KR101966652B1 - Method and Apparatus for Detecting Single Photon by Reverse Counting - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 반전신호 검출을 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는, 광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자; 상기 수광소자로부터 출력된 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전부; 및 상기 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치 및 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention are directed to a single photon detection apparatus and method using inverse signal detection.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a light receiving device comprising: a light receiving element for receiving a photon from a light source and outputting an electric signal; An inverting unit for inverting a polarity of an output signal output from the light receiving element to generate an inverted signal; And a discriminator for comparing the magnitude of the inverted signal with a threshold value to discriminate whether the photon is received or not.

Description

반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법{Method and Apparatus for Detecting Single Photon by Reverse Counting}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a single photon detection apparatus and method using inverse coefficients,

본 발명의 실시예는 반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 아발란치 포토 다이오드(APD: Avalanche Photo Diode)를 이용하여 아발란치 포토 다이오드에 입력되는 광자에 의해 발생하는 미약한 아발란치 신호를 효율적으로 검출하기 위한 반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a single photon detection apparatus and method using an inverse coefficient. More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for detecting a single avalanche signal generated by a photon input to an avalanche photodiode using an Avalanche Photo Diode (APD) To a photon detection apparatus and method.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the embodiment of the present invention, but do not necessarily constitute the prior art.

양자 암호 통신을 비롯한 정보 통신 기술의 발달과 함께 단일 광자 수준의 미약한 광 신호를 검출하는 기술의 중요성이 증가하고 있다.With the development of information and communication technologies, including quantum cryptography, the importance of techniques for detecting weak optical signals at the single photon level has increased.

특히, 1.3 ㎛ 내지 1.5 ㎛와 같은 통신 파장대역에서 이용되고, 단일 광자 와 같이 세기가 미약한 광 신호를 검출할 수 있는 광자 검출장치(Photon Detector)에서는 InGaAs/InP 타입의 아발란치 포토 다이오드가 주로 이용된다. 아발란치 포토 다이오드를 이용하는 단일 광자 검출장치에서는, 광자의 입력에 의해 전자-정공 쌍(Electron-hole Pair)이 발생하는 경우, 전자-정공의 수가 증폭되는 아발란치 현상의 발생 유무로써 광자의 입력 여부를 판별한다. 일반적으로, InGaAs/InP 타입의 아발란치 포토 다이오드는 대부분 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)에서 동작된다.Particularly, in a photon detector which can detect an optical signal which is used in a communication wavelength band such as 1.3 탆 to 1.5 탆 and which has weak intensity such as a single photon, an InGaAs / InP-type Avalanche photodiode It is mainly used. In a single photon detection apparatus using an Avalanche photodiode, when an electron-hole pair is generated by the input of a photon, the presence or absence of an avalanche phenomenon in which the number of electrons and holes is amplified, It is determined whether or not to input. In general, avalanche photodiodes of the InGaAs / InP type are mostly operated in the gated Geiger mode.

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.When the avalanche photodiode is operated in the gated Geiger mode, some of the charge carriers generated during the avalanche (electron charge) generation do not immediately disappear. Charge carriers that are not completely eliminated remain within the avalanche photodiode, and the remaining charge carriers when the next gate signal is applied to the avalanche photodiode generate avalanche. This phenomenon is referred to as an after-pulsing effect, and the after-pulse effect is one of the important causes of error in photon detection.

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.A method to reduce the error caused by the after-pulse effect in photon detection is to set a dead time sufficient for the remaining charge carriers not to disappear inside the avalanche photodiode to disappear after the avalanche occurs . That is, the dead time for not applying the gate signal to the avalanche photodiode is set for a certain period of time after the occurrence of the avalanche.

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 있다.However, since the conventional photon detection device detects a relatively large avalanche, the charge carriers that remain unremoved are also relatively large. Accordingly, the dead time sufficient for these to disappear must be set to be long. As a result, such an after-pulse effect and dead time become important factors for determining the gating frequency of the gate signal and the limit of the photon count rate.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예는, 아발란치 포토 다이오드를 게이티드 가이거 모드로 동작하여 광자를 검출하는 단일 광자 검출 장치에서 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 게이트 신호에 의해 발생하는 아발란치 포토 다이오드 고유의 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 미약한 아발란치 신호의 발생 유무를 효과적으로 판별하는 데에 주된 목적이 있다.In order to solve such a problem, an embodiment of the present invention provides a single photon detection device which operates a giant Geiger mode of avalanche photodiode to detect a photon, and a photon generated by a gate signal applied to the avalanche photodiode The main purpose is to effectively determine the presence or absence of weak avalanche signals with smaller amplitudes than the bulk capacitance photodiode inherent capacitive response.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 단일 광자 검출장치에 있어서, 광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자; 상기 수광소자로부터 출력된 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전부; 및 상기 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a single photon detection apparatus comprising: a light receiving element for receiving a photon from a light source and outputting an electrical signal; An inverting unit for inverting a polarity of an output signal output from the light receiving element to generate an inverted signal; And a discriminator for comparing the magnitude of the inverted signal with a threshold value to discriminate whether the photon is received or not.

상기 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)이고, 상기 전기적인 신호는 아발란치 신호를 포함할 수 있다.The light receiving element is an Avalanche Photo Diode, and the electrical signal may include an Avalanche signal.

상기 판별부는 상기 반전신호의 크기가 문턱값보다 작은지 여부에 따라 광자의 수신여부를 판별할 수 있으며, 상기 문턱값은 상기 반전된 아발란치 포토 다이오드의 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 낮게 설정할 수 있다.Wherein the discriminator can discriminate whether or not the photon is received according to whether the magnitude of the inverted signal is smaller than a threshold value and the threshold value is lower than a predetermined amplitude of the electrostatic capacitive response of the inverted avalanche photodiode Can be set.

상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 수 있다.The avalanche photodiode may operate in a gated Geiger mode.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 단일 광자 검출방법에 있어서, 광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 과정; 상기 수광소자로부터 출력된 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전과정; 및 상기 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a single photon detection method comprising: receiving a photon from a light source to output an electrical signal; An inversion process of inverting the polarity of an output signal output from the light receiving element to generate an inverted signal; And comparing the magnitude of the inverse signal with a threshold value to determine whether the photon is received or not.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 아발란치 포토 다이오드를 게이티드 가이거 모드로 동작하는 경우, 아발란치 포토 다이오드 고유의 정전용량성 응답보다 진폭이 작은 미약한 아발란치 신호의 발생 유무를 용이하게 판별하는 효과가 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, when the avalanche photodiode is operated in the gated Geiger mode, a weak avalanche signal having a smaller amplitude than the electrostatic capacitive response inherent to the avalanche photodiode There is an effect of easily discriminating the occurrence or not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출장치를 예시한 도면이다.
도 2는 게이트 신호 발생부(110)에서 발생하는 신호를 예시한 도면이다.
도 3은 아발란치 포토 다이오드(120)에서 발생하는 주기적인 용량성 응답을 나타낸 도면이다.
도 4는 아발란치 포토 다이오드(120)에서 발생할 수 있는 미약한 아발란치 신호가 출력되는 경우 아발란치 포토 다이오드에서 출력되는 신호를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.1 is a diagram illustrating a single photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a signal generated in the gate signal generator 110. Referring to FIG.
3 is a diagram showing a periodic capacitive response generated in the Avalanche photodiode 120. FIG.
4 is a diagram illustrating a signal output from the avalanche photodiode when a weak avalanche signal that may occur in the avalanche photodiode 120 is output.
5 is a flowchart briefly illustrating a single photon detection method according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출장치를 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a single photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 단일 광자 검출장치(100)는 게이트신호 발생부(110), 아발란치 포토 다이오드(120, APD), 반전부(130) 및 판별부(140)를 포함한다. 본 실시예에서 단일 광자 검출장치(100)가 게이트신호 발생부(110), 아발란치 포토 다이오드(120), 반전부(130) 및 판별부(140)를 포함하여 구성하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 단일 광자 검출장치(100)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다. 여기서 아발란치 포토 다이오드(120)는 본 발명에서 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자에 대한 하나의 실시예이다.Referring to FIG. 1, a single photon detection apparatus 100 includes a gate signal generator 110, an Avalanche photodiode 120, an inverting unit 130, and a determination unit 140. The single photon detection apparatus 100 includes the gate signal generation unit 110, the avalanche photodiode 120, the inverting unit 130, and the determination unit 140, It is to be understood that any person skilled in the art to which the present invention belongs will be able to understand the constitution (s) included in the single photon detection apparatus 100 within the scope of not deviating from the essential characteristics of the present embodiment Various modifications and variations may be applied to the elements. Here, the Avalanche photodiode 120 is one embodiment of a light receiving element that receives a photon and outputs an electric signal in the present invention.

게이트신호 발생부(110)는 게이트 신호를 발생시키고, 발생된 게이트 신호를 아발란치 포토 다이오드(120)에 전달한다.The gate signal generator 110 generates a gate signal and transmits the generated gate signal to the avalanche photodiode 120.

아발란치 포토 다이오드(120)는 광자 송신원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력한다.Avalanche photodiode 120 receives photons from a photon source and outputs an electrical signal.

게이트 신호 발생부(110)는 아발란치 포토 다이오드(120)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키기 위한 게이트 신호를 발생시키고, 발생된 게이트 신호를 아발란치 포토 다이오드(120)에 전달한다.The gate signal generator 110 generates a gate signal for operating the avalanche photodiode 120 in the gated Geiger mode and transfers the generated gate signal to the avalanche photodiode 120. [

도 2는 게이트 신호 발생부(110)에서 발생하는 신호를 예시한 도면이고, 도 3은 아발란치 포토 다이오드(120)에서 발생하는 주기적인 용량성 응답을 나타낸 도면이고, 도 4는 아발란치 포토 다이오드(120)에서 발생할 수 있는 미약한 아발란치 신호가 출력되는 경우 아발란치 포토 다이오드에서 출력되는 신호를 나타낸 도면이다.3 is a diagram showing a periodic capacitive response generated in the Avalanche photodiode 120, and FIG. 4 is a graph showing a periodic capacitive response generated by the Avalanche photodiode 120. FIG. And a signal output from the Avalanche photodiode when a weak Avalanche signal that may occur in the photodiode 120 is output.

전술하였듯이, 단일 광자와 같이 미세한 광 신호를 검출하기 위해서 아발란치 포토다이오드(120)를 사용하여 도 2와 같이 게이티드 가이거 모드로 동작시킬 수 있다.As described above, the Avalanche photodiode 120 can be used to operate in the gated Geiger mode as shown in FIG. 2 in order to detect a minute optical signal like a single photon.

게이트 신호 발생부(110)는, 예컨대 DC 전압원(111, Vdc)과 펄스발생부(112)에서 생성된 주기적인 펄스를 병렬로 연결하여 도 2와 같은 게이트 신호를 발생한다.The gate signal generator 110 generates a gate signal as shown in FIG. 2 by connecting, for example, a DC voltage source 111 (V dc ) and a periodic pulse generated in the pulse generator 112 in parallel.

아발란치 포토 다이오드(120)를 게이티드 가이거 모드로 동작시키기 위해서 게이트 신호 발생부(110)에 의해 게이트 신호가 인가되면, 도 3과 같이 아발란치 포토 다이오드(120) 고유의 정전용량성 응답(Capacitive Response)이 발생한다. 따라서 아발란치 포토 다이오드(120)로 광자가 입력되어 아발란치(전자사태, Avalanche)가 발생하는 경우, 아발란치 포토 다이오드(120)의 출력은 정전용량성 응답 및 아발란치 신호가 합쳐진 신호가 된다.When a gate signal is applied by the gate signal generator 110 in order to operate the Avalanche photodiode 120 in the gated Geiger mode, the electrostatic capacitive response unique to the Avalanche photodiode 120 (Capacitive Response) occurs. Therefore, when a photon is input to the Avalanche photodiode 120 and an Avalanche occurs, the output of the Avalanche photodiode 120 is the sum of the capacitive response and the Avalanche signal Signal.

일반적으로, 아발란치 포토 다이오드에서 출력되는 신호로부터 아발란치의 발생 여부를 판별하는 아발란치 판별부는 아발란치 판별부에 설정된 문턱값보다 진폭이 큰 신호가 입력되는 경우에만 펄스 형태의 신호를 출력한다. 즉, 예를 들어 아발란치 판별부의 출력 신호를 디지털 신호로 전환하는 경우, 설정된 문턱값보다 진폭이 큰 신호가 입력되는 경우에는 "1" 그렇지 않은 경우에는 "0"에 대응되는 디지털 신호를 출력할 수 있다.Generally, the avalanche discriminator for discriminating the occurrence of avalanche from the signal output from the avalanche photodiode outputs a pulse signal only when a signal having a larger amplitude than the threshold value set in the avalanche discriminator is input Output. That is, for example, when the output signal of the avalanche discrimination unit is converted into a digital signal, a digital signal corresponding to "1" can do.

따라서 종래의 일반적인 광자 검출장치에 포함되는 아발란치의 발생여부를 판별하는 장치는 아발란치 포토 다이오드(120)의 출력으로부터 아발란치를 판별하는 경우, 아발란치를 판별하는 문턱값을 아발란치 포토 다이오드(120)의 정전용량성 응답의 최대 진폭보다 높게 설정하게 되며, 아발란치 판별부에서 디지털 신호의 "1"에 해당하는 신호가 출력되는 것을 확인함으로써 광자를 검출한다.Therefore, in the conventional apparatus for determining whether an avalanche occurs in a conventional photon detection apparatus, when discriminating an avalanche from the output of the avalanche photodiode 120, a threshold for discriminating the avalanche is set to avalanche photo Is set higher than the maximum amplitude of the electrostatic capacitive response of the diode 120, and the avalanche discrimination unit detects photons by confirming that a signal corresponding to "1" of the digital signal is output.

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.As a result, the photon detection apparatus detects only when an avalanche signal having an amplitude higher than a predetermined threshold value is generated among the avalanche signals generated at the input of the photons, and determines whether to detect the photons. That is, a general photon detection apparatus can perform photon detection and photon counting only when an avalanche having a larger amplitude than the amplitude of the electrostatic capacitive response occurs.

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 다이오드(120)를 이용한 광자 검출장치가 고속으로 광자를 검출하지 못하는 원인이 된다. 광자 검출장치가 고속으로 광자를 검출하기 위해서 애프터 펄스의 발생 확률을 줄이는 것이 필요하다.However, avalanche with a large amplitude increases the probability of occurrence of an after-pulse, and accordingly, a dead time must be set to be long. As a result, the avalanche having a large amplitude causes the photon detection apparatus using the Avalanche photodiode 120 operated in the gated Geiger mode to fail to detect the photon at high speed. It is necessary to reduce the probability of occurrence of the after-pulse in order for the photon detection apparatus to detect the photon at high speed.

일반적인 광자 검출장치에서 애프터 펄스의 발생 확률 및 데드 타임을 줄이기 위해서는 아발란치 포토 다이오드에 인가하는 Vdc에 의한 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 아발란치 판별 방법으로는 검출하기가 매우 어렵다.In order to reduce the probability of occurrence of the after-pulse and the dead time in a general photon detection apparatus, a DC (Direct Current) bias voltage due to V dc applied to the Avalanche photodiode and a magnitude and a width of the gate signal are adjusted, This small avalanche should occur. However, in this case, avalanche with a smaller amplitude than the electrostatic capacitive response is very difficult to detect with the usual avalanche discrimination method.

아발란치 포토 다이오드(120)가 게이티드 가이거 모드로 동작하게 되면 아발란치 포토 다이오드(120)는 입력되는 게이트 신호와 동일한 주기를 갖는 정전용량성 응답신호를 출력하게 되고 광자의 입력 등에 의해 미약한 아발란치가 발생하는 경우 도 3과 같은 전기 신호를 출력하게 된다.When the Avalanche photodiode 120 operates in the gated Geiger mode, the Avalanche photodiode 120 outputs a capacitive response signal having the same period as the input gate signal, When an avalanche occurs, an electric signal as shown in Fig. 3 is outputted.

본 발명의 실시예에 따른 반전부(130)는 아발란치 포토 다이오드(120)의 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 출력한다.The inverting unit 130 according to the embodiment of the present invention inverts the polarity of the output signal of the Avalanche photodiode 120 and outputs an inverted signal.

도 4는 정전용량성 응답만 출력되는 경우와 광자 등의 입력 등에 의해 미약한 아발란치가 발생하였을 때에 반전부에(130)서 출력되는 반전신호의 파형을 도시한 도면이다.4 is a diagram showing a waveform of an inverted signal outputted from the inverting unit 130 when only a capacitive response is outputted and when a weak avalanche occurs due to input of a photon or the like.

판별부(140)는 반전부(130)에서 출력된 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별한다. 즉, 판별부(140)는 반전신호의 크기가 문턱값보다 작은지 여부에 따라 광자의 수신여부를 판별한다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 아발란치가 발생한 경우의 반전신호의 양의 방향 최대 진폭은 문턱값보다 낮아지게 되어 판별부에서는 "0"에 해당하는 디지털 신호를 출력하게 됨으로써 광자가 수신된 것으로 판별한다. 결국 종래의 일반적인 단일 광자 검출장치의 판별부는 광자의 입력 등으로 인해 아발란치가 발생한 경우에는 디지털의 "1"에 대응되는 펄스 형태의 신호를 출력하고, 아발란치가 발생하지 않은 경우에는 디지털의 "0"에 대응되는 신호를 출력한다. 전술한 종래의 단일 광자 검출장치와는 반대로, 본 발명의 실시예에 따른 판별부는 아발란치가 발생하지 않은 경우에는 디지털의 "1"에 대응되는 펄스 형태의 신호를 출력하고, 광자의 입력 등으로 인해 아발란치가 발생한 경우에는 "0"에 대응되는 디지털 신호를 출력한다.The determination unit 140 compares the magnitude of the inverted signal output from the inverting unit 130 with a threshold value to determine whether the photon is received. That is, the determination unit 140 determines whether or not the photon is received according to whether the magnitude of the inverted signal is smaller than the threshold value. Therefore, as shown in Fig. 4, the maximum amplitude in the positive direction of the inversion signal when the avalanche occurs is lower than the threshold, and the discriminator outputs a digital signal corresponding to "0 " . As a result, the conventional single-photon detection device has a pulse type signal corresponding to digital "1" when avalanche occurs due to photon input or the like, and a digital " Quot; 0 ". In contrast to the above-described conventional single photon detection device, the discriminator according to the embodiment of the present invention outputs a pulse-shaped signal corresponding to digital "1" when no avalanche occurs, And outputs a digital signal corresponding to "0 " when avalanche occurs.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.5 is a flowchart briefly illustrating a single photon detection method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출방법은, 수광소자에 의해 광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 과정(S510), 수광소자로부터 출력된 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전과정(S520), 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별과정(S530)을 포함하여 이루어질 수 있다.A single photon detection method according to an embodiment of the present invention includes a step of receiving photons from a light source by a light receiving element and outputting an electric signal (S510), inverting the polarity of the output signal output from the light receiving element, (S520), and comparing the magnitude of the inverted signal with a threshold value to determine whether the photon is received (S530).

전술하였듯이, 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(120)를 사용하여, 전기적인 신호는 아발란치 신호 및 정전용량성 신호를 포함할 수 있다.As described above, the light receiving element may use an Avalanche photodiode 120, and the electrical signal may include an avalanche signal and a capacitive signal.

또한, 판별과정(S530)에서는 반전신호의 크기가 문턱값보다 작은지 여부에 따라 광자의 수신여부를 판별하며, 문턱값은 아발란치 포토 다이오드(120)의 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 낮게 설정한다.In the determination process (S530), whether or not the photon is received is determined according to whether the magnitude of the inverted signal is smaller than the threshold value, and the threshold value is set to be larger than a predetermined amplitude of the electrostatic capacitive response of the avalanche photodiode 120 Set low.

또한, 아발란치 포토 다이오드(120)는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작될 수 있다.In addition, the avalanche photodiode 120 may be operated in a gated Geiger mode.

여기서, 전기적인 신호를 출력하는 과정(S510), 반전과정(S520) 및 판별과정(S530)은 아발란치 포토 다이오드(120), 반전부(130) 및 판별부(140)의 기능에 각각 대응되므로 상세한 설명은 생략한다.Here, the process of outputting the electrical signal (S510), the process of inverting (S520) and the process of determining (S530) correspond to the functions of the avalanche photodiode 120, the inverting unit 130 and the discriminating unit 140 The detailed description will be omitted.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 아발란치 포토 다이오드를 게이티드 가이거 모드로 같이 펄스 형식으로 동작시키는 경우, 아발란치 포토 다이오드의 정전용량성 응답 신호의 진폭보다 작은 미세한 아발란치 신호를 효과적으로 검출하는 유용한 발명이다.As described above, according to the embodiment of the present invention, when the Avalanche photodiode is operated in the gated Geiger mode in the pulse type as well, the amplitude of the electrostatic capacitive response signal of the Avalanche photodiode becomes smaller than the amplitude of the electrostatic capacitive response signal. It is a useful invention for effectively detecting a signal.

Claims (6)

단일 광자 검출장치에 있어서,
광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 수광소자;
상기 수광소자로부터 출력된 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전부; 및
상기 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.In the single photon detection apparatus,
A light receiving element for receiving a photon from a light source and outputting an electrical signal;
An inverting unit for inverting a polarity of an output signal output from the light receiving element to generate an inverted signal; And
The discrimination unit discriminates whether the photon is received by comparing the magnitude of the inverted signal with a threshold value
And a photodetector coupled to the photodetector. 제 1 항에 있어서,
상기 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)이고,
상기 전기적인 신호는 아발란치 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.The method according to claim 1,
The light receiving element is an Avalanche Photo Diode,
Wherein the electrical signal comprises an avalanche signal. 제 2 항에 있어서,
상기 판별부는 상기 반전신호의 크기가 문턱값보다 작은지 여부에 따라 광자의 수신여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.3. The method of claim 2,
Wherein the determination unit determines whether or not the photon is received according to whether the magnitude of the inversion signal is smaller than a threshold value. 제 3 항에 있어서,
상기 문턱값은 상기 아발란치 포토 다이오드의 반전된 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.The method of claim 3,
Wherein the threshold is set to be lower than a predetermined amplitude of the inverted capacitive response of the avalanche photodiode. 제 4 항에 있어서,
상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.5. The method of claim 4,
Wherein the Avalanche photodiode operates in a Gated Geiger Mode. ≪ Desc / Clms Page number 17 > 단일 광자 검출방법에 있어서,
광원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력하는 과정;
출력된 상기 전기적인 신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 생성하는 반전과정; 및
상기 반전신호의 크기를 문턱값(Threshold)과 비교하여 광자의 수신여부를 판별하는 판별과정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출방법.
In the single photon detection method,
Receiving a photon from a light source and outputting an electrical signal;
Inverting the polarity of the electrical signal to generate an inverted signal; And
A determination process of determining whether the photon is received by comparing the magnitude of the inverted signal with a threshold value
Wherein the single photon detection method comprises:
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