JP6355458B2 - 光子検出装置 - 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。このような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。これにより、微弱な光子の検出信号を取得することができる。

しかしながら、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る。この周期的雑音信号は、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、上記の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（例えば、特許文献１−３参照）。

特許文献１では、ＡＰＤ駆動信号を正弦波として、周期的雑音信号を正弦波（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では、ＡＰＤ駆動信号を矩形波（正弦波でも可）とし、ＡＰＤ出力信号を２つに分波し、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る。そして、この遅延信号と、分派された他方の信号との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。

また、特許文献３では、周期的雑音信号を除去することなく活用するようにしている。すなわち、この特許文献３は、ＡＰＤ出力信号に対して、周期的雑音信号の位相のみをシフトする位相シフト手段を使用することで、光子検出信号を周期的雑音信号の正の頂点位置に重畳させ、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行う。

ＷＯ２００７／１０２４３０号公報 特開２０１１−２５２９１９号公報 ＷＯ２０１４／０１００５６号公報

Ｍｉｎｉ−Ｃｉｒｃｕｉｔｓ社カタログ Ｃｏａｘｉａｌ Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ ＳＨＰ−２００＋、［online］、［平成26年6月17日検索］、インターネット〈URL：http://www.minicircuits.com/pdfs/SHP-200+.pdf〉

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１、２の光子検出装置では、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。

しかしながら、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。このため、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。また、周期的雑音信号以外にも雑音が存在する場合には、追加でフィルタ回路が必要になり、回路構成の複雑化や光子検出信号の振幅の減少が起こり得る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。このため、厳密に雑音信号のみを除去することが困難であるという課題があった。

また、特許文献３の回路構成では、難解である周期的雑音信号の除去は不要である。しかしながら、この特許文献３では、特許文献１と同じく、周期的雑音信号以外の雑音信号を低減することが考慮されていない。このため、特許文献１と同様に、フィルタ回路の追加による回路構成の複雑化や光子検出信号の振幅の減少が起こり得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、光子検出素子の出力信号に含まれる駆動信号由来の周期的雑音信号を利用して光子検出信号を際立たせて閾値検出できるようにするとともに、低周波雑音信号の除去フィルタを新たに追加することなく周期的雑音信号以外の雑音を除去できる簡素な回路構成による光子検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る光子検出装置は、ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧を合波した駆動信号を光子検出素子に印加することで、光子検出素子からの出力信号に基づいて光子検出を行う光子検出装置であって、光子検出素子の後段に設けられ、出力信号に含まれている雑音成分の影響を抑制して光子検出信号を抽出する位相シフト手段を備え、位相シフト手段は、周波数が低いほど位相シフト量が大きい特性を有し、出力信号に含まれる駆動信号の駆動周波数に由来し、光子検出信号よりも低周波数の周期的雑音信号を含む光子検出信号に対して位相シフトを行うことで、結果的に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た出力信号を生成するものである。

この発明によれば、光子検出素子の出力信号に含まれる駆動信号由来の周期的雑音信号を、予め定めた位相シフト量だけ時間遅延させて光子検出信号に重畳させることにより、光子検出信号を際立たせる位相シフト手段を備えている。また、位相シフト手段は、光子検出信号に含まれる低周波雑音信号を、光子検出信号の振幅を減少させることなく除去することができる。この結果、周期的雑音信号を利用して光子検出信号を際立たせることにより閾値検出できるようにするとともに、低周波雑音信号の除去フィルタを新たに追加することなく周期的雑音信号以外の雑音を除去できる簡素な回路構成による光子検出装置を得ることができる。

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説明ブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る位相シフト手段の構成と特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る光子検出素子の出力信号の波形図である。 この発明の実施の形態１に係る光子検出素子の出力信号の、位相シフト手段を通過後の波形図である。

以下、この発明における光子検出装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

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構成を示すブロック図である。図１に示す光子検出装置は、光子検出素子１、アノード回路２、カソード回路３、ＡＣバイアス発生回路４、ＤＣバイアス発生回路５、ＡＣ・ＤＣ合波回路６、および位相シフト手段７を備えて構成される。

ここで、図１に示す光子検出素子１は、光子入力を検知して電気信号へと変換する。この光子検出素子１としては、例えば、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）を用いることができる。また、アノード回路２としては、例えば、一端がＡＰＤのアノードに接続され、他端が接地されている検出抵抗２ａを用いることができる。また、カソード回路３としては、例えば、一端がＡＰＤのカソードに接続され、他端が接地されているコンデンサ３ａおよび抵抗３ｂからなる直列回路を用いることができる。

ＡＣバイアス発生回路４は、パルス状または正弦波状のＡＣバイアス電圧を発生する。また、ＤＣバイアス発生回路５は、ＡＰＤの降伏電圧よりもわずかに低いＤＣバイアス電圧を発生する。そして、ＡＣ・ＤＣ合波回路６は、ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧とを合波して光子検出素子１に印加する。

位相シフト手段７については、図２を用いて詳細に説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る位相シフト手段７の構成と特性を示す説明図である。図２に示す位相シフト手段７は、光子検出素子１の出力信号のうち、駆動周波数１０に由来する周期的雑音信号Ｎを、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位相シフト量９だけ時間遅延させる機能を第１の機能として備えている。

図３は、この発明の実施の形態１に係る光子検出素子１の出力信号の波形図である。図３に示す光子検出素子１からの出力波形には、光子検出信号Ｓに対して周期的雑音信号Ｎが重畳されている。このため、例えば、図３に示すように、周期的雑音信号Ｎの振幅が大きい場合には、予め定めた閾値Ｔｈ１によって光子検出信号Ｓのみを抽出（閾値検出）することが困難となってしまう。

図４は、この発明の実施の形態１に係る光子検出素子１の出力信号の、位相シフト手段７を通過後の波形図である。図４に示す位相シフト手段７は、図２下側の特性図に示すように、所定位相シフト量９の分だけ周期的雑音信号Ｎのみを時間遅延させ、光子検出信号Ｓにおける光子検出信号周波数分布１１の成分を通過させることができる。すなわち、位相シフト手段７を通過させることにより、図３に示す光子検出信号Ｓ、周期的雑音信号Ｎの信号のうち、周期的雑音信号Ｎだけを、位相シフト量９だけ時間遅延させて、図４に示すような周期的雑音信号Ｎ’とすることが可能である。

この結果、光子検出信号Ｓと周期的雑音信号Ｎ’の頂点位置が互いに重なり合って、光子検出信号Ｓの振幅の頂点の高さが、周期的雑音信号Ｎ’の振幅の頂点の高さよりも大きくなり、光子検出信号Ｓが際立つため、光子検出信号Ｓを、例えば、予め定めた閾値Ｔｈ２を用いた後段の信号処理回路（図示せず）によって、容易に閾値検出することが可能となる。

ところで、図３および図４には記載していないが、光子検出素子１からの出力信号には、周期的雑音信号Ｎ以外の雑音信号も含まれている。したがって、これらの雑音が位相シフト手段７の後段で実施する光子検出信号Ｓの閾値検出に悪影響を与える可能性がある。

従来は、この問題を回避するために、フィルタ回路を新規に追加する必要があった。このため、追加したフィルタ回路によって増加した挿入損失が光子検出信号Ｓの取得量の減少を引き起こす懸念があった。

そこで、本実施の形態１の位相シフト手段７は、図２に示すように、光子検出信号Ｓのうち、光子検出信号周波数分布１１の成分を通過させ、かつ低周波雑音領域１２の雑音信号は通過させない機能も第２の機能として備えている。このような、位相シフト手段７は、例えば、位相シフト機能を有したＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）を用いて実現できる（例えば、非特許文献１参照）。

このような、周期的雑音信号Ｎを位相シフト量９だけ時間遅延させる第１の機能と、出力信号に含まれる低周波雑音信号を除去する第２の機能とを兼ね備えた本実施の形態１のような位相シフト手段７は、従来にはなかったものである。これにより、前述のように、光子検出信号Ｓを際立たせて、予め定めた閾値Ｔｈ２を用いて検出することが可能となるだけでなく、低周波雑音領域１２に何らかの低周波の雑音信号が存在する場合には、その除去が可能となる。

また、本実施の形態１における位相シフト手段７は、上述した第１の機能と第２の機能を併せ持っている。この結果、フィルタ回路を新規に追加する必要がなくなるため、光子検出信号Ｓの減少を防ぐことができ、かつ、回路構成の簡素化も図ることが可能である。

以上のように、実施の形態１では、位相シフト手段を用いて、光子検出素子の駆動信号に由来した周期的雑音信号のみを時間遅延させ、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て際立たせたうえで閾値検出を行っている。さらに、位相シフト手段は、低周波雑音を除去する機能も有している。

この結果、量子暗号通信などにおける光子検出信号と周期的雑音信号とが混在した電気信号から、光子検出信号のみを閾値検出可能で、かつ、新たにフィルタ回路を追加せずに低周波雑音除去を行うことが可能な光子検出装置を得ることができる。さらに、光子検出装置全体での回路規模の抑制も可能とする。

なお、位相シフト手段７は、光子検出信号Ｓを予め定めた位相シフト量９だけ位相シフト（位相遅延）させる第１の機能と、光子検出信号周波数分布１１の成分を通過させて低周波雑音領域１２の雑音信号は通過させない第２の機能とを有していれば、どのような回路構成のものでも構わない。その一例として、本実施の形態１では、位相シフト機能を有したＨＰＦ８を用いることができることを説明している。

あるいは、ＨＰＦ８を用いない別の位相シフト手段７の実現方法の一例としては、例えば、位相成分の遅延のみを行う「オールパスフィルタ」を用いて第１の機能を実現し、光子検出信号周波数分布１１を低周波雑音領域１２よりも優位に増幅できるような「ＲＦアンプ」を用いて第２の機能を実現する方法が考えられる。このように、オールパスフィルタとＲＦアンプとを統合することによって位相シフト手段７を実現できる期待がある。

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 ＡＣ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 位相シフト手段、８ ＨＰＦ、９ 位相シフト量、１０ 駆動周波数、１１ 光子検出信号周波数分布、１２ 低周波雑音領域、Ｎ 周期的雑音信号、Ｓ 光子検出信号、Ｔｈ１、Ｔｈ２ 閾値。

Claims (2)

1. ＡＣバイアス電圧とＤＣバイアス電圧を合波した駆動信号を光子検出素子に印加することで、前記光子検出素子からの出力信号に基づいて光子検出を行う光子検出装置であって、
   前記光子検出素子の後段に設けられ、前記出力信号に含まれている雑音成分の影響を抑制して光子検出信号を抽出する位相シフト手段を備え、
   前記位相シフト手段は、周波数が低いほど位相シフト量が大きい特性を有し、前記出力信号に含まれる前記駆動信号の駆動周波数に由来し、前記光子検出信号よりも低周波数の周期的雑音信号を含む前記光子検出信号に対して位相シフトを行うことで、結果的に前記周期的雑音信号の正の頂点位置に前記光子検出信号を重畳させた前記出力信号を生成する
   光子検出装置。
2. 前記位相シフト手段は、前記駆動周波数よりも低い周波数を有する低周波雑音信号の通過を阻止するハイパスフィルタ機能を有する
   請求項１に記載の光子検出装置。

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