KR20160048436A - Apparatus for Detecting Single Photon and Method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예들은 단일 광자를 검출하는 장치 및 검출하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로, 복수의 광자 검출기를 사용하여 단일 광자를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.Embodiments relate to an apparatus and method for detecting a single photon, and more specifically to an apparatus and method for detecting a single photon using a plurality of photon detectors.
단일 광자를 검출할 수 있는 단일 광자 검출기는 양자 암호 시스템의 중요한 구성 요소일 뿐만 아니라 라이더(lidar) 센서, 광학 실험 등에서도 매우 유용하게 사용된다. 일반적으로, 단일 광자 검출기로서 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode; APD)가 사용되며, APD는 단일 광자를 검출하기 위하여 내부 이득이 무한대에 달하는 가이거 모드(Geiger mode)에서 동작한다. A single photon detector capable of detecting a single photon is not only an important component of a quantum cryptography system, but is also very useful in lidar sensors, optical experiments, and the like. In general, an avalanche photodiode (APD) is used as a single photon detector, and the APD operates in a Geiger mode in which the internal gain reaches infinity to detect a single photon.
한편, APD의 게이팅 신호가 예를 들면 약 1GHz 이상의 고주파수를 가질 경우, 게이팅(gating) 신호로서 큰 진폭을 갖는 사각파를 생성하는 데에 현재 기술적 한계가 있는 실정이다. 이 때문에, 고속 게이팅의 경우 광자를 검출하더라도 상대적으로 크기가 약한 애벌런치가 발생하게 된다. 그러나, APD가 가이거 모드에서 동작할 때에는 백그라운드 신호가 발생하기 때문에, 크기가 약한 애벌런치의 경우 백그라운드 신호와의 구분이 어려워 광자 검출의 정확성이 감소되는 문제점이 있다. On the other hand, when the gating signal of the APD has a high frequency of about 1 GHz or more, for example, there is a technical limitation in generating a square wave having a large amplitude as a gating signal. For this reason, in the case of high-speed gating, even when photons are detected, relatively small avalanche occurs. However, since the background signal is generated when the APD operates in the Geiger mode, it is difficult to distinguish the APD from the background signal in the case of a weak avalanche, which reduces the accuracy of the photon detection.
이를 해결하기 위해 초과 바이어스 전압(excess bias voltage)을 증가시킴으로써 광자 검출의 정확도를 높일 수 있으나, 이 경우, APD의 애프터펄스 노이즈(after pulse noise)도 함께 증가하는 단점이 있다. 특히, 게이팅 신호의 주파수가 높을수록 게이팅 시간 간격이 짧아져 애프터펄스 노이즈가 충분히 소멸되지 않게 된다. In order to solve this problem, it is possible to increase the accuracy of photon detection by increasing the excess bias voltage. However, in this case, there is also a disadvantage that the after pulse noise of the APD also increases. In particular, the higher the frequency of the gating signal is, the shorter the gating time interval becomes, and the after-pulse noise is not sufficiently eliminated.
이를 해결하기 위해, 도 1에 도시된 구조의 단일 광자 검출 장치가 애프터펄스 노이즈를 감소시키기 위한 기술로서 제안된 바 있다. 도 1의 단일 광자 검출기는, APD(11)의 출력 신호가 전력 분배기(12)의 두 개의 포트로 전달되고, 그 중 하나의 포트의 출력신호만 지연선(13)을 통과하게 한다. 이에 따라, APD(11)의 출력 신호 및 게이팅 주기만큼 지연된 APD(11)의 출력 신호가 결합기(14)로 입력되고, 결합기(14)는 두 입력 신호의 비교 결과를 출력함으로써 애벌런치의 발생 여부를 판단할 수 있다.To solve this problem, a single photon detection apparatus having the structure shown in Fig. 1 has been proposed as a technique for reducing after-pulse noise. The single photon detector of Figure 1 allows the output signal of
도 1의 단일 광자 검출기는 애프터펄스 노이즈를 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, APD의 출력 신호 및 동일한 APD의 지연된 출력 신호를 비교하므로, 애벌런치 계수율(count rate)이 게이팅 주파수의 절반으로 감소하는 문제가 생긴다. The single photon detector of FIG. 1 has the advantage of reducing the after-pulse noise. However, since the output signal of the APD and the delayed output signal of the same APD are compared, the avalanche count rate is reduced to half of the gating frequency .
본 발명의 일 측면에 의하면, 낮은 애프터펄스 노이즈, 단일 광자 검출의 높은 정확도 및 게이팅 주파수와 동일한 계수율을 가질 수 있는 단일 광자 검출 장치 및 방법을 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a single photon detection apparatus and method that can have a low after-pulse noise, a high accuracy of single photon detection, and a counting rate equal to the gating frequency.
일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치는, 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 제 1 증폭기; 증폭된 상기 제 1 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 1 광자 검출기; 제 2 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 2 광자 검출기; 및 상기 제 1 광자 검출기의 출력과 상기 제 2 광자 검출기의 출력을 결합하는 결합기를 포함할 수 있다.A single photon detection apparatus according to an embodiment includes: a first amplifier that amplifies a first gating signal; A first photon detector for detecting a single photon in accordance with the amplified first gating signal; A second photon detector for detecting a single photon in accordance with a second gating signal; And a coupler coupling the output of the first photon detector and the output of the second photon detector.
일 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법은, 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 단계; 증폭된 상기 제 1 게이팅 신호를 제 1 광자 검출기로 입력하는 단계; 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계; 및 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 결합하는 단계를 포함할 수 있다.A single photon detection method according to an embodiment includes: amplifying a first gating signal; Inputting the amplified first gating signal to a first photon detector; Inputting a second gating signal to a second photon detector; And combining the output signal of the first photon detector with the output signal of the second photon detector.
본 발명의 일 측면에 따른 단일 광자 검출 장치에 따르면, 상대적으로 크기가 약한 애벌런치도 높은 정확도로 검출함으로써, 예를 들면 양자 키 분배 시스템이 고속으로 동작할 때에도 단일 광자를 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 애프터펄스 노이즈를 감소시킴으로써 양자 비트 에러율(Quantum Bit Error Rate; QBER)을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 단일 광자 검출 횟수의 계수율을 증가시킬 수 있기 때문에, 더욱 효율적으로 단일 광자를 검출할 수 있다.According to the single photon detection apparatus according to an aspect of the present invention, by detecting the relatively small avalanche with high accuracy, for example, even when the quantum key distribution system is operating at high speed, it can accurately detect a single photon . Also, the quantum bit error rate (QBER) can be reduced by reducing the after-pulse noise. In addition, since the counting rate of the number of single photon detections can be increased, a single photon can be detected more efficiently.
도 1은 종래의 단일 광자 검출 장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 단일 광자가 검출될 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 광자 검출기 및 결합기의 출력을 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 4는 광자가 검출되는 경우와 검출되지 않을 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 광자 검출기 및 결합기의 출력 파형을 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다.1 is a schematic diagram of a conventional single photon detection device.
2 is a diagram showing a schematic structure of a single photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary graph illustrating the output of a photon detector and combiner of a single photon detection device according to an embodiment of the present invention when a single photon is detected.
4 is an exemplary graph showing the output waveforms of a photon detector and combiner of a single photon detection device according to an embodiment of the present invention when photons are detected and not detected.
5 is a diagram showing a schematic structure of a single photon detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a schematic structure of a single photon detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a procedure of a single photon detection method according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram showing a schematic structure of a single photon detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치(20)는 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 제 1 증폭기(21), 증폭된 상기 제 1 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 1 광자 검출기(22), 제 2 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 2 광자 검출기(23) 및 제 1 광자 검출기(22)의 출력과 제 2 광자 검출기(23)의 출력을 결합하는 결합기(24)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, a single
제 1 광자 검출기(22) 또는 제 2 광자 검출기(23)는 예를 들면 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode; APD)일 수 있다. 제 1 광자 검출기(22) 는 제 1 증폭기(21)에 의해 증폭된 제 1 게이팅 신호에 의해 게이팅되며, 제 2 광자 검출기(23)를 게이팅하는 제 2 게이팅 신호는 펄스 생성기 등으로부터 입력된 게이트 펄스(gate pulse)일 수 있다.The
제 1 증폭기(21)는 제 1 광자 검출기(22)를 게이팅하기 위한 게이팅 신호 또는 게이팅 펄스를 증폭한다. 도 2에서 제 1 증폭기(21)는 예시적으로 제 1 광자 검출기(22)에 연결된 것으로 도시된 것일 뿐, 제 1 증폭기(21)는 제 2 광자 검출기(23)에 연결되어 있을 수도 있다. The
실시예들에 따른 단일 광자 검출 장치는 복수의 광자 검출기를 포함하며, 각각의 광자 검출기는 미세한 특성 차이를 갖는다. 이러한 소자의 특성 차이 때문에, 각각의 광자 검출기는 크기가 서로 다른 백그라운드(background) 신호를 가질 수 있다. 따라서, 제 1 증폭기(21)는 제 1 광자 검출기(22)로 입력되는 게이팅 신호를 증폭함으로써, 제 1 광자 검출기(22)의 백그라운드 신호와 제 2 광자 검출기(23)의 백그라운드 신호의 차이를 조정한다. 예를 들면, 제 1 광자 검출기(22)의 백그라운드 신호와 제 2 광자 검출기(23)의 백그라운드 신호는 동일해 지도록 조정될 수 있다. 이 때, 제 1 증폭기(21)는 예를 들면 가변저항을 포함함으로써 가변적인 증폭비(gain)를 가질 수 있다.The single photon detection apparatus according to the embodiments includes a plurality of photon detectors, each of which has a minute characteristic difference. Because of the difference in characteristics of these devices, each photon detector can have different background signals of different sizes. Therefore, the
결합기(24)는 제 1 광자 검출기(22)의 출력 신호와 제 2 광자 검출기(23)의 출력 신호를 입력으로 받아 두 신호를 결합한다. 예를 들면, 결합기(24)는 제 1 광자 검출기(22)의 출력 신호로부터 제 2 광자 검출기(23)의 신호를 감산함으로써 두 신호의 차이를 나타내는 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 결합기(24)는 두 신호를 차동 증폭함으로써 두 신호의 차이를 출력하는 차동증폭기(differential amplifier)일 수 있다.The
일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치에서 단일 광자가 검출될 경우의 광자 검출기 및 결합기의 예시적 출력을 도 3을 참조하여 설명한다. An exemplary output of a photon detector and combiner when a single photon is detected in a single photon detection apparatus according to one embodiment will now be described with reference to Fig.
복수의 광자 검출기를 포함하는 단일 광자 검출 장치에서는, 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer) 현상에 의해 복수의 광자 검출기 중 하나의 광자 검출기에서만 광자가 검출된다. 즉, 제 1 광자 검출기 및 제 2 광자 검출기 중 항상 한 쪽에서만 애벌런치 신호가 발생한다. In a single photon detection apparatus including a plurality of photon detectors, a photon is detected in only one of the plurality of photon detectors by a Mach-Zehnder interferometer phenomenon. That is, the avalanche signal is always generated from only one of the first photon detector and the second photon detector.
예를 들면, 양자 키 분배 시스템의 수신부(Bob)의 빔 스플리터(beam splitter)에 의해 나누어진 두 빛 펄스가 송신부(Alice)를 거쳐 다시 수신부(Bob) 돌아와 보강간섭을 일으킬 경우, 제 1 광자 검출기가 클릭(click)되어 제 1 광자 검출기로부터 애벌런치 신호(31)가 출력된다. 반면, 제 2 광자 검출기는 클릭되지 않기 때문에 백그라운드 신호(32)만을 출력한다. 이후, 결합기는 제 2 광자 검출기의 출력 신호(32)로부터 제 1 광자 검출기의 출력 신호(31)를 감산하여 두 신호의 차이를 나타내는 신호(33)를 출력함으로써 크기가 약한 애벌런치가 발생한 경우에도 피크를 출력할 수 있게 된다. 따라서, 결합기는 출력 신호로서 예를 들면 음의 피크를 출력하여 약한 애벌런치도 검출할 수 있도록 한다. For example, when two light pulses divided by a beam splitter of a receiving part Bob of a quantum key distribution system return through a transmitting part (Alice) to a receiving part (Bob) and cause constructive interference, the first photon detector Is clicked to output the
한편, 상쇄간섭의 경우, 제 1 광자 검출기는 클릭되지 않아 백그라운드 신호(34)만을 출력하고, 클릭된 제 2 광자 검출기는 애벌런치 신호(35)를 출력한다. 따라서, 결합기는 예를 들면 제 2 광자 검출기의 출력 신호(35)로부터 제 1 광자 검출기의 출력 신호(34)를 감산함으로써 양의 피크를 갖는 신호(36)를 출력한다. On the other hand, in the case of destructive interference, the first photon detector is not clicked to output only the
다시 도 2를 참고하면, 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치(20)는 결합기(24)와 연결된 비교기(25)를 더 포함할 수 있으며, 상기 특정 값은 비교기(25)에 미리 저장되어 있을 수 있다. 비교기(25)는 애벌런치 신호를 포함하는 결합기(24)의 출력 신호와 특정 DC값을 비교하여 단일 광자의 검출 여부를 확인할 수 있다. 이 때, 비교기(25)는 결합기(24)의 출력 신호를 특정 양의 값과 비교하는 제 1 비교기(26) 및 결합기(24)의 출력 신호를 특정 음의 값과 비교하는 제 2 비교기(27)를 포함할 수 있다. Referring again to FIG. 2, the single
예를 들면, 도 3의 출력 파형에서와 같이, 제 1 광자 검출기가 클릭되어 결합기가 음의 피크를 갖는 신호(33)를 출력한 경우, 제 2 비교기는 결합기의 출력 신호를 문턱 레벨(threshold level)인 특정 음의 값과 비교한다. 결합기의 출력 신호가 문턱 레벨과 같거나 문턱 레벨보다 낮은 값을 가질 경우, 제 2 비교기는 광자가 검출되었다고 판단하며, 구체적으로 제 1 광자 검출기에서 광자가 검출되었음을 판단할 수 있다. For example, as in the output waveform of Figure 3, when the first photon detector is clicked and the coupler outputs a
유사한 과정으로, 제 1 비교기는 결합기의 출력 신호를 문턱 레벨인 특정 양의 값과 비교하여, 출력 신호가 문턱 레벨 이상인 경우, 제 2 광자 검출기에서 광자가 검출되었음을 알 수 있다. In a similar process, the first comparator compares the output signal of the coupler with a specific amount of the threshold level, and if the output signal is above the threshold level, the photon is detected in the second photon detector.
단일 광자 검출 장치가 양자 암호 시스템에 적용될 경우, 비교기는 제 1 광자 검출기에서 광자가 검출된 경우와 제 2 광자 검출기에서 광자가 검출된 경우를 구분하여, 제 1 광자 검출기에서 광자가 검출된 경우 0을 출력하고, 제 2 광자 검출기에서 광자가 검출된 경우 1을 출력함으로써 비밀 키(secure key)를 생성하기 위한 비트들을 출력할 수 있다. When the single photon detection apparatus is applied to the quantum cryptography system, the comparator distinguishes between the case where the photon is detected in the first photon detector and the case in which the photon is detected in the second photon detector, and when the photon is detected in the first photon detector, And outputting 1 when a photon is detected in the second photon detector, thereby outputting bits for generating a secure key.
도 4는 광자가 검출되는 경우와 검출되지 않을 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 광자 검출기 및 결합기의 출력 파형을 나타내는 예시적인 그래프이다.4 is an exemplary graph showing the output waveforms of a photon detector and combiner of a single photon detection device according to an embodiment of the present invention when photons are detected and not detected.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 광자 검출기와 제 2 광자 검출기를 게이팅하기 위한 게이트 펄스(40)는 일정한 주기의 사각파일 수 있다. As shown in FIG. 4, the
광자가 검출되지 않을 경우, 복수의 광자 검출기는 신호(41) 및 신호(42)와 같이 백그라운드 신호만을 출력한다. 백그라운드 신호는 게이트 펄스(40)에 게이팅되어 나타난다. When no photons are detected, the plurality of photon detectors output only background signals, such as
반면, 광자가 검출된 경우 복수의 광자 검출기의 예시적인 출력은 신호(43)및 신호(44)에 나타난 바와 같다. 제 1 광자 검출기의 출력 신호(43)는 게이트 펄스(40)의 도시된 두 번째 주기에서 약한 애벌런치 신호를 포함하며, 네 번째 주기에서 강한 애벌런치 신호를 포함한다. 즉, 두 번째 및 네 번째 주기에 제 1 광자 검출기에서 단일 광자가 검출된다. 한편, 제 2 광자 검출기의 출력 신호(44)는 게이트 펄스(40)의 도시된 여섯 번째 주기에서 약한 애벌런치 신호를 포함하며, 여덟 번째 주기에서 강한 애벌런치 신호를 포함한다. 즉, 여섯 번째 및 여덟 번째 주기에는 제 2 광자 검출기에서 단일 광자가 검출된다. On the other hand, when photons are detected, the exemplary outputs of the plurality of photon detectors are as shown in
결합기의 출력 신호(45)를 살펴보면, 단일 광자가 검출된 모든 구간에서 음 또는 양의 피크를 나타내며, 약한 애벌런치 신호에 대하여는 낮은 피크를, 강한 애벌런치 신호에 대하여는 높은 피크를 나타낸다. 결합기의 출력 신호(45)는 제 1 광자 검출기에서 검출된 경우 음의 피크를, 제 2 광자 검출기에서 검출된 경우 양의 피크를 나타냄으로써 어느 광자 검출기에서 언제 광자가 검출되었는지 구분할 수 있도록 한다.Looking at the
예를 들면, 일 실시예에서, 제 1 비교기는 양의 DC값과 신호(45)를 비교하여 상기 양의 DC값 이상인 신호가 나타나는 구간, 즉, 여섯 번째 및 여덟 번째 주기에서 제 2 광자 검출기에서 광자가 검출되었음을 알 수 있다. 마찬가지로 제 2 비교기는 음의 DC값과 신호(45)를 비교하여 상기 음의 DC값보다 낮은 신호가 나타나는 구간, 즉, 두 번째 및 네 번째 주기에서 제 1 광자 검출기에서 광자가 검출되었음을 알 수 있다.For example, in one embodiment, the first comparator may compare the
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.5 is a diagram showing a schematic structure of a single photon detection apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참고하면, 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치(500)는 제 1 증폭기(501), 제 1 광자 검출기(503), 제 2 광자 검출기(504), 결합기(507)에 더불어 제 2 증폭기(502)를 포함할 수 있다. 5, a single
제 2 증폭기(502)는 제 2 광자 검출기(504)로 입력되는 제 2 게이팅 신호를 증폭함으로써, 제 1 증폭기(501)와 함께, 제 1 광자 검출기(503)의 백그라운드 신호와 제 2 광자 검출기(504)의 백그라운드 신호의 차이를 조정한다. 이 때, 제 2 증폭기(502)는 예를 들면 가변저항을 포함함으로써 가변적인 증폭비를 가질 수 있으며, 이로써 복수의 광자 검출기의 백그라운드 신호를 동일하게 만들 수 있다. The
일 실시예에서, 단일 광자 검출 장치(500)는 제 1 광자 검출기(503)의 출력 신호를 증폭하는 제 3 증폭기(505) 및 제 2 광자 검출기(504)의 출력 신호를 증폭하는 제 4 증폭기(506)를 더 포함할 수 있다. 게이팅 신호의 크기가 예를 들면 3V 정도로 작을 경우, 제 1 및 제 2 광자 검출기(503, 504)의 출력 신호 또한 작은 값을 갖기 때문에, 추후 신호의 비교 또는 관찰을 위해서는 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 것이 유리하다. 이 때, 제 3 증폭기(505) 및 제 4 증폭기(506)는 예를 들면 가변저항을 포함함으로써 가변적인 증폭비를 가질 수 있다. In one embodiment, the single
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치의 개략적인 구조도로서, 이하 도 6을 참고하여 단일 광자 검출 장치의 동작을 설명한다.FIG. 6 is a schematic structural view of a single photon detection apparatus according to another embodiment of the present invention, and the operation of the single photon detection apparatus will be described with reference to FIG.
단일 광자 검출 장치에 포함된 FPGA(Field Programmable Gate Array)(610)는 광자 검출기를 게이팅하기 위한 펄스를 생성하는 펄스 생성기(611)를 포함하며, 펄스 생성기(611)는 서로 다른 게이트 펄스를 생성하는 복수의 채널을 포함한다. 펄스 생성기(611)에서 생성된, 예를 들면 도 3에 도시된 게이트 펄스(40)와 같은 제 1 게이팅 신호 및 제 2 게이팅 신호는 각각 제 1 증폭기(601) 및 제 2 증폭기(602)에 전달되어, 제 1 광자 검출기(603) 및 제 2 광자 검출기(604)의 백그라운드 신호가 차이를 갖지 않도록 증폭된다. 증폭된 게이팅 신호는 바이어스 전압(613)이 인가되는 바이어스 티(Bias Tee)(614)에 전달되고, 바이어스 티(614)는 제 1 광자 검출기(603) 및 제 2 광자 검출기(604)에 게이팅 신호를 전달한다. A Field Programmable Gate Array (FPGA) 610 included in the single photon detection apparatus includes a
제 1 광자 검출기(603) 및 제 2 광자 검출기(604)의 출력 신호는 제 3 증폭기(605) 및 제 4 증폭기(606)를 거쳐 신호의 분석 및 관찰이 용이한 크기로 증폭되어 결합기(607)로 입력된다. 결합기(607)는 두 신호가 상이한 부분에서 피크를 나타내는 신호를 출력하고, 결합기(607)의 출력 신호는 양의 값과 비교하는 제 1 비교기(608) 및 음의 값과 비교하는 제 2 비교기(609)에 입력된다. 애벌런치 신호의 발생을 나타내는 비교기(608, 609)의 출력은 카운터(612)가 포함된 FPGA(610)로 입력된다. The output signals of the
도 6에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 장치는 비교기(608, 609)의 출력 신호에 따라 단일 광자의 검출 횟수를 계수하는 카운터(612)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 카운터(612)는, 어떠한 광자 검출기에서 몇 개의 광자가 검출되었는지를 구분하기 위하여, 제 1 비교기(608)의 출력 신호에 포함된 피크를 계수하는 제 1 카운터 및 제 2 비교기(609)의 출력 신호에 포함된 피크를 계수하는 제 2 카운터를 포함할 수 있다. 6, the single photon detection apparatus according to an embodiment may further include a
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다. 7 is a flowchart illustrating a procedure of a single photon detection method according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면, 단일 광자 검출 방법(700)은 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 단계 (701); 증폭된 상기 제 1 게이팅 신호를 제 1 광자 검출기로 입력하는 단계(702); 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계(703); 및 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 결합하는 단계(704)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the single
이 때, 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 단계(701)는 제 1 게이팅 신호를 가변적인 증폭비로 증폭함으로써 상기 제 1 광자 검출기의 백그라운드(background) 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 백그라운드 신호의 차이를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, the
일 실시예에서, 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계(703)는, 상기 제 2 게이팅 신호를 증폭하는 단계; 및 증폭된 상기 제 2 게이팅 신호를 상기 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계(703)에 포함된 상기 제 2 게이팅 신호를 증폭하는 단계는, 상기 제 2 게이팅 신호를 가변적인 증폭비로 증폭함으로써 상기 제 1 광자 검출기의 백그라운드 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 백그라운드 신호의 차이를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, inputting (703) a second gating signal to a second photon detector comprises: amplifying the second gating signal; And inputting the amplified second gating signal to the second photon detector, wherein inputting the second gating signal to the second photon detector may include inputting the second gating signal included in step (703) The step of amplifying may comprise adjusting the difference between the background signal of the first photon detector and the background signal of the second photon detector by amplifying the second gating signal with a variable amplification ratio.
또한, 일 실시예에서, 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 결합하는 단계(704)는, 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호의 차를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.Further, in one embodiment, combining (704) the output signal of the first photon detector and the output signal of the second photon detector further comprises combining the output signal of the first photon detector and the output signal of the second photon detector And outputting the difference between the first and second signals.
다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법은, 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 단계; 및 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to another embodiment, a single photon detection method includes: amplifying an output signal of the first photon detector; And amplifying the output signal of the second photon detector.
또 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법은, 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호가 결합된 신호를 특정 값과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호가 결합된 신호를 특정 값과 비교하는 단계는, 상기 결합된 신호를 특정 양의 값과 비교하는 단계 및 상기 결합된 신호를 특정 음의 값과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. The method of detecting a single photon according to another embodiment may further include comparing a signal obtained by combining an output signal of the first photon detector and an output signal of the second photon detector with a specific value. Wherein comparing the combined signal of the output signal of the first photon detector and the output signal of the second photon detector to a particular value comprises comparing the combined signal to a specific amount of value, And comparing the signal to a value of a particular tone.
또 다른 실시예에 따른 단일 광자 검출 방법은, 상기 결합된 신호와 특정 값의 비교 결과에 따라 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계는, 상기 결합된 신호와 특정 양의 값의 비교 결과에 따라 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계 및 상기 결합된 신호와 특정 음의 값의 비교 결과에 따라 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계를 포함할 수 있다. The single photon detection method according to another embodiment may further include a step of counting a single photon detection number according to a result of comparison between the combined signal and a specific value. The step of counting the number of single photon detections may include counting the number of single photon detections according to a result of comparing the combined signal with a specific amount value and comparing the combined signal with a specific sound value And counting the number of single photon detections.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
20 : 단일 광자 검출 장치 21 : 제 1 증폭기
22 : 제 1 광자 검출기 23 : 제 2 광자 검출기
24 : 결합기 25 : 비교기
26 : 제 1 비교기 27 : 제 2 비교기20: single photon detection device 21: first amplifier
22: First photon detector 23: Second photon detector
24: combiner 25: comparator
26: first comparator 27: second comparator
Claims (20)
증폭된 상기 제 1 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 1 광자 검출기;
제 2 게이팅 신호에 따라 단일 광자를 검출하는 제 2 광자 검출기; 및
상기 제 1 광자 검출기의 출력과 상기 제 2 광자 검출기의 출력을 결합하는 결합기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.A first amplifier for amplifying a first gating signal;
A first photon detector for detecting a single photon in accordance with the amplified first gating signal;
A second photon detector for detecting a single photon in accordance with a second gating signal; And
A combiner coupling an output of the first photon detector and an output of the second photon detector;
And a photodetector coupled to the photodetector.
상기 제 1 광자 검출기 또는 상기 제 2 광자 검출기는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode; APD)인 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the first photon detector or the second photon detector is an avalanche photodiode (APD).
상기 제 1 증폭기는, 상기 제 1 광자 검출기의 백그라운드(background) 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 백그라운드 신호의 차이를 조정하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the first amplifier adjusts a difference between a background signal of the first photon detector and a background signal of the second photon detector.
상기 제 1 증폭기의 증폭비는 가변적인 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the amplification ratio of the first amplifier is variable.
상기 제 2 게이팅 신호를 증폭하여 상기 제 2 광자 검출기로 전달하는 제 2 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
And a second amplifier amplifying the second gating signal and transmitting the amplified second gating signal to the second photon detector.
상기 제 2 증폭기의 증폭비는 가변적인 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.6. The method of claim 5,
And the amplification ratio of the second amplifier is variable.
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 제 3 증폭기 및 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 제 4 증폭기를 더 포함하며,
상기 제 3 증폭기 및 상기 제 4 증폭기의 증폭비는 가변적인 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
A third amplifier for amplifying an output signal of the first photon detector and a fourth amplifier for amplifying an output signal of the second photon detector,
Wherein amplification ratios of the third amplifier and the fourth amplifier are variable.
상기 결합기는 상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호의 차를 출력하는 차동 증폭기인 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the coupler is a differential amplifier that outputs a difference between an output signal of the first photon detector and an output signal of the second photon detector.
상기 결합기의 출력 신호를 특정 양의 값과 비교하는 제 1 비교기 및 상기 결합기의 출력 신호를 특정 음의 값과 비교하는 제 2 비교기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.The method according to claim 1,
A first comparator for comparing an output signal of the combiner with a specific amount of a value, and a second comparator for comparing an output signal of the combiner with a value of a specific tone.
상기 제 1 비교기 및 제 2 비교기의 출력 신호에 따라 단일 광자의 검출 횟수를 계수하는 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.10. The method of claim 9,
And a counter for counting the number of times of detection of a single photon in accordance with an output signal of the first comparator and the second comparator.
상기 카운터는 상기 제 1 비교기의 출력 신호에 포함된 피크를 계수하는 제 1 카운터 및 상기 제 2 비교기의 출력 신호에 포함된 피크를 계수하는 제 2 카운터를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 장치.11. The method of claim 10,
Wherein the counter comprises a first counter for counting the peak included in the output signal of the first comparator and a second counter for counting the peak included in the output signal of the second comparator.
증폭된 상기 제 1 게이팅 신호를 제 1 광자 검출기로 입력하는 단계;
제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계; 및
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.Amplifying a first gating signal;
Inputting the amplified first gating signal to a first photon detector;
Inputting a second gating signal to a second photon detector; And
And combining the output signal of the first photon detector with the output signal of the second photon detector.
상기 제 1 게이팅 신호를 증폭하는 단계는,
상기 제 1 게이팅 신호를 가변적인 증폭비로 증폭함으로써 상기 제 1 광자 검출기의 백그라운드(background) 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 백그라운드 신호의 차이를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.13. The method of claim 12,
Wherein the step of amplifying the first gating signal comprises:
And adjusting a difference between a background signal of the first photon detector and a background signal of the second photon detector by amplifying the first gating signal with a variable amplification ratio.
상기 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계는,
상기 제 2 게이팅 신호를 증폭하는 단계; 및
증폭된 상기 제 2 게이팅 신호를 상기 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.13. The method of claim 12,
Wherein the step of inputting the second gating signal to the second photon detector comprises:
Amplifying the second gating signal; And
And inputting the amplified second gating signal to the second photon detector.
상기 제 2 게이팅 신호를 제 2 광자 검출기로 입력하는 단계에 포함된 상기 제 2 게이팅 신호를 증폭하는 단계는,
상기 제 2 게이팅 신호를 가변적인 증폭비로 증폭함으로써 상기 제 1 광자 검출기의 백그라운드 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 백그라운드 신호의 차이를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.15. The method of claim 14,
Wherein the step of amplifying the second gating signal included in the step of inputting the second gating signal to the second photon detector comprises:
And adjusting the difference between the background signal of the first photon detector and the background signal of the second photon detector by amplifying the second gating signal with a variable amplification ratio.
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 단계; 및
상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 증폭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.13. The method of claim 12,
Amplifying an output signal of the first photon detector; And
Further comprising amplifying the output signal of the second photon detector.
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호를 결합하는 단계는,
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호의 차를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.13. The method of claim 12,
Wherein combining the output signal of the first photon detector and the output signal of the second photon detector comprises:
And outputting a difference between an output signal of the first photon detector and an output signal of the second photon detector.
상기 제 1 광자 검출기의 출력 신호와 상기 제 2 광자 검출기의 출력 신호가 결합된 신호를 특정 양의 값과 비교하는 단계 및 상기 결합된 신호를 특정 음의 값과 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.13. The method of claim 12,
Comparing the output signal of the first photon detector with the output signal of the second photon detector with a specific amount of the value and comparing the combined signal with a value of a specific tone / RTI >
상기 결합된 신호와 특정 값의 비교 결과에 따라 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.19. The method of claim 18,
And counting the number of single photon detections according to the comparison result of the combined signal and the specific value.
상기 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계는,
상기 결합된 신호와 특정 양의 값의 비교 결과에 따른 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계 및 상기 결합된 신호와 특정 음의 값의 비교 결과에 따른 단일 광자 검출 횟수를 계수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 광자 검출 방법.20. The method of claim 19,
Wherein the step of counting the single photon detection number comprises:
Counting the number of single photon detection times according to a result of comparing the combined signal with a specific amount value and counting a single photon detection number according to a result of comparing the combined signal with a specific sound value / RTI >
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