて、光子検出素子１からの電気信号と合波することにより、所定の位相シフト機能を実現する。

これにより、複雑な位相シフト回路の設置が難しい場合であっても、図４に示すような簡単な回路構成により、光子検出信号Ｓのみを際立たせることができ、前述と同様の作用効果を奏する。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図４）では、正弦波状バイアス発生器８および合波回路９からなる位相シフト手段７Ａを用いたが、図５のように、正弦波状バイアス発生器８Ｂと合波回路９との間に、減衰回路１０および遅延回路１１を挿入した位相シフト手段７Ｂを用いてもよい。

図５はこの発明の実施の形態３に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。

図５において、位相シフト手段７Ｂは、正弦波状バイアス発生器８Ｂおよび合波回路９に加えて、パルス信号を減衰させる減衰回路１０と、パルス信号を遅延させて合波回路９に入力する遅延回路１１と、を備えている。

この場合、光子検出素子１から出力される電気信号は、合波回路９に入力される。
また、正弦波状バイアス発生器８Ｂから生成されるパルス信号は、直列接続された減衰回路１０および遅延回路１１を介して合波回路９に入力される。

なお、パルス信号（正弦波信号）の周波数は、周期的雑音信号Ｎの周波数と同一に設定されているものとする。
減衰回路１０は、パルス信号の振幅を、光子検出素子１からの出力信号との合波の際に、光子検出信号Ｓが際立つように調整する。また、遅延回路１１は、光子検出信号Ｓを際立たせるために、パルス信号の位相を所定量だけ時間遅延させる。

正弦波状バイアス発生器８Ｂ、減衰回路１０、遅延回路１１および合波回路９は、位相シフト手段７Ｂの機能を実現している。
合波回路９は、光子検出素子１から出力される電気信号に対して、位相が異なる正弦波信号を合波することにより、前述と同様に、駆動信号に由来した周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させて、光子検出信号Ｓのみを際立たせている。

以上のように、この発明の実施の形態３（図５）によれば、正弦波状バイアス発生器８Ｂ、減衰回路１０および遅延回路１１を用いて、光子検出素子１からの出力信号との合波の際に、光子検出信号Ｓが際立つようにパルス信号を調整し、合波回路９において、光子検出素子１からの電気信号と合波することにより、所定の位相シフト機能を実現することができる。

これにより、位相シフト手段７の設置が難しい場合であっても、図５に示すように簡単な回路構成により、光子検出信号Ｓを際立たせることができ、前述と同様の作用効果を奏する。

また、減衰回路１０および遅延回路１１により、補助信号の振幅および位相の調整が可能となるので、前述の実施の形態２と比べて、さらに正確な位相シフト機能を実現することができる。

実施の形態４．
なお、上記実施の形態２、３（図４、図５）では、正弦波状バイアス発生回路４および正弦波状バイアス発生器８、８Ｂを用いたが、図６のように、ＡＣバイアス発生回路４ＣおよびＡＣバイアス発生器８Ｃを用いてもよい。

図６はこの発明の実施の形態４に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｃ」を付して詳述を省略する。

図６において、光子検出装置は、前述（図５）の正弦波状バイアス発生回路４および正弦波状バイアス発生器８に代えて、ＡＣバイアス発生回路４ＣおよびＡＣバイアス発生器８Ｃを備えている。
図６は前述（図５）の回路構成を汎用化しており、光子検出素子１の駆動信号および位相シフト用の補助信号が、それぞれ正弦波に限定されない場合を示している。

ＡＣバイアス発生回路４Ｃは、駆動信号のＡＣバイアス電圧を生成して、ＡＣ・ＤＣ合波回路６に入力する。
ＡＣバイアス発生器８Ｃは、補助信号となるＡＣバイアス信号を生成して合波回路９に入力する。

この発明の実施の形態４（図６）によれば、光子検出素子１に対する駆動信号のＡＣバイアス電圧と、電気信号に合波して光子検出信号Ｓを際立たせるための補助信号とは、いずれも正弦波に限定されないパルス信号からなる。

この場合、扱うＡＣ信号が単一周波数の正弦波信号ではないことから、信号処理系の構築難度は若干上昇するものの、光子検出信号Ｓを際立たせるという基本目的を達成することができる。

したがって、光子検出素子１の駆動信号および電気信号に合波される補助信号は、ともに正弦波信号である必要はなく、図６の回路構成であっても、前述と同様に、光子検出信号Ｓを際立たせることができる。

実施の形態５．
なお、上記実施の形態４（図６）では、ＡＣバイアス発生器８Ｃおよび合波回路９からなる位相シフト手段７Ｃを用いたが、図７のように、ＡＣバイアス発生器８Ｄと合波回路９との間に、減衰回路１０および遅延回路１１を挿入した位相シフト手段７Ｄを用いてもよい。

図７はこの発明の実施の形態５に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図５、図６参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｄ」を付して詳述を省略する。

図７において、位相シフト手段７Ｄは、ＡＣバイアス発生器８Ｄおよび合波回路９に加えて、パルス信号を減衰させる減衰回路１０と、パルス信号を遅延させて合波回路９に入力する遅延回路１１と、を備えている。

この場合、ＡＣバイアス発生器８Ｄは、補助信号となるＡＣバイアス信号を生成し、減衰回路１０および遅延回路１１を介して合波回路９に入力する。
合波回路９は、光子検出素子１からの電気信号と、減衰回路１０および遅延回路１１を介した補助信号とを合波する。

この発明の実施の形態５（図７）によれば、簡単な回路構成により光子検出信号Ｓのみを際立たせることができ、前述と同様の作用効果を奏する。
また、減衰回路１０および遅延回路１１により、補助信号の振幅および位相の調整が可能となるので、前述の実施の形態４と比べて、さらに正確な位相シフト機能を実現することができる。

実施の形態６．
なお、上記実施の形態１〜５（図１、図４〜図７）では、位相シフト手段７または合波回路９に対して光子検出素子１からの電気信号を直接入力したが、図８のように、位相シフト手段７（または、合波回路９）の入力側に帯域除去フィルタ１２を介在させてもよい。

図８はこの発明の実施の形態６に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図８の回路構成は、前述の特許文献１の回路構成の後段に、図１内の位相シフト手段７を接続した状態を示している。

すなわち、図８においては、帯域除去フィルタ１２を介在させた従来回路（特許文献１参照）を用いても、周期的雑音信号Ｎの除去（電気信号の最適化）が十分でない場合に、位相シフト手段７（または、合波回路９による補助信号の合波処理）を用いて、閾値検出を可能にするために十分に最適化された電気信号を取得する回路構成を示している。

なお、ここでは、一例として、前述の実施の形態１の位相シフト手段７を適用したが、他の実施の形態２〜５（図４〜図７）のいずれの位相シフト手段７Ａ〜７Ｄを適用してもよく、同等の作用効果を奏することは言うまでもない。

また、この場合、位相シフト手段７Ａ〜７Ｄ内のＡＣバイアス発生器としては、正弦波状バイアス発生器に限らず、矩形波状バイアス発生器であっても適用可能であり、さらに、矩形波状バイアス発生器と、矩形波状バイアス発生器の出力側に挿入された高周波除去フィルタ（ローパスフィルタ）との組み合わせであっても適用可能である。

また、位相シフト手段７は、周波数遅延フィルタであってもよく、周波数遅延フィルタとして、正弦波状バイアス発生回路４からの出力信号周波数および帯域除去フィルタ１２の除去周波数よりも、わずかに除去周波数のずれた周波数除去フィルタを用いてもよい。

さらに、前述の実施の形態１〜５の任意の組み合わせも可能であり、駆動信号用のＡＣバイアス発生回路としては、図８に示した正弦波状バイアス発生回路４に限らず、矩形波状バイアス発生回路であっても適用可能であり、矩形波状バイアス発生回路と矩形波状バイアス発生回路の出力側に挿入された高周波除去フィルタとの組み合わせであっても適用可能である。

以上のように、この発明の実施の形態６（図８）によれば、特許文献１の回路構成中の帯域除去フィルタ１２の特性が不十分であって、電気信号から周期的雑音信号Ｎが除去しきれていない場合であっても、帯域除去フィルタ１２を通過後に位相シフト処理（または、補助信号を合波）することにより、光子検出信号Ｓのみを際立たせて、光子検出装置としての性能を向上させることができる。

実施の形態７．
なお、上記実施の形態６（図８）では、位相シフト手段７または合波回路９の入力側に帯域除去フィルタ１２を介在させたが、図９のように、合波回路９（位相シフト手段７Ｄ）の入力側に差分取得回路１３を介在させてもよい。

図９はこの発明の実施の形態７に係る光子検出装置の回路構成を示すブロック図であり、前述（図７参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図９において、合波回路９入力側に挿入された差分取得回路１３は、分波器１３ａと、遅延線１３ｂと、合波器１３ｃとを備えている。

分波器１３ａは、光子検出素子１からの電気信号を分波し、遅延線１３ｂは、分波された電気信号の一方を遅延させる。
合波器１３ｃは、分波器１３ａを介した電気信号と、分波器１３ａおよび遅延線１３ｂを介した電気信号とを合波して、合波回路９に入力する。

図９の回路構成は、前述の特許文献２の回路構成の後段に、図７の位相シフト手段７Ｄを接続した状態を示している。
この場合、駆動信号用のＡＣバイアス発生回路として、矩形波状バイアス発生回路４Ｅが用いられており、光子検出素子１のアノードには差分取得回路１３が接続されている。

すなわち、図９においては、差分取得回路１３を介在させた従来回路（特許文献２参照）を用いても、周期的雑音信号の除去（電気信号の最適化）が十分でない場合に、合波回路９による補助信号の合波処理を用いて、閾値検出を可能にするために十分に最適化された電気信号を取得する回路構成を示している。

なお、図９においては、位相シフト手段７Ｄを用いたが、図６に示す位相シフト手段７Ｃを用いてもよい。
また、駆動信号用のＡＣバイアス発生回路として、矩形波状バイアス発生回路４Ｅを用いているが、矩形波状バイアス発生回路４Ｅに代えて正弦波状バイアス発生回路４を用いてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態７（図９）によれば、特許文献２の回路構成中の差分取得回路１３（分波器１３ａ、遅延線１３ｂ、合波器１３ｃ）の特性が不十分であって、電気信号から周期的雑音信号Ｎが除去しきれていない場合であっても、差分取得回路１３を通過後に補助信号を合波することにより、光子検出信号Ｓのみを際立たせて、光子検出装置としての性能を向上させることができる。

１ 光子検出素子、２ アノード回路、２ａ 検出抵抗、３ カソード回路、３ａ コンデンサ、３ｂ 抵抗、４ 正弦波状バイアス発生回路、４Ｃ ＡＣバイアス発生回路、４Ｅ 矩形波状バイアス発生回路、５ ＤＣバイアス発生回路、６ ＡＣ・ＤＣ合波回路、７、７Ａ〜７Ｄ 位相シフト手段、８、８Ｂ 正弦波状バイアス発生器、８Ｃ、８Ｄ ＡＣバイアス発生器、９ 合波回路、１０ 減衰回路、１１ 遅延回路、１２ 帯域除去フィルタ、１３ 差分取得回路、１３ａ 分波器、１３ｂ 遅延線、１３ｃ 合波器、Ｎ 周期的雑音信号、Ｓ 光子検出信号、Ｔｈ１、Ｔｈ２ 閾値。

Claims (17)

1. 光子検出素子と、
   前記光子検出素子のアノードに接続されたアノード回路と、
   前記光子検出素子に印加される駆動信号のＡＣバイアス電圧を生成するＡＣバイアス発生回路と、
   前記駆動信号のＤＣバイアス電圧を生成するＤＣバイアス発生回路と、
   前記ＡＣバイアス電圧と前記ＤＣバイアス電圧とを合波した前記駆動信号を、前記カソード回路を介して前記光子検出素子のカソードに印加するＡＣ・ＤＣ合波回路と、
   前記ＡＣバイアス発生回路と前記ＡＣ・ＤＣ合波回路との間に挿入されたカソード回路と、
   前記光子検出素子のアノードから出力される電気信号のうち、前記ＡＣバイアス電圧に由来した周期的雑音信号のみを所定位相シフト量だけ時間遅延させる位相シフト手段と、を備え、
   前記所定位相シフト量は、前記アノードから出力されたときの電気信号に含まれる光子検出信号と前記周期的雑音信号との位相差に相当することを特徴とする光子検出装置。
2. 前記位相シフト手段は、
   パルス信号を生成するＡＣバイアス発生器と、
   前記パルス信号と前記光子検出素子からの電気信号とを合波する合波回路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
3. 前記位相シフト手段は、前記ＡＣバイアス発生器と前記合波回路との間に挿入された減衰回路を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光子検出装置。
4. 前記位相シフト手段は、前記ＡＣバイアス発生器と前記合波回路との間に挿入された遅延回路を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光子検出装置。
5. 前記位相シフト手段内のＡＣバイアス発生器は、正弦波状バイアス発生器により構成されたことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
6. 前記位相シフト手段内のＡＣバイアス発生器は、矩形波状バイアス発生器により構成されたことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
7. 前記位相シフト手段内のＡＣバイアス発生器は、矩形波状バイアス発生器と、前記矩形波状バイアス発生器の出力側に挿入された高周波除去フィルタとにより構成されたことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
8. 前記位相シフト手段は、周波数遅延フィルタにより構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
9. 前記周波数遅延フィルタは、周波数除去フィルタからなることを特徴とする請求項８に記載の光子検出装置。
10. 前記ＡＣバイアス発生回路は、正弦波状バイアス発生回路により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
11. 前記ＡＣバイアス発生回路は、矩形波状バイアス発生回路により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
12. 前記ＡＣバイアス発生回路は、矩形波状バイアス発生回路と、前記矩形波状バイアス発生回路の出力側に挿入された高周波除去フィルタとにより構成されたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
13. 前記光子検出素子は、ＡＰＤからなり、
    前記カソード回路は、前記ＡＣバイアス発生回路と前記ＡＣ・ＤＣ合波回路との間に挿入されたコンデンサと、前記ＡＣバイアス発生回路および前記コンデンサの接続点とグランドとの間に挿入された抵抗と、により構成され、
    前記アノード回路は、前記光子検出素子のアノードとグランドとの間に挿入された検出抵抗により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
14. 前記光子検出素子のアノードと前記位相シフト手段との間に挿入された帯域除去フィルタを備えたことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
15. 前記光子検出素子のアノードと前記位相シフト手段との間に挿入された差分取得回路を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の光子検出装置。
16. 前記差分取得回路は、分波器、遅延線および合波器からなり、
    前記合波器は、前記分波器を介した電気信号と、前記分波器および前記遅延線を介した電気信号とを合波することを特徴とする請求項１５に記載の光子検出装置。
17. ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧とを合波した駆動信号を光子検出素子に印加するステップと、
    前記光子検出素子のアノードから電気信号を取得するステップと、
    前記電気信号に含まれる周期的雑音信号のみを所定位相シフト量だけ時間遅延させて、前記電気信号に含まれる光子検出信号のみを際立たせるステップと、を備え、
    前記所定位相シフト量は、前記アノードから出力されたときの電気信号の周期的雑音信号と前記光子検出信号との位相差に相当することを特徴とする光子検出方法。

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