KR20160093572A - 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치 - Google Patents

고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치는 고속 단일광자 검출기의 출력단과 전기적으로 연결되고, 상기 출력단의 접합 커패시턴스(junction capacitance)에 대응하는 커패시턴스를 가지는 보조회로를 포함하고, 상기 보조회로에 기반하여, 상기 출력단의 출력 신호 중 상기 고속 단일광자 검출기의 입력 신호의 미분 성분(capacitive response)을 제거할 수 있다.

Description

고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치{APPARATUS FOR REDUCING TRANSIENT RESPONSE OF HIGH SPEED SINGLE PHOTON DETECTOR}
본 발명은 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 양자암호통신에서는 단일광자(single photon)의 양자역학적 특성이 이용된다. 그러나, 현재의 기술로는 순수 단일광자를 송신하는 광원을 생성하기 어려우므로, 다중광자(multiple photon)가 일정 확률로 방사되는데, 이는 보안성에 심각한 위협을 초래하게 된다. 양자 상태는 복제불가능하다는(non-cloning theorem) 이론적 근거를 통해 무조건적인 보안성을 보장받는다. 그러나, 둘 이상의 다중광자가 광원으로부터 생성되는 경우, 그 중 하나를 도청자가 취득한 후 이를 통해 정보를 빼낼 수 있기 때문이다.
도 1은 상용화된 단일광자 검출기를 나타내는 도면이다.
상용화된 단일 광자 검출기는 반도체 기반으로 제작되므로, 접합부위에 접합부위에 접합 커패시턴스(junction capacitance, 110)가 필연적으로 발생하게 된다.
즉, 부하저항(120)을 연결하여 출력신호(VOUT)를 추출하게 되면, 전체 회로는 도면에 도시된 바와 같이 '미분기'처럼 동작을 하게 된다. 따라서 출력 신호에는 원하는 신호뿐만 아니라 입력신호(130)의 미분성분까지 포함이 되며, 이를 Capacitive Response라고 정의한다.
원하는 신호를 추출하여 비트정보를 정확하게 판단하기 위해서는 출력 전압이 Capacitive Response보다 높아야 하는데, 이 조건을 만족하기 위해서는 단일광자 검출기에 매우 큰 바이어스 전압을 걸어야 하는 문제점이 있다.
위와 같이, 광자에 의한 신호와 Capacitive Response를 명확하게 구분하기 위해서는 단일광자 검출기에 인가하는 바이어스 전압을 증가시켜 광자에 의한 출력전압을 높이면, 시스템 전체의 안정도를 떨어뜨리는 결과를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 고속 단일광자 검출기의 Capacitive Response를 감소시키는 과도 응답 억제 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 임의의 주파수에 대해서도 고속 단일광자 검출기의 Capacitive Response를 감소시키는 과도 응답 억제 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치는 고속 단일광자 검출기의 출력단과 전기적으로 연결되고, 상기 출력단의 접합 커패시턴스(junction capacitance)에 대응하는 커패시턴스를 가지는 보조회로를 포함하고, 상기 보조회로에 기반하여, 상기 출력단의 출력 신호 중 상기 고속 단일광자 검출기의 입력 신호의 미분 성분(capacitive response)을 제거할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 상기 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터로 모델링된 배랙터 다이오드(varactor diode)를 포함하고, 상기 배랙터 다이오드의 일단에 상기 입력 신호와 위상이 180도 차이 나는 신호가 인가되고, 상기 배랙터 다이오드의 다른 일단은 상기 출력단과 전기적으로 연결될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 인가되는 직류전압을 따라, 상기 배랙터 다이오드의 커패시턴스를 조절할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 상기 접합 커패시턴스에 대응하는 커패시턴스를 가지는 칩 커패시터를 포함하고, 상기 칩 커패시터의 일단에 상기 입력 신호와 위상이 180도 차이 나는 신호가 인가되고, 상기 칩 커패시터의 다른 일단은 상기 출력단과 전기적으로 연결될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 상기 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터, 일단은 상기 커패시터와 연결되고, 다른 일단은 그라운드와 연결되며, 상기 고속 단일광자 검출기의 출력단의 부하저항과 동일한 저항값을 가지는 저항, 및 상기 출력단의 신호 및 상기 저항의 일단에서 출력되는 신호의 차를 출력하여, 상기 미분 성분을 제거하는 차동 증폭기를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 광 입력이 없는 다른 고속 단일광자 검출기를 포함하고, 상기 커패시터 및 상기 저항은 상기 다른 고속 단일광자 검출기에 포함될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 보조회로는 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 증가시키는 필터를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 필터는 저역통과 여파기(lowpass filter)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고속 단일광자 검출기의 Capacitive Response를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 임의의 주파수에 대해서도 고속 단일광자 검출기의 Capacitive Response를 감소시킬 수 있다.
도 1은 상용화된 단일광자 검출기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과도 응답 억제 장치 및 고속 단일광자 검출기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제1예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제2예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제2예에 포함되는 여러 신호들을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
한편, 도면에서 도시된 구성의 크기 및 배치 등은 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 즉, 각 구성요소의 크기 및 배치 등은 실제크기 및 실제배치를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과도 응답 억제 장치 및 고속 단일광자 검출기를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치(240)는 고속 단일광자 검출기(210, 220)의 출력단(250)과 전기적으로 연결될 수 있다.
고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치(240)는 보조회로(241)를 포함할 수 있다. 여기서, 보조회로(241)는 고속 단일광자 검출기(210, 220)의 출력단(250)의 접합 커패시턴스(junction capacitance)에 대응하는 커패시턴스를 가질 수 있는데, 이를 통하여, 출력단(250)으로 출력되는 출력 신호 중 고속 단일광자 검출기(210, 220)에 입력되는 입력 신호(230)의 미분 성분을 제거할 수 있다.
이하, 고속 단일광자 검출기(210, 220)의 출력단(250)의 접합 커패시턴스에 대응하는 커패시턴스를 통하여, 고속 단일광자 검출기(210, 220)에 입력되는 입력 신호(230)의 미분 성분(capacitive response)을 제거하는 예를 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제1예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 제1예를 참조하면, 보조회로(340)는 커패시터로 모델링된 배랙터 다이오드(varactor diode, 341)를 포함할 수 있다. 여기서, 커패시터로 모델링된 배랙터 다이오드(341)는 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력단(350)의 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지도록 모델링될 수 있다. 구체적으로, 고속 단일광자 검출기(310, 320)가 갖고 있는 접합 커패시턴스의 값을 알고 있으므로, 이와 동일한 커패시턴스를 가지는 배랙터 다이오드(341)를 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력단(350)과 연결할 수 있다.
여기서, 배랙터 다이오드(341)의 일단은 고속 단일광자 검출기(310, 320)에 입력되는 입력 신호(330)와 위상이 180도 차이 나는 신호(331)가 인가될 수 있다. 그리고, 배랙터 다이오드(341)의 다른 일단은 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력단(350)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이를 위해서, 보조회로(340)는 인버터 등의 소자를 더 포함할 수 있고, 이를 이용하여 고속 단일광자 검출기(310, 320)에 입력되는 입력 신호(330)와 위상이 180도 차이 나는 신호(331)를 배랙터 다이오드(341)의 일단에 인가할 수 있다.
위와 같은 구성을 통하여, 보조회로(340)는 고속 단일광자 검출기(310, 320)에서 출력되는 신호와 대칭되는 반대 신호를 출력할 수 있게 된다. 그리고, 보조회로(340)에서 출력되는 반대 신호와 고속 단일광자 검출기(310, 320)에서 출력되는 신호는 모두다 입력 신호(330)의 미분 성분을 포함하고 있고, 이 두 신호가 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력단(350)에서 합쳐지기 때문에, 결국, 입력 신호(330)의 미분 성분은 제거될 수 있게 된다.
한편, 고속 단일 광자 검출기(310, 320)의 접합 커패시턴스는 고정된 값이 아니라 입력 신호(330)의 전압에 의해 변동되는 값이다. 이러한 접합 커패시턴스의 변동을 고려하여, 두 출력 신호가 완벽한 대칭 구조를 이룰 수 있도록 배랙터 다이오드(341)의 커패시턴스 역시 변동될 필요가 있다.
이를 위해서, 보조회로(340)는 인가되는 직류전압을 조절하여 배랙터 다이오드(341)의 커패시턴스를 미세하게 변경할 수 있고, 보조회로(340)는 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력 신호와 더욱 유사한 반대 신호를 출력할 수 있게 된다.
이와 달리, 본 발명에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치에 포함되는 보조회로는 배랙터 다이오드(341) 대신 칩 커패시터를 포함할 수도 있다.
이러한 칩 커패시터를 통하여, 보조회로(340)가 고속 단일광자 검출기(310, 320)의 출력단(350)의 접합 커패시턴스에 대응하는 커패시턴스를 가지는 경우, 상대적으로 배랙터 다이오드(341)를 이용한 경우보다 성능은 조금 감소될 수 있다. 하지만, 배랙터 다이오드(341)를 이용한 경우보다 저렴한 제조 비용으로 보조회로(340)를 구현할 수 있고, 직류전압이 요구되지 않기 때문에, 보조회로(340)를 조금 더 단순하게 구현할 수 있게 된다.
결국, 위와 같은 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제1예는 배랙터 다이오드 또는 칩 커패시터를 이용하므로 기존의 공정을 그대로 이용하여 보조회로가 칩으로 제작될 수 있어 소형화가 가능하고, 그에 따라 대량생산 역시 용이하다는 장점을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제2예를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치의 제2예에 포함되는 여러 신호들을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4에 도시된 제2 예를 참조하면, 보조회로(440)는 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)의 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터(441), 저항(442) 및 차동 증폭기(443, 444, 445)를 포함할 수 있다.
여기서, 저항(442)은 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)의 부하저항(420)에 대응되는 구성으로, 해당 부하저항(420)과 동일한 저항값을 가질 수 있다. 그리고 저항(442)의 일단은 커패시터(441)와 전기적으로 연결되고, 다른 일단은 그라운드와 연결될 수 있다.
그리고, 차동 증폭기(443, 444, 445)는 입력되는 두 신호의 차를 생성하고 이를 증폭하여 출력하는 구성이다. 여기서, 차동 증폭기(443, 444, 445)는 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)에서 출력되는 신호와 저항(442)의 일단에서 출력되는 신호를 입력받고, 이 두 신호의 차를 출력하여, 입력 신호의 미분 성분이 제거된 신호를 출력할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 커패시터(441)와 전기적으로 연결된 저항(442)의 일단에서 출력되는 신호는 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)에서 출력되는 신호에 대응되는 신호로서, 고속 단일광자 검출기(410, 420)와 유사한 Capacitive Response를 포함할 수 있다. 그리고, 이 두 신호가 차동 증폭기(443, 444, 445)에 입력되면, 이들에 포함되어 있는 불필요한 고주파 성분 또는 왜곡 성분 등이 제거될 수 있게 된다.
한편, 여기서 설명된 커패시터(441) 및 저항(442)은 개별적인 소자일 수 있으나, 도 4에서와 같이 이들(441, 442)은 다른 고속 단일광자 검출기에 포함되는 소자일 수 있다.
즉, 보조회로(440)가 광 입력이 없는 다른 고속 단일광자 검출기(441, 442)를 포함할 수 있고, 앞서 설명한 커패시터(441) 및 저항(442)은 광 입력이 없는 다른 고속 단일광자 검출기(441, 442)의 일부 구성요소가 될 수 있다.
그리고, 보조회로(440)는 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 증가시키는 필터를 더 포함할 수 있다. 여기서, 필터는 저역통과 여파기(lowpass filter)를 포함할 수 있으며, 특히 저역통과 여파기는 Butterworth 종류가 이용될 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 여파기를 포함할 수 있다.
이하, 구체적인 동작을 도 5와 함께 설명한다.
도 5를 참조하면, 고속 단일광자 검출기(410, 420)에 인가되는 입력 신호(a), 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)에서 출력되는 신호(b), 저항(442)의 일단에서 출력되는 신호(c) 및 차동 증폭기(443, 444, 445)에서 생성되는 신호(d)를 확인할 수 있다.
먼저, 고속 단일광자 검출기(410, 420)의 출력단(450)에서 출력되는 신호(b) 및 저항(442)의 일단에서 출력되는 신호(c)를 살펴보면, 이들(b, c)은 서로 유사한 형태의 신호임을 확인할 수 있다. 구체적으로, 이들(b, c)은 유사한 Capacitive response(또는 과도응답, transient response)를 포함하고 있다.
그리고, 이 두 신호(b, c)가 차동 증폭기(443, 444, 445)에 입력되면, 차동 증폭기(443)는 두 신호(b, c)의 차에 해당하는 신호(d)를 생성할 수 있다. 여기서, 두 신호(b, c)의 차에 해당하는 신호(d)는 앞서 설명한 Capacitive response가 제거되어 있음을 확인할 수 있다. 즉, 두 신호(b, c)들에 포함되어 있는 불필요한 고주파 성분, 왜곡 성분 또는 입력 신호(a)의 미분성분 등이 제거된 신호(d)가 생성될 수 있음을 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치는 높은 바이어스 전압이 인가되지 않더라도, 고속 단일광자 검출기의 Capacitive Response를 감소시킬 수 있다. 그리고, 종래의 단일광자 검출기는 고정된 단일 주파수에서만 적용이 가능했으나, 본 발명에 따르면 임의의 주파수에 대해서도 동작이 가능하다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (8)

  1. 고속 단일광자 검출기의 출력단과 전기적으로 연결되고, 상기 출력단의 접합 커패시턴스(junction capacitance)에 대응하는 커패시턴스를 가지는 보조회로를 포함하고,
    상기 보조회로에 기반하여, 상기 출력단의 출력 신호 중 상기 고속 단일광자 검출기의 입력 신호의 미분 성분(capacitive response)을 제거하는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    상기 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터로 모델링된 배랙터 다이오드(varactor diode)를 포함하고,
    상기 배랙터 다이오드의 일단에 상기 입력 신호와 위상이 180도 차이 나는 신호가 인가되고,
    상기 배랙터 다이오드의 다른 일단은 상기 출력단과 전기적으로 연결되는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    인가되는 직류전압을 따라, 상기 배랙터 다이오드의 커패시턴스를 조절하는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    상기 접합 커패시턴스에 대응하는 커패시턴스를 가지는 칩 커패시터를 포함하고,
    상기 칩 커패시터의 일단에 상기 입력 신호와 위상이 180도 차이 나는 신호가 인가되고,
    상기 칩 커패시터의 다른 일단은 상기 출력단과 전기적으로 연결되는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    상기 접합 커패시턴스와 동일한 커패시턴스를 가지는 커패시터;
    일단은 상기 커패시터와 연결되고, 다른 일단은 그라운드와 연결되며, 상기 고속 단일광자 검출기의 출력단의 부하저항과 동일한 저항값을 가지는 저항; 및
    상기 출력단의 신호 및 상기 저항의 일단에서 출력되는 신호의 차를 출력하여, 상기 미분 성분을 제거하는 차동 증폭기를 포함하는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    광 입력이 없는 다른 고속 단일광자 검출기를 포함하고,
    상기 커패시터 및 상기 저항은,
    상기 다른 고속 단일광자 검출기에 포함되는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보조회로는,
    신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 증가시키는 필터를 포함하는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필터는,
    저역통과 여파기(lowpass filter)를 포함하는 고속 단일광자 검출기의 과도 응답 억제 장치.
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