KR20140051735A - 반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법 - 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.

Description

반전계수를 이용한 단일 광자 검출장치 및 방법{Method and Apparatus for Detecting Single Photon by Reverse Counting}
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.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
양자 암호 통신을 비롯한 정보 통신 기술의 발달과 함께 단일 광자 수준의 미약한 광 신호를 검출하는 기술의 중요성이 증가하고 있다.
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.
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 있다.
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.
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.
상기 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode)이고, 상기 전기적인 신호는 아발란치 신호를 포함할 수 있다.
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.
상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출장치를 예시한 도면이다.
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.
게이트신호 발생부(110)는 게이트 신호를 발생시키고, 발생된 게이트 신호를 아발란치 포토 다이오드(120)에 전달한다.
아발란치 포토 다이오드(120)는 광자 송신원으로부터 광자를 수신하여 전기적인 신호를 출력한다.
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.
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.
전술하였듯이, 단일 광자와 같이 미세한 광 신호를 검출하기 위해서 아발란치 포토다이오드(120)를 사용하여 도 2와 같이 게이티드 가이거 모드로 동작시킬 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
본 발명의 실시예에 따른 반전부(130)는 아발란치 포토 다이오드(120)의 출력신호의 극성을 반전시켜 반전신호를 출력한다.
도 4는 정전용량성 응답만 출력되는 경우와 광자 등의 입력 등에 의해 미약한 아발란치가 발생하였을 때에 반전부에(130)서 출력되는 반전신호의 파형을 도시한 도면이다.
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.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출방법을 간략하게 나타낸 흐름도이다.
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.
전술하였듯이, 수광소자는 아발란치 포토 다이오드(120)를 사용하여, 전기적인 신호는 아발란치 신호 및 정전용량성 신호를 포함할 수 있다.
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.
또한, 아발란치 포토 다이오드(120)는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작될 수 있다.
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.
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.
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.

Claims (6)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 판별부는 상기 반전신호의 크기가 문턱값보다 작은지 여부에 따라 광자의 수신여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 문턱값은 상기 아발란치 포토 다이오드의 반전된 정전용량성 응답의 소정의 진폭보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아발란치 포토 다이오드는 게이티트 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출장치.
  6. 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 판별과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출방법.
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