KR101822847B1 - 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치 - Google Patents

단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아발란치 포토 다이오드를 이용한 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치에 관한 것으로, 보조신호 발생부, 수광소자, 합성부 및 판별부를 포함한다. 상기 보조신호 발생부는 보조 신호를 발생시키고, 상기 수광소자는 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하고, 상기 합성부는 상기 수광소자의 출력신호 및 상기 보조신호를 합성하고, 상기 판별부는 상기 광자의 수신여부 혹은 수신한 상기 광자의 수를 판별한다. 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출 장치 혹은 광자 수 분해 검출 장치는, 정전용량성 응답의 진폭보다 작은 진폭의 아발란치를 검출할 수 있다. 또한, 애프터 펄스가 발생되는 확률이 감소되고, 광자를 검출하는 속도가 향상된다. 또한, 게이트 신호의 파형에 영향이 적으며, 게이트 신호 주파수의 연속적인 변화가 가능하다.

Description

단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치{SINGLE PHOTON DETECTOR AND PHOTON NUMBER RESOLVING DETECTOR}
본 발명은 광자 검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아발란치 포토 다이오드를 이용한 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치에 관한 것이다.
양자 암호 통신을 비롯한 정보 통신 기술의 발달과 함께 광자를 검출하는 기술의 중요성이 증가하고 있다. 특히, 1.3 ㎛ 내지 1.5 ㎛와 같은 통신 파장대역(Telecom Band)에서 이용되고, 단일 광자 수준과 같이 신호의 세기가 미약한 광 신호를 검출할 수 있는 단일 광자 검출장치(Single Photon Detector)에서는 대부분 InGaAs/InP 타입의 아발란치 포토 다이오드(APD, Avalanche Photo Diode)가 이용된다. InGaAs/InP 타입의 아발란치 포토 다이오드는 대부분 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)에서 이용된다.
아발란치 포토 다이오드가 게이티드 가이거 모드로 동작되는 경우, 아발란치(전자사태) 발생 과정에서 생성된 전하 캐리어들(Charge Carriers) 중의 일부는 즉시 소멸되지 않는다. 완전히 소멸되지 않은 전하 캐리어들은 아발란치 포토 다이오드 내부에 남아 있게 되고, 아발란치 포토 다이오드에 다음 게이트 신호가 인가될 때 남아 있는 전하 캐리어들은 아발란치를 발생시킨다. 이러한 현상을 애프터 펄스 효과(After-pulsing Effect)라 하고, 애프터 펄스 효과는 광자 검출시 오류를 일으키는 중요한 원인 중의 하나이다.
광자 검출시 애프터 펄스 효과에 의한 오류를 줄이기 위한 방법으로, 아발란치가 발생된 후에 아발란치 포토 다이오드 내부에 소멸되지 않고 남아 있는 전하 캐리어들이 소멸되기에 충분한 데드 타임(Dead Time)을 설정하는 방법이 있다. 즉, 아발란치가 발생된 후에 일정한 시간 동안, 아발란치 포토 다이오드에 게이트 신호를 인가하지 않는 데드 타임이 설정된다.
그러나 일반적인 광자 검출장치는 비교적 큰 아발란치를 검출하기 때문에 이에 소멸되지 않고 남아 있게 되는 전하 캐리어들 역시 비교적 많다. 이에 따라 이들이 소멸되기에 충분한 데드 타임도 길게 설정되어야 한다. 결국 이러한 애프터 펄스 효과 및 데드 타임은 게이트 신호의 주파수(Gating Frequency) 및 광자검출속도(Photon Count Rate)의 한계를 결정하는 중요한 요인이 되고, 이에 일반적인 단일 광자 검출장치는 약 10 MHz 이하의 게이트 주파수에서 동작되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 정전용량성 응답의 진폭보다 작은 진폭의 아발란치를 검출할 수 있는 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 애프터 펄스가 발생되는 확률이 감소되는 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광자를 검출하는 속도가 향상된 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 게이트 신호의 파형에 영향을 적은 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 게이트 신호 주파수의 연속적인 변화가 가능한 단일 광자 검출장치 및 광자 수 분해 검출장치를 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치는, 보조신호를 발생시키는 보조신호 발생부; 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자; 상기 수광소자의 출력신호 및 상기 보조신호를 수신하여 합성하는 합성부; 및 상기 합성부의 합성신호를 수신하여 상기 광자의 수신여부를 판별하는 판별부를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)이고, 상기 전기적인 신호는 아발란치 신호를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 판별부는 아발란치 발생여부를 판별하는 아발란치 판별기를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 아발란치 판별기의 문턱값은 적어도 상기 아발란치 포토 다이오드의 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 높게 설정된다.
실시 예에 있어서, 상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작한다.
실시 예에 있어서, 게이트 신호를 발생시키고, 상기 게이트 신호를 상기 아발란치 포토 다이오드에 전달하는 게이트 신호 발생부를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 아발란치 신호 혹은 상기 보조신호를 시간적으로 정렬하는 시간 지연부를 더 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 아발란치 신호 혹은 상기 보조신호의 파형과 진폭을 조절하는 조절부를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치는, 보조신호를 발생시키는 보조신호 발생부; 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자; 상기 수광소자의 출력신호 및 상기 보조신호를 수신하여 합성하는 합성부; 및 상기 합성부의 합성신호를 수신하여 상기 수광소자가 수신한 상기 광자의 수를 판별하는 광자 수 판별부를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 광자 수 판별부는 상기 합성신호를 세기에 따라 구분하여 상기 수신한 광자의 수를 판별한다.
실시 예에 있어서, 상기 광자 수 판별부는 복수의 문턱값들을 가지고, 상기 문턱값들 각각은 적어도 상기 수광소자의 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 높게 설정되며 또한 N개(N은 자연수)의 광자로 인해서 발생된 상기 합성신호를 세기에 따라 구분할 수 있도록 설정된다.
본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출 장치 혹은 광자 수 분해 검출 장치는, 정전용량성 응답의 진폭보다 작은 진폭의 아발란치를 검출할 수 있다.
또한, 애프터 펄스가 발생되는 확률이 감소된다.
또한, 광자를 검출하는 속도가 향상된다.
또한, 게이트 신호의 파형에 영향이 적다.
또한, 게이트 신호 주파수의 연속적인 변화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 아발란치가 발생하지 않은 경우에 합성부에 입/출력되는 신호를 보여주는 도면이다.
도 3은 정전용량성 응답의 진폭보다 작은 진폭의 아발란치가 발생한 경우에 합성부에 입/출력되는 신호를 보여주는 도면이다.
도 4는 광자 검출장치의 합성신호 및 아발란치 신호를 판별하는 개념을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 9는 광자 수 분해 검출장치의 합성신호 및 광자 수를 판별하는 개념을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.
아발란치 포토 다이오드(APD, Avalanche Photo Diode)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키기 위해서 게이트 신호를 인가하면, 아발란치 포토 다이오드 고유의 정전용량성 응답(Capacitive Response)이 발생한다. 따라서 아발란치 포토 다이오드로 광자가 입력되어 아발란치(전자사태, Avalanche)가 발생하는 경우, 아발란치 포토 다이오드의 출력은 정전용량성 응답 및 아발란치 신호가 합쳐진 신호가 된다.
일반적인 아발란치 포토 다이오드의 정전용량성 응답 신호는 주기적으로 진동(Oscillation)하는 형태를 보이고, 그 진동의 진폭은 시간에 따라 점점 감쇄하고, 충분한 시간이 지난 후에는 소멸된다.
일반적으로 광자 검출장치는 아발란치 포토 다이오드를 포함하고 있기 때문에, 광자 검출시 이러한 정전용량성 응답을 고려해야 한다. 따라서 광자 검출장치에 포함되는 아발란치의 발생여부를 판별하는 장치는 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 높게 설정된 문턱값(Threshold Level)을 가지게 된다. 결국 이러한 광자 검출장치는 광자의 입력으로 발생되는 아발란치 신호 중 설정된 문턱값보다 높은 진폭의 아발란치 신호가 발생되는 경우만을 감지하여 광자의 검출 여부를 결정한다. 즉, 일반적인 광자 검출장치는 정전용량성 응답의 진폭보다 진폭이 큰 아발란치가 발생할 경우에만 광자 검출 및 광자 계수(Photon Counting)가 가능하다.
그러나 진폭이 큰 아발란치는 애프터 펄스의 발생 확률을 증가시키고, 이에 따라 데드 타임도 길게 설정되어야 한다. 결국 진폭이 큰 아발란치는 게이티드 가이거 모드로 동작되는 아발란치 포토 다이오드를 이용한 광자 검출장치가 고속으로 광자를 검출하지 못하는 원인이 된다. 광자 검출장치가 고속으로 광자를 검출하기 위해서 애프터 펄스의 발생 확률 및 데드 타임을 줄이는 것이 필요하다.
일반적인 광자 검출장치에서 애프터 펄스의 발생 확률 및 데드 타임을 줄이기 위해서는 아발란치 포토 다이오드에 인가하는 DC(Direct Current) 바이어스(Bias) 전압 및 게이트 신호의 크기와 폭 등을 조정하여 진폭이 작은 아발란치가 발생되어야 한다. 그러나 이러한 경우에 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 아발란치는 일반적인 광자 검출장치로는 검출하기가 매우 어렵다. 한편, 게이티드 가이거 모드에서 아발란치 포토 다이오드를 고속으로 동작시키기 위해서 게이트 신호의 폭을 매우 짧게 하는 경우, 발생되는 아발란치의 진폭이 작기 때문에 애프터 펄스가 발생되는 확률이 줄어드는 효과가 있지만, 진폭이 작은 아발란치 신호는 앞서 설명한 바와 같이 일반적인 광자 검출장치로는 검출하기 어렵기 때문에, 결국, 광자 검출장치의 고속동작이 불가능하다.
일반적인 광자 검출 장치가 가지는 위와 같은 문제를 해결하기 위해서 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 게이트 신호를 사인파 형태로 입력하고, 광 검출 장치의 출력단에 대역 제거 필터를 이용하여 출력신호에 포함된 정전용량성 응답을 제거하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 게이트 신호가 사인파 형태이기 때문에, 광자 검출장치가 저속으로 동작하는 경우 게이트 폭이 매우 넓어지게 되고, 이에 광자 검출의 정확한 시간 측정이 어려운 단점이 있고, 초고속으로 동작하는 경우 대역 제거 필터를 통해서 출력신호에서 정전용량성 응답을 분리하기가 어려운 단점이 있다. 또한, 게이트 신호의 주파수를 연속적으로 변화시키면서 광자를 검출하기 위해서는 변화되는 주파수에 대응하여 적당한 대역 제거 필터를 실시간으로 교체해야 하는 단점이 있다.
일반적인 광자 검출 장치가 가지는 위와 같은 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법으로, 주기적으로 입력되는 연속된 두 개의 게이트 신호에 대한 아발란치 포토 다이오드의 출력단을 두 개로 분기하고, 분기된 두 신호 간에 시간 차이를 두고, 이들을 차동회로(Differencing Circuit)에 입력하여 두 신호들의 차에서 아발란치 신호를 검출하는 방법이 있다. 그러나 이 방법에서 분기된 신호 간의 시간 지연의 조절은 일반적으로 전선의 길이에 의존하기 때문에 게이트 신호의 주파수를 연속적으로 변화시키는 경우 시간 지연의 조절이 어렵다. 또한, 두 개의 게이트 신호에서 동시에 아발란치가 발생하는 경우에는 광자 검출 오류가 발생할 수 있다.
단일 광자 검출장치
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 단일 광자 검출장치(100)는 아발란치 포토 다이오드(101, APD), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 및 아발란치 판별기(104)를 포함한다.
아발란치 포토 다이오드(101)는 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자(Light Receiving Element)를 포함한다. 광자의 수신되어 출력되는 전기적인 신호(PS)는 아발란치 신호를 포함하며, 아발란치 포토 다이오드(101)는 출력신호(PS)를 합성부(102)에 전달한다.
보조신호 발생부(103)는 아발란치 포토 다이오드(101)의 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 미약한 아발란치 신호를 효과적으로 검출하기 위하여 보조신호(AS)를 발생시키고, 발생된 보조신호(AS)를 합성부(102)로 전달한다.
합성부(102)는 아발란치 포토 다이오드(101)로부터 출력되는 출력신호(PS)를 수신하고, 보조신호 발생부(103)로부터 출력되는 보조신호(AS)를 수신한다. 합성부(102)는 아발란치 포토 다이오드(APD)의 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 합성하고, 합성신호(MS)를 아발란치 판별기(104)로 전달한다. 광자의 입력으로 인해서 아발란치가 발생된 경우에 합성신호(MS)의 진폭은 아발란치가 발생된 부분에서 최대가 된다.
아발란치 판별기(104)는 합성부(102)로부터 합성신호(MS)를 수신하여 수광소자인 아발란치 포토 다이오드(101)가 광자를 수신하였는지 여부를 판별한다.
도 2는 아발란치가 발생하지 않은 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(100)의 합성부(102)에 입/출력되는 신호를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 아발란치 포토 다이오드(101, 도 1 참조)의 출력신호(PS)는 정전용량성 응답만을 보여주고, 앞서 설명한 바와 같이 정전용량성 응답은 주기적으로 진동하는 형태를 보이며, 정전용량성 응답의 진폭이 가장 큰 지점은 최초 피크(201) 지점이 된다. 보조신호(AS)는 보조신호 발생부(103)에서 발생되는 신호이고, 합성부(102)에서 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS)와 합성된다. 합성신호(MS)는 위 두 신호들(PS, AS)을 합성한 신호이고, 합성신호(MS)의 진폭이 최대가 되는 지점(202)은 정전용량성 응답의 진폭이 최대가 되는 최초 피크(201) 지점과 같다.
도 3은 정전용량성 응답의 진폭보다 작은 진폭의 아발란치가 발생한 경우에 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(100)의 합성부(102)에 입/출력되는 신호를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 아발란치 포토 다이오드(101, 도 1 참조)의 출력신호(PS)는 정전용량성 응답 및 광자의 입력으로 발생한 아발란치 신호가 합쳐진 신호이다. 앞서 설명한 바와 같이 정전용량성 응답은 주기적으로 진동하는 형태를 보이며, 광자의 입력으로 발생한 아발란치 신호가 합쳐져 있다. 아발란치 포토 다이오드 출력신호(PS)의 진폭이 가장 큰 지점은 정전용량성 응답의 최초 피크(302) 지점이 된다. 광자의 입력으로 발생된 아발란치 신호의 진폭(301)은 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 작다.
도 2와 달리, 합성신호(MS)의 진폭이 최대가 되는 지점(303)은 아발란치가 발생된 지점과 같고, 그때의 진폭은 정전용량성 응답의 최대 진폭(302)보다 크다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 광자 검출장치는 광자의 입력으로 발생되는 아발란치 신호의 진폭(301)이 정전용량성 응답의 최대 진폭(302)보다 작은 경우에도, 아발란치의 발생여부를 검출하고, 이에 광자의 입력여부를 검출할 수 있다.
일반적인 광자 검출 장치는, 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 높게 설정된 문턱값을 가짐으로써 미약한 아발란치의 발생여부를 검출하기가 어렵다.
반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 보조신호(AS)를 이용하여 합성 신호(MS)를 발생하고, 발생된 합성신호(MS)로부터 아발란치 피크(303)를 검출할 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 단일 광자 검출장치(100)는 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 높게 설정된 문턱 값을 갖더라도 미약한 아발란치의 발생여부를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(100)의 합성신호(MS) 및 아발란치 신호를 판별하는 개념을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 합성신호(MS)는 시간에 따라 연속적이고, 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)은 일정하다.
합성신호(MS)는 아발란치 판별기(104)에 입력되는 신호이고, 아발란치 판별기(104)는 설정된 문턱값(402)보다 진폭이 큰 신호가 입력되는 경우를 감지한다. 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)은 입력되는 광자가 없어 아발란치가 발생되지 않은 경우의 합성신호(MS)가 가지는 최대 진폭(403, 404)보다 높게 설정된다.
도 4의 합성부(102)의 합성신호(MS)는 도 2 및 도 3에서 살펴본 바와 같이 보조신호(AS) 및 아발란치 포토 다이오드 출력신호(PS)가 합성된 신호이다. 도 4에서 합성신호(MS)는 3개의 진동형태 파형들을 포함하고, 파형들 각각의 진폭은 시간에 따라 점점 감쇄한다. 광자의 입력이 없는 경우인 첫 번째 파형의 최대 진폭(403)은 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)보다 작고, 광자의 입력이 있는 경우인 두 번째 파형의 최대 진폭(401)은 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)보다 크고, 광자의 입력이 없는 경우인 세 번째 파형의 최대 진폭(404)은 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)보다 작다.
도 4에서 광자의 입력으로 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 작은 미약한 아발란치가 발생한 경우인 두 번째 파형의 최대 진폭(401)은 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)보다 크기 때문에, 결국 아발란치 판별기(104)는 두 번째 파형의 입력에서 광자의 입력으로 인한 아발란치가 발생되었음을 판별하게 되고, 이에 광자 검출장치는 광자의 존재를 검출하게 된다. 그리고 나머지 첫 번째 및 세 번째 파형의 최대 진폭(403, 404)은 아발란치 판별기(104)의 문턱값(402)보다 작기 때문에, 아발란치 판별기(104)는 광자의 입력으로 인한 아발란치가 발생이 없없음을 판별하게 되고, 이에 광자 검출장치는 광자의 존재하지 않음을 검출하게 된다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(500)를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 단일 광자 검출장치(500)는 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 아발란치 판별기(104) 및 게이트 신호 발생부(501)를 포함한다.
도 5의 단일 광자 검출장치(500)는 도 1의 단일 광자 검출장치(100)를 포함하고, 게이트 신호 발생부(501)를 더 포함한다. 게이트 신호 발생부(501)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103) 및 아발란치 판별기(104)는 도 1과 같고, 앞서 도 1에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
아발란치 포토 다이오드(101)는 양자효율(Quantum Efficiency)이 낮고, 애프터 펄스가 발생하는 확률이 높기 때문에, 일반적으로 게이티드 가이거 모드로 이용된다.
게이트 신호 발생부(501)는 아발란치 포토 다이오드(101)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키기 위한 게이트 신호를 발생시키고, 발생된 게이트 신호를 아발란치 포토 다이오드(101)에 전달한다.
게이티드 가이거 모드에서 동작하는 일반적인 광자 검출장치에서는 앞서 설명한 애프터 펄스 및 데드 타임으로 인해서 게이트 신호의 주파수 및 광자를 검출하는 속도가 낮게 제한된다. 그러나 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광자 검출장치(500)에서는 아발란치 포토 다이오드(101)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키더라도, 보조신호(AS)를 이용하여 미약한 아발란치 신호를 검출할 수 있기 때문에, 앞서 설명한 애프터 펄스 및 데드 타임으로 인해서 아발란치 포토 다이오드(101)에 인가되는 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않는다. 즉, 정전용량성 응답보다 작은 진폭을 가지는 미약한 아발란치가 발생한 경우에도 아발란치 발생여부를 판별하여 광자를 검출할 수 있기 때문에, 게이티드 가이거 모드에서도 본 발명의 광자 검출장치(500)는 고속으로 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(600)를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 단일 광자 검출장치(600)는 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 아발란치 판별기(104), 게이트 신호 발생부(501) 및 시간 지연부(601)를 포함한다.
도 6의 단일 광자 검출장치(600)는 도 5의 단일 광자 검출장치(500)를 포함하고, 시간 지연부(601)를 더 포함한다. 시간 지연부(601)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 아발란치 판별기(104) 및 게이트 신호 발생부(501)는 도 5와 같고, 앞서 도 1 및 도 5에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
합성부(102)는 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 입력받고, 두 신호를 합성해서 합성신호(MS)를 출력한다. 합성신호(MS)의 진폭이 아발란치 신호의 피크 지점에서 최대가 되는 경우 아발란치의 발생여부를 판별하는 것이 더욱 용이하다. 따라서 두 신호들이 합성될 때, 아발란치 신호가 존재하는 위치(아발란치 발생 위치) 혹은 보조신호(AS)의 위치가 시간적으로 정렬될 필요가 있다.
시간 지연부(601)는 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)가 시간적으로 정렬되어 합성되도록 합성부(102)를 제어한다. 시간 지연부(601)의 제어로 인해서 합성신호(MS)는 아발란치가 발생된 지점에서 최대 진폭을 가지게 되고, 아발란치 판별기(104)는 합성신호(MS)를 입력받아 설정된 문턱값보다 큰 진폭을 가지는 합성신호(MS)를 판별한다. 이에 광자 검출장치(600)는 아발란치의 발생 및 광자의 입력을 검출하게 된다. 또한, 광자 검출장치(600)는 도 5의 광자 검출장치(500)와 마찬가지로 게이티드 가이거 모드에서 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않기 때문에, 고속으로 광자를 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 단일 광자 검출장치(700)를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 단일 광자 검출장치(700)는 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 아발란치 판별기(104), 게이트 신호 발생부(501), 시간 지연부(601) 및 조절부(701)를 포함한다.
도 7의 단일 광자 검출장치(700)는 도 6의 단일 광자 검출장치(600)를 포함하고, 조절부(701)를 더 포함한다. 조절부(701)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(101), 합성부(102), 보조신호 발생부(103), 아발란치 판별기(104), 게이트 신호 발생부(501) 및 시간 지연부(601)는 도 6과 같고, 앞서 도 1, 도 5 및 도 6에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
합성부(102)는 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 입력받고, 두 신호들(PS, AS)를 합성해서 출력(MS)한다. 합성신호(MS)의 진폭이 아발란치 신호의 피크 지점에서 최대가 되는 경우 아발란치의 발생여부를 판별하는 것이 더욱 용이하다. 따라서 두 신호들(PS, AS)이 합성될 때, 아발란치 신호가 존재하는 위치(아발란치 발생 위치) 혹은 보조신호(AS)의 위치가 시간적으로 정렬될 필요가 있고, 이와 더불어 두 신호들(PS, AS)의 시간적인 정렬뿐만 아니라 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)의 모양 및 진폭이 조절될 필요가 있다.
조절부(701)는 아발란치 포토 다이오드(101)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)의 모양 및 진폭이 조절되어 합성되도록 합성부(102)를 제어한다. 조절부(701) 및 시간 지연부(601)의 제어로 합성신호(MS)는 아발란치가 발생된 지점에서 최대 진폭을 가지게 되고, 아발란치 판별기(104)는 합성신호(MS)를 입력받아 설정된 문턱값보다 큰 진폭을 가지는 합성신호(MS)를 판별한다. 이에 광자 검출장치(700)는 아발란치의 발생 및 광자의 입력을 검출하게 된다. 또한, 광자 검출장치(700)는 도 5 및 도 6의 광자 검출장치(500, 600)와 마찬가지로 게이티드 가이거 모드에서 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않기 때문에, 고속으로 광자를 검출할 수 있다.
광자 수 분해 검출장치
도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 광자 수 분해 검출장치(800)는 아발란치 포토 다이오드(801, APD), 합성부(802), 보조신호 발생부(803) 및 광자 수 판별부(804)를 포함한다.
아발란치 포토 다이오드(801)는 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자를 포함한다. 광자의 수신에 따라 발생된 출력신호(PS)는 아발란치 신호를 포함하며, 아발란치 포토 다이오드(801)는 출력신호(PS)를 합성부(802)에 전달한다.
보조신호 발생부(803)는 보조신호(AS)를 발생시키고, 발생된 보조신호(AS)를 합성부(802)로 전달한다.
합성부(802)는 아발란치 포토 다이오드(801)로부터 출력된 신호(PS)를 수신하고, 보조신호 발생부(803)로부터 출력된 보조신호(AS)를 수신한다. 합성부(802)는 수신된 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 합성하고, 합성신호(MS)를 광자 수 판별부(804)로 전달한다. 광자의 입력으로 인해서 아발란치가 발생된 경우에 합성신호(MS)의 진폭은 아발란치가 발생된 부분에서 최대가 된다.
광자 수 판별부(804)는 합성신호(MS)를 수신하여 수광소자인 아발란치 포토 다이오드(801)가 수신한 광자의 수를 판별한다. 광자 수 판별부(804)는 합성신호(MS)의 세기에 따라 아발란치 포토 다이오드(801)가 수신한 광자의 수를 판별할 수 있고, 합성신호(MS)의 세기에 따른 구분 방법으로서 합성신호(MS)의 최대 진폭에 따라 구분하는 방법이 이용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치의 합성신호 및 광자 수를 판별하는 개념을 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, 합성신호(MS)는 보조신호(AS) 및 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS)를 합성한 신호이고, 광자 수 판별부(804)는 3개의 문턱값들(901a, 902a, 903a)을 가진다.
미약한 아발란치 신호의 진폭은 불연속적인 특성을 가지고, 이러한 불연속적인 특성은 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수와 직접적인 관련이 있다. 즉, 아발란치 신호의 진폭은 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수에 비례하고, 결국 아발란치 신호를 포함하는 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS)의 진폭도 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수에 비례하게 된다. 이에, 최종적으로 아발란치 포토 다이오드 출력(PS)을 포함하는 합성신호(MS)의 최대 진폭들(901, 902, 903)도 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수에 비례하게 된다.
도 9에서, 3개의 문턱값들(901a, 902a, 903a)은 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수에 비례하는 합성신호(MS)의 최대 진폭에 따라 구분할 수 있도록 설정된다. 합성신호(MS)의 최대 진폭이 가장 낮은 경우(903)는 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수가 1개인 경우이고, 합성신호(MS)의 최대 진폭이 중간 높이인 경우(902)는 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수가 2개인 경우이고, 합성신호(MS)의 최대 진폭이 가장 높은 경우(901)는 아발란치 포토 다이오드(801)에 입력되는 광자의 개수가 3개인 경우이다.
합성신호(MS)의 최대 진폭에 따라 구분하여 광자의 개수를 분해 검출하는 장치에서 광자를 계수하는(counting) 단위 개수는 필요에 따라 2개, 3개 등으로 조정 가능하다. 단위 개수를 조정하여 광자 수를 분해 검출하기 위해서는 광자 수 판별부(804)의 문턱값들을 조정하면 된다.
광자의 개수를 분해하여 검출하는 광자 수 분해 검출장치는 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 미약한 아발란치의 발생을 검출할 수 있어야 한다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치는 아발란치 포토 다이오드(801)에 임의의 개수(자연수)의 광자가 입력되는 경우, 광자의 입력 사실뿐만 아니라 입력된 광자가 몇 개인지도 쉽게 검출이 가능하다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다. 도 10을 참조하면, 광자 수 분해 검출장치(1000)는 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803), 광자 수 판별부(804) 및 게이트 신호 발생부(1001)를 포함한다.
도 10의 광자 수 분해 검출장치(1000)는 도 8의 광자 수 분해 검출장치(800)를 포함하고, 게이트 신호 발생부(1001)를 더 포함한다. 게이트 신호 발생부(1001)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803) 및 광자 수 판별부(804)는 도 8과 같고, 앞서 도 8에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
아발란치 포토 다이오드(801)는 양자효율이 낮고, 애프터 펄스가 발생하는 확률이 높기 때문에, 일반적으로 게이티드 가이거 모드로 이용된다.
게이트 신호 발생부(1001)는 아발란치 포토 다이오드(801)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키기 위한 게이트 신호를 발생시키고, 발생된 게이트 신호를 아발란치 포토 다이오드(801)에 전달한다.
게이티드 가이거 모드에서 동작하는 일반적인 광자 수 분해 검출장치에서는 앞서 설명한 애프터 펄스 및 데드 타임으로 인해서 게이트 신호의 주파수 및 광자를 검출하는 속도가 낮게 제한된다. 그러나 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치(1000)에서는 아발란치 포토 다이오드(801)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키더라도, 보조신호(AS)를 이용하여 미약한 아발란치 신호를 검출할 수 있기 때문에, 앞서 설명한 애프터 펄스 및 데드 타임으로 인해서 아발란치 포토 다이오드(801)에 인가되는 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않는다. 즉, 정전용량성 응답보다 작은 진폭을 가지는 미약한 아발란치가 발생한 경우에도 아발란치 발생여부를 판별하여 광자의 입력 및 입력된 광자의 개수를 검출할 수 있기 때문에, 게이티드 가이거 모드에서도 본 발명의 광자 수 분해 검출장치(1000)는 고속으로 동작할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다. 도 11을 참조하면, 광자 수 분해 검출장치(1100)는 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803), 광자 수 판별부(804), 게이트 신호 발생부(1001) 및 시간 지연부(1101)를 포함한다.
도 11의 광자 수 분해 검출장치(1100)는 도 10의 광자 수 분해 검출장치(1100)를 포함하고, 시간 지연부(1101)를 더 포함한다. 시간 지연부(1101)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803), 광자 수 판별부(804) 및 게이트 신호 발생부(1001)는 도 10과 같고, 앞서 도 8 및 도 10에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
합성부(802)는 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 입력받고, 두 신호를 합성해서 합성신호(MS)를 출력한다. 합성신호(MS)의 진폭이 아발란치 신호의 피크 지점에서 최대가 되는 경우 아발란치의 발생여부를 판별하는 것이 더욱 용이하다. 따라서 두 신호들이 합성될 때, 아발란치 신호가 존재하는 위치(아발란치 발생 위치) 혹은 보조신호(AS)의 위치가 시간적으로 정렬될 필요가 있다.
시간 지연부(1101)는 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)가 시간적으로 정렬되어 합성되도록 합성부(802)를 제어한다. 시간 지연부(1101)의 제어로 인해서 합성신호(MS)는 아발란치가 발생된 지점에서 최대 진폭을 가지게 되고, 광자 수 판별부(804)는 합성신호(MS)를 입력받아 설정된 문턱값보다 큰 진폭을 가지는 합성신호(MS)을 판별한다. 이에 광자 수 분해 검출장치(1100)는 아발란치의 발생, 광자의 입력 및 입력된 광자의 개수를 검출하게 된다.
또한, 광자 수 분해 검출장치(1100)는 도 10의 광자 수 분해 검출장치(1000)와 마찬가지로 게이티드 가이거 모드에서 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않기 때문에, 고속으로 광자를 검출할 수 있다
도 12는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 광자 수 분해 검출장치를 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 광자 수 분해 검출장치(1200)는 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803), 광자 수 판별부(804), 게이트 신호 발생부(1001), 시간 지연부(1101) 및 조절부(1201)를 포함한다.
도 12의 광자 수 분해 검출장치(1200)는 도 11의 광자 수 분해 검출장치(1100)를 포함하고, 조절부(1201)를 더 포함한다. 조절부(1201)를 제외한 나머지 구성요소인 아발란치 포토 다이오드(801), 합성부(802), 보조신호 발생부(803), 광자 수 판별부(804), 게이트 신호 발생부(1001) 및 시간 지연부(1101)는 도 11과 같고, 앞서 도 8, 도 10 및 도 11에서 설명되었으므로 구체적 설명은 생략한다.
합성부(802)는 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS) 및 보조신호(AS)를 입력받고, 두 신호를 합성해서 합성신호(MS)를 출력한다. 합성신호(MS)의 진폭이 아발란치 신호의 피크 지점에서 최대가 되는 경우 아발란치의 발생여부를 판별하는 것이 더욱 용이하다. 따라서 두 신호들이 합성될 때, 아발란치 신호가 존재하는 위치(아발란치 발생 위치) 혹은 보조신호(AS)의 위치가 시간적으로 정렬될 필요가 있고, 이와 더불어 두 신호들의 시간적인 정렬뿐만 아니라 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)의 모양 및 진폭이 조절될 필요가 있다.
조절부(1201)는 아발란치 포토 다이오드(801)의 출력신호(PS) 혹은 보조신호(AS)의 모양 및 진폭이 조절되어 합성되도록 합성부(802)를 제어한다. 조절부(1201) 및 시간 지연부(1101)의 제어로 합성신호(MS)는 아발란치가 발생된 지점에서 최대 진폭을 가지게 되고, 광자 수 판별부(804)는 합성신호(MS)를 입력받아 설정된 문턱값보다 큰 진폭을 가지는 합성신호(MS)를 판별한다. 이에 광자 수 분해 검출장치(1200)는 아발란치의 발생, 광자의 입력 및 입력된 광자의 개수를 검출하게 된다. 또한, 광자 수 분해 검출장치(1200)는 도 10 및 도 11의 광자 수 분해 검출장치(1000, 1100)와 마찬가지로 게이티드 가이거 모드에서 게이트 신호의 주파수가 낮게 제한되지 않기 때문에, 고속으로 광자를 검출할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 예를 들어, 아발란치 포토 다이오드, 합성부, 보조신호 발생부 및 아발란치 판별기 및 광자 수 판별부 등의 세부적 회로 구성이나 전 후단의 연결 관계는 이용 환경이나 용도에 따라 다양하게 변화 혹은 변경될 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자;
    상기 수광소자의 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 아발란치 신호를 검출하기 위한 보조신호를 발생시키는 보조신호 발생부;
    상기 전기적인 신호 및 상기 보조신호를 시간적으로 정렬하는 시간 지연부;
    상기 전기적인 신호 및 상기 보조신호를 수신하여 합성하는 합성부; 및
    상기 합성부의 합성신호를 수신하여 상기 광자의 수신여부를 판별하는 판별부를 포함하는 단일 광자 검출장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)이고,
    상기 전기적인 신호는 상기 아발란치 신호를 포함하는 단일 광자 검출장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 판별부는 아발란치 발생여부를 판별하는 아발란치 판별기를 포함하는 단일 광자 검출장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 아발란치 판별기의 문턱값은 적어도 상기 아발란치 포토 다이오드의 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 높게 설정되는 단일 광자 검출장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작하는 단일 광자 검출장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    게이트 신호를 발생시키고, 상기 게이트 신호를 상기 아발란치 포토 다이오드에 전달하는 게이트 신호 발생부를 더 포함하는 단일 광자 검출장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 시간 지연부는 상기 정전용량성 응답의 최초 피크 지점 이후에 상기 보조신호를 시간적으로 정렬하는 단일 광자 검출장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 아발란치 신호 혹은 상기 보조신호의 파형과 진폭을 조절하는 조절부를 더 포함하는 단일 광자 검출장치.
  9. 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자;
    상기 수광소자의 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 아발란치 신호를 검출하기 위한 보조신호를 발생시키는 보조신호 발생부;
    상기 전기적인 신호 및 상기 보조신호를 시간적으로 정렬하는 시간 지연부;
    상기 전기적인 신호 및 상기 보조신호를 수신하여 합성하는 합성부; 및
    상기 합성부의 합성신호를 수신하여 상기 수광소자가 수신한 상기 광자의 수를 판별하는 광자 수 판별부를 포함하는 광자 수 분해 검출장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광자 수 판별부는 상기 합성신호를 세기에 따라 구분하여 상기 수신한 광자의 수를 판별하는 광자 수 분해 검출장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광자 수 판별부는 복수의 문턱값들을 가지고, 상기 문턱값들 각각은 적어도 상기 수광소자의 상기 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 높게 설정되며 또한 N개(N은 자연수)의 광자로 인해서 발생된 상기 합성신호를 세기에 따라 구분할 수 있도록 설정되는 광자 수 분해 검출장치.
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