JPWO2014132609A1 - 光受信装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
[課題]複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率の両方を均一化できる光受信装置および制御方法を提供する。[解決手段] 光受信装置は、複数の光子検出器と、複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段と、を有する。
Description
本発明は、光受信装置およびその制御方法に関する。
近年、盗聴行為に対して情報理論的安全性を持つ暗号通信を実現する方法として量子鍵配送(quantum key distribution：ＱＫＤ)が盛んに研究され（非特許文献１）、実用化に向けた開発が進められている。
ＱＫＤでは、１パルス中に光子を１つしか含まない「単一光子」（もしくは通常のレーザ光を極度に減衰させた「擬似単一光子」）を通信媒体としているので、通常の光通信で用いられるような光検出器ではなく、単一光子を検出可能な光子検出器が用いられる。光子検出器としては、ブレークダウン電圧を超えるバイアスを印加したアバランシェフォトダイオード(avalanche photodiode：ＡＰＤ)や、数Ｋまで冷却した超伝導素子が一般的に用いられている。
ＱＫＤには様々な方式が提案されているが、２個もしくは４個の光子検出器を用いる方式が一般的である（たとえば非特許文献２を参照）。複数の光子検出器を用いる場合、ＱＫＤによって生成される暗号鍵の安全性を担保するためには全ての光子検出器の特性ができるだけ均一であることが望ましいが、一般的に、ＡＰＤ素子や超伝導素子の特性には大きなばらつきがあり、さらに環境温度の変動や素子の劣化などによっても変化する。したがって、ＱＫＤを長時間稼働させる際には定期的に特性をチェックし、バイアス電圧などの外部パラメータを個別に調整して特性の均一化を図る必要がある。
光子検出器の特性を示す主要なパラメータとしては量子効率および暗計数確率が挙げられる。量子効率は１つの光子を含むパルスを光子検出器が受光した際に正しく検出信号を出力する確率（光子の検出確率）である。暗計数確率は光子が存在しないにも拘わらず検出信号を出力してしまう確率であり、雑音の大きさを示す。典型的な値としては、量子効率が１０％程度、暗計数確率が１０−５程度である。
複数の光子検出器の特性を均一化する方法として、測定された検出データの偏りから量子効率の差異を推定し、偏りがなくなるように検出器のバイアス電圧などを調整する方法がある（特許文献１）。図１０はこの技術を示すブロック図である。この光受信装置は、複数の光子検出器２０１（ここでは２０１ａと２０１ｂの２つ）と、各光子検出器２０１のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段２０２と、各光子検出器２０１の出力から光子数をカウントする検出数測定手段２０３を有する。この装置では、信号光２０４ａ、２０４ｂを入力したときに、２つの光子検出器２０１ａと２０２ｂの検出数に偏りがあった場合、バイアス電圧制御手段２０２によって、２つの光子検出器２０１それぞれのバイアス電圧を調整し、偏りを解消することができる。すなわち複数の光子検出器２０１の量子効率を均一化することができる。
ベネット（Ｂｅｎｎｅｔｔ）、ブラッサード（Ｂｒａｓｓａｒｄ）著 ＩＥＥＥコンピュータ、システム、信号処理国際会議（ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， Ｓｙｓｔｅｍｓ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｂａｎｇａｌｏｒｅ， Ｉｎｄｉａ， ｐ． １７５， １９８４）
Ｍ． Ｓａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｏｋｙｏ ＱＫＤ Ｎｅｔｗｏｒｋ" Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １９， １０３８７ （２０１１）
これまでの方法では検出器の量子効率を均一化することができるが、暗計数確率を均一化することはできない。暗計数確率が検出器ごとに異なる場合の安全性理論は現時点では確立されていないため、暗計数確率の均一化は必須である。
そこで、本発明の目的は、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率の両方を均一化できる光受信装置および制御方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明による光受信装置は、複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率とを同時に均一化することができる。
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕図１は本発明の第一の実施形態を示すブロック図である。本実施の形態の光受信装置１００は、複数の光子検出器１（１ａ、１ｂ）と、前記複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段２と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段３と、を有している。本実施の形態によれば、複数の光子検出器の量子効率と暗計数確率の両方を同時に均一化することができる。
〔第２の実施形態〕図２は本実施の形態の光受信装置１００を示すブロック図である。本実施の形態の光受信装置１００は、複数の検出系を有している。各々の検出系は、光子検出器１と、光子検出器１のバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段４と、光子検出器１に入射する光の強度を調整する光強度調整手段５と、を有する。また各々の検出系は、光強度調整手段５を制御する光強度制御手段６と、信号光７を検出系に導く光伝送路８を有する。また、光受信装置１００は検出数測定手段９を有し、各々の光子検出器１、バイアス電圧制御手段４、光強度制御手段６に接続されている。検出数測定手段９は各光子検出器１で検出された光子数を算出するとともに、各バイアス電圧制御手段４および各光強度制御手段６を制御する。なお光伝送路８は多くの場合光ファイバなどの光導波路であるが、何もない空間であっても良い。
ここでは一例として、検出系が２系統の場合について説明する。一方の検出系は光子検出器１ａ、バイアス電圧制御手段４ａ、光強度調整手段５ａ、光強度制御手段６ａ、光伝送路８ａを有する。もう一方の検出系は光子検出器１ｂ、バイアス電圧制御手段４ｂ、光強度調整手段５ｂ、光強度制御手段６ｂ、光伝送路８ｂを有する。
図３は光受信装置の具体的な構成例を示すブロック図である。光子検出器１としてＡＰＤ１０（アバランシェフォトダイオード）を用いている。逆バイアス状態にあるＡＰＤ１０に光子が入射すると、キャリアが雪崩的に発生し、大きな電流が流れる。この増幅作用により、光子を高感度に検出することが可能である。そして、この感度はバイアス電圧に依存する。本実施の形態では、ＡＰＤ１０はレベル調整器１１を介してバイアス電源１２に接続されている。またＡＰＤ１０の他方はパルスカウンターに１３に接続されている。レベル調整器１１は、検出数測定手段９に設けられた制御手段１４によって制御され、ＡＰＤ１０に印加されるバイアスを調整する。
パルスカウンター１３はＡＰＤ１０で発生した電流を、電流電圧変換などの手段を用いてパルスとしてカウントする。パルスカウンター１３は制御手段１４に接続されており、検出したパルスに基づき、制御手段１４で光子数が算出される。
光強度調整手段５には、一般的な光強度調整手段を用いることができる。例えば、電気光学効果や磁気光学効果を用いた可変光減衰器（ＶＯＡ、Variable Optical Attenuator）や、電界吸収型光変調器（ＥＡ変調器、Electro-Absorption Modulator）、マッハツェンダ型の光変調器（ＭＺ変調器、Mach-Zehnder modulator）などである。これらのデバイスの動作や使用方法は周知であるため、ここでは詳述しないが、それぞれ電気的制御により光強度を調整することができる。ここでは、光強度調整手段５は光強度制御手段６によって制御される。また光強度制御手段６は制御手段１４によって制御される。
次に光受信装置の光子検出動作について説明する。本実施の形態では検出系が２系統あるが、動作は同じなのでａの系統を用いて説明する。まず光伝送路８ａを通って、光強度調整手段５ａに信号光７ａが入射する。次に信号光７ａは光強度調整手段５ａで減衰されＡＰＤ１０ａに入射する。光子の入射によってＡＰＤ１０ａにはパルス的に電流が流れる。電流はパルスカウンター１３ａによってパルスとしてカウントされる。このパルスカウントに基づき制御手段１４で検出光子数が算出される。
次に本発明の特徴である、「複数の光検出器１の暗計数確率を均一化する方法」、および「暗計数確率に影響を与えずに量子効率を均一化する方法」について説明する。
図４はこの手順を示すフローチャートである。まず信号光５を遮断する（Ｓ１１）。次に、検出数測定手段７により各光子検出器１（ＡＰＤ１０）の検出数を測定する（Ｓ１１）。これが暗計数確率に対応する。次に、各バイアス電圧制御手段２（レベル調整器１１）によって各光子検出器１に印加されるバイアス電圧を制御して感度を調整し、各光子検出器１の検出数が均一となるようにする。これにより暗計数確率を均一化することができる（Ｓ１３）。このとき各光子検出器１の固体差により、一般的に量子効率は異なったものになる。次に信号光７を入力する(Ｓ１４)。この状態で各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ１５）。量子効率がそれぞれ異なるため、各検出器の検出数は一般的には不均一である。そこで検出数が多い方の光子検出器１に付属する光強度調整手段５の透過率を下げるように光強度を調整し、検出数が均一となるようにする（Ｓ１６）。これにより実効的な量子効率を均一化することができる。ここで光強度調整手段３に対する操作は暗計数確率に影響を与えない。したがって、以上により、量子効率と暗計数確率の両方を同時に均一化することができる。なお。前述したように、本実施の形態は検出系が２つに限られるものではなく３つ以上の場合にも同様に適用できる。
〔第３の実施形態〕本実施の形態では光検出器１として、ＳＳＰＤ１５（Superconducting Single Photon Detector）を用いている。ＳＳＰＤ１５は超伝導体を用いた光子検出器であり、その動作は概略以下のようなものである。超伝導体によって形成された細線を超伝導状態に保ち、バイアスを印加し、抵抗ゼロの状態で電流を流しておく。ここに光子が入射すると、局所的に超伝導状態が破壊され抵抗を生じる。この抵抗変化により発生した電圧パルスを検出することにより、光子を検出することができる。
図５は本発明第２の実施の形態を示すブロック図である。光検出器１として２つのＳＳＰＤ１５、１５ａおよび１５ｂが設けられている。ＳＳＰＤ１５ａ、１５ｂはそれぞれクライオスタット１６ａ、１６ｂによって冷却され超伝導状態になっている。また、それぞれのＳＳＰＤ１５はレベル調整器１１を介してバイアス電源１２に接続されている。ＳＳＰＤ１５の他端はパルスカウンター１３に接続されている。光強度調整手段５および光強度制御手段６の構成は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。
上記の説明で明らかなように、以上の構成は、実施の形態１のＡＰＤ１０をＳＳＰＤ１５に置き換えたものになっている。また動作についても、ＳＳＰＤ１５で発生した電圧パルスをパルスカウンター１３でカウントする点で、実施の形態１と同様である。なおバイアス電圧等の個々の条件が実施の形態１と異なることは言うまでもない。
また本実施の形態で用いるＳＳＰＤ１５の感度は、ＡＰＤ８と同様バイアス電圧に依存して変動する。このためバイアス電圧を調整することによって、実施の形態１と同様の方法により、複数の光検出器１の暗計数確率を均一化し、暗計数確率に影響を与えずに量子効率を均一化することができる。
以上の説明から明らかなように、本発明は、ＡＰＤ１０、ＳＳＰＤ１５に限らず、電圧を印加して動作させる光子検出器であって、その感度がバイアス電圧に依存するものであれば、同様に適用することができる。
〔第４の実施形態〕図６は第４の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態においては、それぞれの検出系で光子検出器１の前段に、雑音光源１７、雑音光源制御手段１８、光合波器１９が設けられている。雑音光源１７は光検出器１が感度を有する波長の光を発する光源であり、例えば一般的な連続発振レーザなどである。雑音光源制御手段１８は雑音光源１７から出射される光の強度を制御する。光合波器１９は光伝送路８と雑音光源１７に接続され、両者から入射する光を合波する。光合波器１９は信号光７の損失を抑制するため、例えば信号９９に対し雑音１となるような分岐比９９：１などの光合波器が望ましい。光子検出器１、バイアス電圧調整手段４の構成については実施の形態１および２と同様である。
次に本実施の形態の光受信機の光子検出動作について説明する。光伝送路８を伝わってきた信号光７は、光合波器１９において雑音光源１７からの光と合波される。次いで合波された光はそれぞれの光子検出器１に入力される。光子検出器１の出力から検出数測定手段９が光子検出数を算出する。
次に本実施の形態の特徴である、「複数の光検出器１の量子効率を均一化する方法」、および「量子効率に影響を与えずに暗計数確率を均一化する方法」について説明する。
本実施の形態では、まず各光子検出器１の量子効率の均一化を行う。最初に、各雑音光源１７を駆動せずに信号光７のみを各光子検出器１に入力する。このとき、各光子検出器１の検出数にはバラツキがあるが、それぞれのバイアス電圧制御手段４を操作してバイアス電圧を調整することにより、出力を均一にすることができる。これが「量子効率を均一化する手段」に相当する。
バイアス電圧を変動させると、量子効率と暗計数確率の両方が同時に変動する。このため次に暗計数確率の均一化を行う。複数設けられた検出系それぞれにおいて、雑音光源１７からの光は、信号光７が無い状態でも検出数測定手段９により検出される。このため、暗計数として扱うことができる。そこで、各検出系において、信号光５を遮断して、雑音光源１７からの光だけが光子検出器１に入力されるようにする。次いで、各雑音光源制御手段１８を操作し、各光子検出器１の検出数が均一になるように各雑音光源１７の光強度を調整する。これで暗計数確率の均一化が完了する。
図７は以上の手順を示すフローチャートである。まず雑音光源１７を駆動せず、信号光７のみを光子検出器１に入力する(Ｓ２１)。この状態で各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ２２）。これがほぼ量子効率に対応する。厳密にはこの検出数には暗計数も含まれているが、その寄与は小さいため無視することができる。次に、２つの光子検出器１の検出数が均一となるようにバイアス電圧を調整する（Ｓ２３）。これにより量子効率を均一化することができる。このとき各光子検出器１の固体差により、一般的に暗計数確率は異なったものになる。次に信号光７を遮断する（Ｓ２４）。この状態で各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ２５）。これが光子検出器１の持つ暗計数確率に対応し、各光子検出器１の検出数は一般的には不均一である。そこで検出数が少ない方の光子検出器１に付属する雑音光源１７を駆動し、雑音光を入力する（Ｓ２６）。次に光子検出数が均一となるように雑音光源１７の光強度を調整する（Ｓ２７）。これにより実効的な暗計数確率を均一化することができる。雑音光源１７に対する操作は光子検出器１の量子効率に影響を与えない。以上により量子効率と暗計数確率の両方を同時に均一化することができる。
第１の実施の形態では光子検出器１の直前に光強度調整手段５を用いており、その光学損失は小さいものでも０．６ｄＢ以上であるが、本実施の形態では光合波器１９を用いており、その光学損失は０．１ｄＢ以下である。したがって、本実施の形態では第１および第２の実施形態に比べて０．５ｄＢ（約１２％）以上の効率向上が見込めるという利点がある。
〔第５の実施形態〕 第４の実施の形態では各検出系に別々に雑音光源１７を設けているが、雑音光源１７は必ずしも検出系の数だけ設けなくとも良い。図８は雑音光源１７を２系統の検出系に対し１つ設けた光受信装置を示すブロック図である。1つの雑音光源１７の後段に光分波器２０が設けられている。光分波器２０によって分波された光の、一方の経路には光強度調整手段５ａが設けられ、これを制御するための光強度制御手段６ａが接続されている。光強度調整手段５ａの後方には、光合波器１９ａが設けられ、ここで信号光７ａと雑音光が合波される。光合波器１９ａから出た光は光子検出器１ａに入力され光子数が検出される。光分波器２０から出射されるもう一方の検出系であるｂの系統についても同様に構成される。
次に本実施の形態における、暗計数確率の均一化および量子効率の均一化の方法について説明する。図９はこの手順を示すフローチャートである。まず雑音光源１７を駆動せずに、各光子検出器１に信号光７を入力する（Ｓ３１）。次に各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ３２）。次にそれぞれのバイアス電圧制御手段４によって光子検出器１に印加されるバイアス電圧を調整し、検出数を均一にする（Ｓ３３）。これにより量子効率を均一化することができる。次に信号光７を遮断する（Ｓ３４）。この状態で各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ３５）。これが光子検出器１の持つ暗計数確率に対応し、各光子検出器１の検出数は一般的には不均一である。次に雑音光を入力する（Ｓ３６）。次に、それぞれの光強度調整手段５を光強度制御手段６によって制御して、光子検出器１の検出数が均一となるように調整する（Ｓ３７）。以上により量子効率と暗計数確率の両方を同時に均一化することができる。
上記実施形態では量子効率や暗計数確率を調整する方法として光子検出器１のバイアス電圧を例に挙げたが、この他にも光子検出器１を活性化するために用いるゲートパルスの振幅や時間幅、検出閾値などによっても調整可能である。
また、上記実施の形態では光子検出器１が２つの場合について説明したが、光子検出器１が３つ以上の場合にも同様の構成および手順で本発明を実施し、効果を得ることが可能である。
（付記１）
複数の光子検出器と、前記複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段と、を有することを特徴とする光受信装置。
（付記２）
前記第１の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記量子効率の均一化手段である、ことを特徴とする付記１に記載の光受信装置。
（付記３）
前記第１の均一化手段が前記量子効率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段である、ことを特徴とする付記１に記載の光受信装置。
（付記４）
前記光子検出器がアバランシェフォトダイオードである、ことを特徴とする付記１乃至付記３いずれか一項に記載の光受信装置。
（付記５）
前記光子検出器が超伝導単一光子検出器である、ことを特徴とする付記１乃至付記４いずれか一項に記載の光受信装置。
（付記６）
前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に入力される信号光の強度を調整する可変光強度調整器である、ことを特徴とする付記２に記載の光受信装置。
（付記７）
前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段が雑音光を出射する雑音光源と前記雑音光をそれぞれの前記光子検出器に入力させる雑音光入力手段と前記雑音光入力手段から前記光子検出器に入力される前記雑音光の強度を調整する雑音光強度調整手段を有する、ことを特徴とする付記３に記載の光受信装置。
（付記８）
前記雑音光入力手段が前記雑音光と信号光とを合波する合波手段を有する、ことを特徴とする付記７記載の光受信装置。
（付記９）
前記雑音光強度調整手段が、前記雑音光入力手段と前記光子検出器の間に設けられた可変光強度調整器である、ことを特徴とする付記７または付記８に記載の光受信装置。
（付記１０）
前記雑音光源の光をそれぞれの前記雑音光入力手段に導く分波手段を有する、ことを特徴とする付記９記載の光受信装置。
（付記１１）
前記雑音光源がそれぞれの前記光子検出器に対応して設けられ、前記光強度調整手段がそれぞれの前記雑音光源の光強度を調整する雑音光源光強度調整手段である、ことを特徴とする付記７に記載の光受信装置。
（付記１２）
複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の暗計数確率を均一化し、前記暗計数確率に影響を与えずに前記光子検出器の量子効率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
（付記１３）
前記暗計数確率を均一化が、前記光子検出器に印加するバイアス電圧の調整である、ことを特徴とする付記１２に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１４）
前記量子効率を均一化が、前記光子検出器の入力側に設けられた可変光強度調整器の調整である、ことを特徴とする付記１２または付記１３の光受信装置の制御方法。
（付記１５）
複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の量子効率を均一化し、量子効率に影響を与えずに前記光子検出器の暗計数確率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
（付記１６）
前記量子効率の均一化が、前記光子検出器に印加するバイアス電圧の調整である、ことを特徴とする付記１５に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１７）
前記暗計数確率を均一化が、前記光子検出器に雑音光を入射し、前記雑音光の強度を調整することである、ことを特徴とする付記１５または付記１６に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１８）
前記雑音光の強度を調整することが、雑音光源の光強度調整である、ことを特徴とする付記１７に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１９）
前記雑音光の強度を調整することが、可変光強度調整器による雑音光の光強度調整である、ことを特徴とする付記１７に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１）
複数の光子検出器と、前記複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段と、を有することを特徴とする光受信装置。
（付記２）
前記第１の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記量子効率の均一化手段である、ことを特徴とする付記１に記載の光受信装置。
（付記３）
前記第１の均一化手段が前記量子効率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段である、ことを特徴とする付記１に記載の光受信装置。
（付記４）
前記光子検出器がアバランシェフォトダイオードである、ことを特徴とする付記１乃至付記３いずれか一項に記載の光受信装置。
（付記５）
前記光子検出器が超伝導単一光子検出器である、ことを特徴とする付記１乃至付記４いずれか一項に記載の光受信装置。
（付記６）
前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に入力される信号光の強度を調整する可変光強度調整器である、ことを特徴とする付記２に記載の光受信装置。
（付記７）
前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段が雑音光を出射する雑音光源と前記雑音光をそれぞれの前記光子検出器に入力させる雑音光入力手段と前記雑音光入力手段から前記光子検出器に入力される前記雑音光の強度を調整する雑音光強度調整手段を有する、ことを特徴とする付記３に記載の光受信装置。
（付記８）
前記雑音光入力手段が前記雑音光と信号光とを合波する合波手段を有する、ことを特徴とする付記７記載の光受信装置。
（付記９）
前記雑音光強度調整手段が、前記雑音光入力手段と前記光子検出器の間に設けられた可変光強度調整器である、ことを特徴とする付記７または付記８に記載の光受信装置。
（付記１０）
前記雑音光源の光をそれぞれの前記雑音光入力手段に導く分波手段を有する、ことを特徴とする付記９記載の光受信装置。
（付記１１）
前記雑音光源がそれぞれの前記光子検出器に対応して設けられ、前記光強度調整手段がそれぞれの前記雑音光源の光強度を調整する雑音光源光強度調整手段である、ことを特徴とする付記７に記載の光受信装置。
（付記１２）
複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の暗計数確率を均一化し、前記暗計数確率に影響を与えずに前記光子検出器の量子効率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
（付記１３）
前記暗計数確率を均一化が、前記光子検出器に印加するバイアス電圧の調整である、ことを特徴とする付記１２に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１４）
前記量子効率を均一化が、前記光子検出器の入力側に設けられた可変光強度調整器の調整である、ことを特徴とする付記１２または付記１３の光受信装置の制御方法。
（付記１５）
複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の量子効率を均一化し、量子効率に影響を与えずに前記光子検出器の暗計数確率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
（付記１６）
前記量子効率の均一化が、前記光子検出器に印加するバイアス電圧の調整である、ことを特徴とする付記１５に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１７）
前記暗計数確率を均一化が、前記光子検出器に雑音光を入射し、前記雑音光の強度を調整することである、ことを特徴とする付記１５または付記１６に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１８）
前記雑音光の強度を調整することが、雑音光源の光強度調整である、ことを特徴とする付記１７に記載の光受信装置の制御方法。
（付記１９）
前記雑音光の強度を調整することが、可変光強度調整器による雑音光の光強度調整である、ことを特徴とする付記１７に記載の光受信装置の制御方法。
この出願は、２０１３年２月２７日に出願された日本出願特願２０１３−０３６５０６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１、２０１ 光子検出器
２ 第１の均一化手段
３ 第２の均一化手段
４、２０２ バイアス電圧制御手段
５ 光強度制御手段
６ 光強度制御手段
７、２０４ 信号光
８ 光伝送路
９、２０３ 検出数測定手段
１０ ＡＰＤ
１１ レベル調整器
１２ バイアス電源
１３ パルスカウンター
１４ 制御手段
１５ ＳＳＰＤ
１６ クライオスタット
１７ 雑音光源
１８ 雑音光源制御手段
１９ 光合波器
２０ 光分波器
２ 第１の均一化手段
３ 第２の均一化手段
４、２０２ バイアス電圧制御手段
５ 光強度制御手段
６ 光強度制御手段
７、２０４ 信号光
８ 光伝送路
９、２０３ 検出数測定手段
１０ ＡＰＤ
１１ レベル調整器
１２ バイアス電源
１３ パルスカウンター
１４ 制御手段
１５ ＳＳＰＤ
１６ クライオスタット
１７ 雑音光源
１８ 雑音光源制御手段
１９ 光合波器
２０ 光分波器
次に本発明の特徴である、「複数の光子検出器１の暗計数確率を均一化する方法」、および「暗計数確率に影響を与えずに量子効率を均一化する方法」について説明する。
図４はこの手順を示すフローチャートである。まず信号光７を遮断する（Ｓ１１）。次に、検出数測定手段７により各光子検出器１（ＡＰＤ１０）の検出数を測定する（Ｓ１２）。これが暗計数確率に対応する。次に、各バイアス電圧制御手段４（レベル調整器１１）によって各光子検出器１に印加されるバイアス電圧を制御して感度を調整し、各光子検出器１の検出数が均一となるようにする。これにより暗計数確率を均一化することができる（Ｓ１３）。このとき各光子検出器１の固体差により、一般的に量子効率は異なったものになる。次に信号光７を入力する(Ｓ１４)。この状態で各光子検出器１の検出数を測定する（Ｓ１５）。量子効率がそれぞれ異なるため、各検出器の検出数は一般的には不均一である。そこで検出数が多い方の光子検出器１に付属する光強度調整手段５の透過率を下げるように光強度を調整し、検出数が均一となるようにする（Ｓ１６）。これにより実効的な量子効率を均一化することができる。ここで光強度調整手段５に対する操作は暗計数確率に影響を与えない。したがって、以上により、量子効率と暗計数確率の両方を同時に均一化することができる。なお。前述したように、本実施の形態は検出系が２つに限られるものではなく３つ以上の場合にも同様に適用できる。
〔第３の実施形態〕本実施の形態では光子検出器１として、ＳＳＰＤ１５（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を用いている。ＳＳＰＤ１５は超伝導体を用いた光子検出器であり、その動作は概略以下のようなものである。超伝導体によって形成された細線を超伝導状態に保ち、バイアスを印加し、抵抗ゼロの状態で電流を流しておく。ここに光子が入射すると、局所的に超伝導状態が破壊され抵抗を生じる。この抵抗変化により発生した電圧パルスを検出することにより、光子を検出することができる。
図５は本発明第３の実施の形態を示すブロック図である。光子検出器１として２つのＳＳＰＤ１５、１５ａおよび１５ｂが設けられている。ＳＳＰＤ１５ａ、１５ｂはそれぞれクライオスタット１６ａ、１６ｂによって冷却され超伝導状態になっている。また、それぞれのＳＳＰＤ１５はレベル調整器１１を介してバイアス電源１２に接続されている。ＳＳＰＤ１５の他端はパルスカウンター１３に接続されている。光強度調整手段５および光強度制御手段６の構成は実施の形態２と同じであるため、説明を省略する。
上記の説明で明らかなように、以上の構成は、実施の形態２のＡＰＤ１０をＳＳＰＤ１５に置き換えたものになっている。また動作についても、ＳＳＰＤ１５で発生した電圧パルスをパルスカウンター１３でカウントする点で、実施の形態２と同様である。なおバイアス電圧等の個々の条件が実施の形態２と異なることは言うまでもない。
また本実施の形態で用いるＳＳＰＤ１５の感度は、ＡＰＤ１０と同様バイアス電圧に依存して変動する。このためバイアス電圧を調整することによって、実施の形態１と同様の方法により、複数の光子検出器１の暗計数確率を均一化し、暗計数確率に影響を与えずに量子効率を均一化することができる。
〔第４の実施形態〕図６は第４の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態においては、それぞれの検出系で光子検出器１の前段に、雑音光源１７、雑音光源制御手段１８、光合波器１９が設けられている。雑音光源１７は光子検出器１が感度を有する波長の光を発する光源であり、例えば一般的な連続発振レーザなどである。雑音光源制御手段１８は雑音光源１７から出射される光の強度を制御する。光合波器１９は光伝送路８と雑音光源１７に接続され、両者から入射する光を合波する。光合波器１９は信号光７の損失を抑制するため、例えば信号９９に対し雑音１となるような分岐比９９：１などの光合波器が望ましい。光子検出器１、バイアス電圧制御手段４の構成については実施の形態２および３と同様である。
次に本実施の形態の特徴である、「複数の光子検出器１の量子効率を均一化する方法」、および「量子効率に影響を与えずに暗計数確率を均一化する方法」について説明する。
第２の実施の形態では光子検出器１の直前に光強度調整手段５を用いており、その光学損失は小さいものでも０．６ｄＢ以上であるが、本実施の形態では光合波器１９を用いており、その光学損失は０．１ｄＢ以下である。したがって、本実施の形態では第２および第３の実施形態に比べて０．５ｄＢ（約１２％）以上の効率向上が見込めるという利点がある。
Claims (10)
- 複数の光子検出器と、前記複数の光子検出器の暗計数確率または量子効率の一方を均一化する第１の均一化手段と、一方の均一化に影響を与えずに他方を均一化する第２の均一化手段と、を有することを特徴とする光受信装置。
- 前記第１の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記量子効率の均一化手段である、ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
- 前記第１の均一化手段が前記量子効率の均一化手段であり、前記第２の均一化手段が前記暗計数確率の均一化手段である、ことを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
- 前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に入力される信号光の強度を調整する可変光強度調整器である、ことを特徴とする請求項２に記載の光受信装置。
- 前記第１の均一化手段がそれぞれの前記光子検出器に印加するバイアス電圧を制御するバイアス電圧制御手段であり、前記第２の均一化手段が雑音光を出射する雑音光源と前記雑音光をそれぞれの前記光子検出器に入力させる雑音光入力手段と前記雑音光入力手段から前記光子検出器に入力される前記雑音光の強度を調整する雑音光強度調整手段を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。
- 前記雑音光入力手段が、前記雑音光と信号光とを合波する合波手段を有している、ことを特徴とする請求項５記載の光受信装置。
- 前記雑音光強度調整手段が、前記光子検出器の入力側に設けられた可変光強度調整器である、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光受信装置。
- 前記雑音光源がそれぞれの前記光子検出器に対応して設けられ、前記光強度調整手段がそれぞれの前記雑音光源の光強度を調整する雑音光源光強度調整手段である、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光受信装置。
- 複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の暗計数確率を均一化し、前記暗計数確率に影響を与えずに前記光子検出器の量子効率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
- 複数の光子検出器を有する光受信装置の制御方法であって、前記光子検出器の量子効率を均一化し、前記量子効率に影響を与えずに前記光子検出器の暗計数確率を均一化する、ことを特徴とする光受信装置の制御方法。
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