KR20210049233A - Device for detecting photon - Google Patents
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Abstract
Description
실시예로, 광자 검출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광자 랜턴(photonic lantern) 소자와 시간분해 검출(time-resolved detection) 기법을 이용한 광자 검출 장치에 관한 것이다.In an embodiment, it relates to a photon detection device, and more particularly, to a photon detection device using a photonic lantern device and a time-resolved detection technique.
빛을 구성하는 가장 작은 입자인 광자(photon)를 정보의 전달자로 활용하는 양자정보 기술이 최근 활발히 연구개발 되고 있다.Quantum information technology that utilizes photons, the smallest particles constituting light, as information carriers, has been actively researched and developed in recent years.
먼저, 양자통신 기술은 낱개의 광자마다 하나 또는 여러 개의 비트 (bit) 정보를 실어 원거리 통신에 활용하는 기술로서, 기존의 광통신 시스템이 제공하지 못하는 수준의 보안성을 제공한다. 여러 개의 광자에 실린 비트들을 조합하여 복잡한 정보를 처리하는 양자연산 기술은 현대 컴퓨터 기술로 접근하기 어려운 문제를 풀기 위해 개발되고 있으며, 개별 광자를 양자역학적으로 정밀 제어함으로써 기존의 측정기술이 갖는 근본적 잡음 한계를 돌파하는 양자측정/양자센싱 분야 역시 주목 받고 있다.First, quantum communication technology is a technology that loads one or several bits of information per photon and uses it for long-distance communication, and provides a level of security that conventional optical communication systems cannot provide. Quantitative computation technology, which processes complex information by combining bits carried in multiple photons, is being developed to solve problems that are difficult to access with modern computer technology, and by controlling individual photons with quantum mechanical precision, the fundamental noise of conventional measurement technology. The field of quantum measurement/quantum sensing, which breaks through the limits, is also attracting attention.
이렇게 단일 광자 제어에 기반한 양자기술의 실효성은 광자를 효율적으로 생성하는 문제와 더불어 효율적이며 균일한 광자 검출 기술에 크게 의존한다. The effectiveness of the quantum technology based on single photon control is highly dependent on the efficient and uniform photon detection technology along with the problem of generating photons efficiently.
즉, 양자통신의 경우 빠른 정보처리를 위해 여러 개의 단일광자 검출기를 동시에 동작해야 하며, 특히 양자연산이나 양자센싱의 경우 동시에 활용해야 하는 광자 개수보다 훨씬 많은 수의 검출기를 필요로 한다. 단일광자 검출기는 그 자체로 고가의 장비이며, 경우에 따라 초저온 진공 장비를 필요로 하므로, 개수를 늘리는 일은 기술의 실용성을 심각하게 저해한다.That is, in the case of quantum communication, several single-photon detectors must be operated simultaneously for fast information processing, and in particular, quantum computation or quantum sensing requires a much larger number of detectors than the number of photons to be used simultaneously. The single photon detector is itself an expensive equipment, and in some cases requires a cryogenic vacuum equipment, so increasing the number seriously impairs the practicality of the technology.
단일광자 양자정보/양자센싱 기술에 활용되는 단일광자 검출기는 크게 반도체 기반의 검출기와 초전도체 기반의 검출기로 구분할 수 있다. 반도체 기반 장치의 경우 소량을 제작하는 경우 상대적으로 경제적인 장점을 가지나 동작 파장에 따라 효율이 낮고 잡음이 큰 단점을 갖고 있으며, 초전도 기반 장치의 경우 잠재적으로 많은 소자를 집적할 수 있으며 전반적인 검출 성능이 우수하다는 장점을 갖지만 전체 장치의 부피가 크고 고가이다. 주어진 검출기 장치의 한계를 광학적 기법에 의해 극복하기 위한 노력으로서 시간다중화(time multiplexing) 기법을 활용한 광자수분별 검출기(photon number resolving detector)와 같은 구조가 제안된 바는 있으나, 많은 수의 검출기를 광학적 구조를 이용하여 하나의 검출기로 대체할 수 있는 기술은 알려진 바 없으며, 상술한 한계가 존재한다.Single photon detectors used in single photon quantum information/quantum sensing technology can be largely divided into semiconductor-based detectors and superconductor-based detectors. In the case of semiconductor-based devices, when manufacturing a small amount, they have relatively economic advantages, but they have low efficiency and large noise depending on the operating wavelength. In the case of superconducting-based devices, they can potentially integrate a large number of devices, and the overall detection performance is reduced. It has the advantage of being excellent, but the volume of the entire device is large and it is expensive. As an effort to overcome the limitations of a given detector device by an optical technique, a structure such as a photon number resolving detector using a time multiplexing technique has been proposed, but a large number of detectors have been proposed. There is no known technology that can be replaced with a single detector using an optical structure, and the above-described limitations exist.
실시예는 광자 검출 장치를 제공한다.The embodiment provides a photon detection device.
또한, 여러 개의 분리된 공간모드로 전파하는 광자들을 최소한의 단일광자 검출기를 이용하여 각 공간모드를 구분하여 검출할 수 있는 광자 검출 장치를 제공한다.In addition, there is provided a photon detection device capable of distinguishing and detecting photons propagating in several separate spatial modes by using a minimum single photon detector.
또한, 여러 분리된 공간모드를 하나의 멀티모드 광도파로로 결합하고, 별도의 공간모드로부터의 광자들이 각각 별도의 시간에 단일광자 검출기에 도달하게 하여 자원 효율성을 개선한 광자 검출 장치를 제공한다.In addition, there is provided a photon detection apparatus in which several separated spatial modes are combined into one multimode optical waveguide, and photons from separate spatial modes reach a single photon detector at separate times, thereby improving resource efficiency.
또한, 멀티모드 광도파로를 광분배기를 통해 복수의 단일광자 검출기에 연결하고 단일광자 검출기 사이의 동시계수를 측정함으로써 광자가 한 개씩 도달하는 상태 뿐만아니라 다수 개 도달하는 다광자 상태를 측정할 수 있는 광자 검출 장치를 제공한다.In addition, by connecting a multimode optical waveguide to a plurality of single photon detectors through an optical splitter and measuring the simultaneous coefficient between the single photon detectors, it is possible to measure not only the state of reaching one photon but also the state of reaching a plurality of multiphotons. It provides a photon detection device.
또한, 실용화 가능성이 큰 광 검출 장치를 제공한다.In addition, it provides a photodetector with a high possibility of practical use.
실시예에 따른 광자 검출 장치는 단일광자가 입사하는 복수 개의 단일모드 광도파로; 상기 복수 개의 단일모드 광도파로 각각에 연결되어 광자에 대한 시간을 지연하는 복수 개의 광지연부; 상기 복수 개의 광지연부와 연결되는 복수 개의 입력 단자 및 상기 입력 단자로 입력된 광자를 멀티 공간모드로 전파하는 출력 단자를 포함하는 광자 랜턴 소자; 상기 출력 단자와 연결된 멀티모드 광도파로; 상기 멀티모드 광도파로를 통과하는 광자를 검출하는 단일광자 검출기; 및 상기 단일광자 검출기에서 검출된 광자의 시간분포를 측정하는 시간분포 검출기;를 포함한다.A photon detection apparatus according to an embodiment includes a plurality of single mode optical waveguides in which a single photon is incident; A plurality of optical delay units connected to each of the plurality of single mode optical waveguides to delay a time for a photon; A photon lantern element including a plurality of input terminals connected to the plurality of optical delay units and an output terminal for propagating photons input through the input terminals in a multi-space mode; A multimode optical waveguide connected to the output terminal; A single photon detector for detecting photons passing through the multimode optical waveguide; And a time distribution detector for measuring a time distribution of the photons detected by the single photon detector.
상기 단일모드 광도파로는 단일모드 광섬유로 이루어질 수 있다.The single mode optical waveguide may be formed of a single mode optical fiber.
상기 멀티모드 광도파로는 멀티모드 광섬유로 이루어질 수 있다.The multimode optical waveguide may be formed of a multimode optical fiber.
상기 광자 랜턴 소자는 테이퍼를 가질 수 있다.The photon lantern device may have a taper.
상기 시간분포 분석장치의 최소분해 가능 시간은 상기 복수 개의 광지연부 사이의 최소 지연 시간 차이보다 작을 수 있다.The minimum resolvable time of the time distribution analyzer may be smaller than a difference in minimum delay time between the plurality of optical delay units.
상기 복수 개의 광지연부는 서로 다른 지연 시간을 제공할 수 있다.The plurality of optical delay units may provide different delay times.
상기 서로 다른 지연 시간은 상기 최소 지연 시간의 배수일 수 있다.The different delay times may be multiples of the minimum delay time.
다른 실시예에 따른 광자 검출 장치는 단일광자가 입사하는 복수 개의 단일모드 광도파로; 상기 복수 개의 단일모드 광도파로 각각에 연결되어 광자에 대한 시간을 지연하는 복수 개의 광지연부; 상기 복수 개의 광지연부와 연결되는 복수 개의 입력 단자 및 상기 입력 단자로 입력된 광자를 멀티 공간모드로 전파하는 출력 단자를 포함하는 광자 랜턴 소자; 상기 출력 단자와 연결된 멀티모드 광도파로; 상기 멀티모드 광도파로와 연결되어 상기 멀티모드 광도파로를 통과하는 광자를 복수 개의 광분배 출력 단자로 분배하는 광분배기; 상기 복수 개의 광분배 출력 단자 각각에 연결되어 광자를 검출하는 복수 개의 단일광자 검출기; 및 상기 복수 개의 단일광자 검출기에서 검출된 광자의 시간분포를 측정하는 시간분포 검출기;를 포함한다.A photon detection apparatus according to another embodiment includes a plurality of single mode optical waveguides in which a single photon is incident; A plurality of optical delay units connected to each of the plurality of single mode optical waveguides to delay a time for a photon; A photon lantern element including a plurality of input terminals connected to the plurality of optical delay units and an output terminal for propagating photons input through the input terminals in a multi-space mode; A multimode optical waveguide connected to the output terminal; An optical splitter connected to the multimode optical waveguide and distributing photons passing through the multimode optical waveguide to a plurality of optical distribution output terminals; A plurality of single photon detectors connected to each of the plurality of light distribution output terminals to detect photons; And a time distribution detector for measuring a time distribution of photons detected by the plurality of single photon detectors.
상기 시간분포 검출기는 상기 복수 개의 단일광자 검출기 중 적어도 하나가 동시에 광자를 검출하는 동시계수를 측정할 수 있다.The time distribution detector may measure a simultaneous coefficient at which at least one of the plurality of single photon detectors simultaneously detects a photon.
상기 시간분포 검출기는 상기 동시계수의 시간분포를 측정할 수 있다.The time distribution detector may measure the time distribution of the simultaneous coefficient.
실시예에 따르면, 광자 검출 장치를 구현할 수 있다.According to an embodiment, a photon detection device may be implemented.
또한, 여러 개의 분리된 공간모드로 전파하는 광자들을 최소한의 단일광자 검출기를 이용하여 각 공간모드를 구분하여 검출할 수 있는 광자 검출 장치를 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a photon detection device capable of detecting photons propagating in several separate spatial modes by classifying each spatial mode using a minimum single photon detector.
또한, 여러 분리된 공간모드를 하나의 멀티모드 광도파로로 결합하고, 별도의 공간모드로부터의 광자들이 각각 별도의 시간에 단일광자 검출기에 도달하게 하여 자원 효율성을 개선한 광자 검출 장치를 구현할 수 있다.In addition, it is possible to implement a photon detection device that improves resource efficiency by combining several separated spatial modes into one multimode optical waveguide, and allowing photons from separate spatial modes to reach a single photon detector at separate times. .
또한, 멀티모드 광도파로를 광분배기를 통해 복수의 단일광자 검출기에 연결하고 단일광자 검출기 사이의 동시계수를 측정함으로써 광자가 한 개씩 도달하는 상태 뿐만아니라 다수 개 도달하는 다광자 상태를 측정할 수 있는 광자 검출 장치를 구현할 수 있다.In addition, by connecting a multimode optical waveguide to a plurality of single photon detectors through an optical splitter and measuring the simultaneous coefficient between the single photon detectors, it is possible to measure not only the state of reaching one photon but also the state of reaching a plurality of multiphotons. A photon detection device can be implemented.
또한, 실용화 가능성이 큰 광 검출 장치를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a photodetector with high practical use possibility.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광자 검출 장치의 개념도이고,
도 2는 도 1에서 A부분의 확대도이고,
도 3은 도 1에서 B부분의 확대도이고,
도 4는 도 1에서 C부분의 확대도이고,
도 5는 시간분포 검출기와 광지연부와의 관계를 설명하는 도면이고,
도 6은 제2 실시예에 따른 광자 검출 장치의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a photon detection apparatus according to a first embodiment of the present invention,
2 is an enlarged view of part A in FIG. 1,
3 is an enlarged view of part B in FIG. 1,
4 is an enlarged view of part C in FIG. 1,
5 is a diagram illustrating a relationship between a time distribution detector and a light delay unit,
6 is a conceptual diagram of a photon detection apparatus according to a second embodiment.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The present invention is intended to illustrate and describe specific embodiments in the drawings, as various changes may be made and various embodiments may be provided. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제2, 제1 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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms including ordinal numbers such as second and first may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, the second element may be referred to as the first element, and similarly, the first element may be referred to as the second element. The term and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but identical or corresponding components are denoted by the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광자 검출 장치의 개념도이고, 도 2는 도 1에서 A부분의 확대도이고, 도 3은 도 1에서 B부분의 확대도이고, 도 4는 도 1에서 C부분의 확대도이고, 도 5는 시간분포 검출기와 광지연선로와의 관계를 설명하는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a photon detection apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of part A in FIG. 1, FIG. 3 is an enlarged view of part B in FIG. 1, and FIG. 4 is It is an enlarged view of part C in, and FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the time distribution detector and the optical delay line.
먼저, 도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 광자 검출 장치는 단일모드 광도파로(110), 광지연부(120), 광자 랜턴 소자(130), 멀티모드 광도파로(140), 단일광자 검출기(150) 및 시간분포 검출기(160)를 포함한다.First, referring to FIG. 1, the photon detection apparatus according to the first embodiment includes a single mode
먼저, 단일모드 광도파로(110)는 단일광자(PT1, PT2,??PTm)가 입력될 수 있다. 단일모드 광도파로(110)는 복수개 일 수 있다. 그리고 각각의 단일모드 광도파로(110)는 광자 검출 장치의 입력 단자와 연결되거나 입력 단자로 기능할 수 있다. 광자는 복수 개의 단일모드 광도파로(110) 중 어느 하나로 입사할 수 있다. 또한, 동시에 여러 개의 광자가 하나 이상의 단일 모드 광도파로(110)로 입사할 수 있다.First, the single-mode
도 2를 참조하면, 단일모드 광도파로(110)에는 단일광자(PT1)가 통과할 수 있다. 실시예로, 단일모드 광도파로(110)는 제1 코어(CO)와 제1 외곽부(CL)를 포함할 수 있으며, 제1 코어(CO)를 통해 광자가 이동할 수 있다. 그리고 제1 외곽부(CL)는 제1 코어(CO)를 감싸 제1 코어(CO)를 보호하고 광자의 손실을 억제할 수 있다. 또한, 복수 개의 단일모드 광도파로(110)는 단일모드 광섬유(single-mode fiber)로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, a single photon PT1 may pass through the single mode
다시 도 1을 참조하면, 복수 개의 단일모드 광도파로(110)는 제1 단일모드 광도파로(110-1), 제2 단일모드 광도파로(110-2) 내지 제m 단일모드 광도파로(110-m)를 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 단일광자(PT1, PT2,??PTm) 중 적어도 하나가 제1 단일모드 광도파로(110-1), 제2 단일모드 광도파로(110-2) 내지 제m 단일모드 광도파로(110-m) 중 적어도 하나로 각각 인가될 수 있다.Referring back to FIG. 1, the plurality of single-mode
광지연부(120)는 상술한 복수 개의 단일모드 광도파로(110) 각각에 연결될 수 있다. 광지연부(120)는 광자에 대한 시간을 지연할 수 있다. 예컨대, 광지연부(120)는 복수 개의 광섬유를 접합(splicing)하여 이루어질 수 있다. 이에 따라, 광지연부(120)는 광이 통과하는 경로를 조절하여 광자의 지연 시간을 조절할 수 있다.The
광지연부 (120)는 복수 개의 단일모드 광도파로(110) 각각에 연겨되므로, 복수 개일 수 있다. 실시예로, 광지연부(120)는 제1 광지연부(120-1), 제2 광지연부(120-2) 내지 제m 광지연부(120-m)를 포함할 수 있다.Since the
이 때, 복수 개의 광지연부(120)는 광자에게 서로 다른 지연 시간을 제공할 수 있다. 예컨대, 제1 광지연부(120-1)는 최소 지연 시간(SFa)을 제공할 수 있다. 이와 달리, 제2 광지연부(120-2)는 제1 광지연부(120-1)와 상이한 지연 시간 예컨대 최소 지연 시간(SFa)보다 큰 지연 시간을 제공할 수 있다. 또한, 제m 광지연부(120-m)는 제1 광지연부(120-1) 및 제2 광지연부(120-2)보다 큰 지연 시간을 제공할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 입력 단자인 복수 개의 단일모드 광도파로(110)로부터의 광자가 시간적으로 복수 개(예컨대, M개)로 구분될 수 있다.In this case, the plurality of
또한, 광지연부(120)는 단일모드 광도파로(110) 내에 위치할 수도 있다. 이에, 광지연부(120)도 단일모드 광도파관으로서 단일모드 광섬유(single-mode fiber)로 이루어질 수 있다. In addition, the
광자 랜턴 소자(130)는 복수 개의 입력 단자(In1 내지 Inm)와 출력 단자를 포함할 수 있다The
복수 개의 입력 단자(In1 내지 Inm)은 복수 개의 광지연선로와 연결될 수 있다. 그리고 출력 단자는 입력 단자(In1 내지 Inm)로 입력된 광자를 멀티 공간모드로 전파할 수 있다.The plurality of input terminals In1 to Inm may be connected to a plurality of optical delay lines. In addition, the output terminal may propagate photons input to the input terminals In1 to Inm in a multi-space mode.
광자 랜턴 소자(130)는 복수 개의 단일모드 광도파로(110, optical waveguide)를 출력 단자(out)를 통해 멀티모드 광도파로(140)와 연결할 수 있다. 즉, 광자 랜턴 소자(130)는 출력 단자에 연결된 멀티모드 광도파로(140)로 여러 개의 공간모드를 전파할 수 있다. 다시 말해, 광자 랜턴 소자(130)는 복수 개의 단일모드 광도파로와 멀티모드 광도파로를 연결해주는 연결 소자로서 동자한다. 이러한 구성에 의하여, 복수 개의 단일모드 광도파로(110)를 통해 입사한 광자 신호가 멀티모드 광도파로(140)로 집중되므로 효율을 개선할 수 있다. The
도 4를 참조하면, 광자 랜턴 소자(130)는 단일모드 광도파로(110)와 멀티모드 광도파로(140) 사이에 위치하여 테이퍼(TP)를 가질 수 있다. 다시 말해, 실시예에 따른 광자 랜턴 소자(130)는 광섬유를 테이퍼(taper) 적용한 소자일 수 있으며, 집적광학회로(integrated optics circuit)로 이루어질 수도 있다.Referring to FIG. 4, the
도 1 및 도 3를 참조하면, 멀티모드 광도파로(140)는 광자 랜턴 소자(130)의 출력 단자(Out)와 연결될 수 있다. 이에, 복수 개의 단일 모드 광도파로(110)를 통해 이사되고 개별적으로 지연된 광자(PT1, PT2, PT3)가 멀티 모드 광도파로(140)를 통해 전파될 수 있다.1 and 3, the multimode
멀티 모드 광도파로(140)는 광섬유로, 내부의 제2 코어(CO')와 제2 외곽부(CL')를 포함할 수 있으며, 제2 코어(CO')를 통해 복수 광자가 이동할 수 있다. 그리고 제2 외곽부(CL')는 제2 코어(CO')를 감싸므로 제2 코어(CO')를 보호하고 광손실 억제 등의 기능을 제공할 수 있다. The multi-mode
또한, 본 명세서에서 광도파로는 광섬유로 이루어질 수 있으며, 단일모드 광도파로(110)는 단일모드 광섬유(single-mode fiber: SMF)로 이루어지고 멀티모드 광도파로(140)는 멀티모드 광섬유(multi-mode fiber: MMF)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 단일모드 광도파로는 멀티모드 광섬유보다 적은 수의 공간모드 만을 전파시키는 소수모드(few-mode) 광도파로로 치환될 수 있음을 이해해야 한다.In addition, in the present specification, the optical waveguide may be formed of an optical fiber, the single mode
단일 광자 검출기(150, single-photon detector: SPD)는 멀티 모드 광도파로(140)와 연결도리 수 있다. 단일 광자 검출기(150)는 광자가 입사되면 이를 전기신호로 변환하여 출력할 수 있다.A single-photon detector (SPD) 150 may be connected to the multi-mode
단일 광자 검출기(150)는 반도체 아발란치 포토다이오드 (avalanche photodiode) 소자 또는 초전도나노선 (superconducting nanowire) 소자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
실시예에 따르면, 단일 광자 검출기(150)는 각 단일모드 광도파로(110)를 통해 입력되고 광지연부(120)를 통해 서로 다른 지연 시간을 가지면서 광자 랜턴 소자(130) 및 멀티모드 광도파로(140)를 통과한 복수 개의 광자(PT1, PT2,,., PTm)를 전기신호로 출력할 수 있다.According to the embodiment, the
시간분포 검출기(160)는 단일 광자 검출기(150)로부터 검출된 광자 즉, 출력된 전기 신호의 시간분포를 측정하여 광자가 입사된 입력 즉 단일모드 광도파로를 결정할 수 있다.The
시간분포 검출기(160)는 간-진폭 변환기(time-to-amplitude converter: TAC)와 다채널 분석기(multi-channel analyzer: MCA)의 조합으로 이루어질 수 있다. 나아가, 시간분포 검출기(160)는 타임 태거 (time tagger) 장치로 구성될 수 있고, FPGA 회로 기반의 카운터를 활용할 수 있다.The
또한, 시간분포 검출기(160)는 기준 시간으로부터 광자가 출력되는 시간과 개수를 측정함으로 M개의 입력부(즉, m개의 단일모드 광도파로)로 동시에 입사하는 광자들의 공간적인 분포를 용이하게 측정할 수 있다.In addition, the
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 시간분포 검출기(160)의 최소 분해 가능 시간(Td)은 복수 개의 광지연부(120)에서 최소 지연 시간(SF)보다 작을 수 있다. 여기서, 최소 지연 시간(SF)은 복수 개의 광지연부의 지연 시간(PTL->PTF) 사이의 상대적 차이값 중 최소값을 기준으로 설명한다.Referring to FIG. 5, the minimum resolution time Td of the
나아가, 복수 개의 광지연부는 지연시간이 최소 지연 시간(SF)의 배수배로 이루어질 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 광자 검출 장치는 복수 개의 광자가 동시에 여러 개의 단일모드 광도파로를 통해 전파되더라도 용이하게 광자의 개수를 정확하게 측정할 수 있다.Furthermore, the plurality of optical delay units may have a delay time that is a multiple of the minimum delay time SF. Accordingly, the photon detection apparatus according to the embodiment can easily accurately measure the number of photons even if a plurality of photons are simultaneously propagated through a plurality of single mode optical waveguides.
도 6은 제2 실시예에 따른 광자 검출 장치의 개념도이다.6 is a conceptual diagram of a photon detection apparatus according to a second embodiment.
도 6을 참조하면, 제2 실시예에 따른 광자 검출 장치는 단일모드 광도파로(210), 광지연부(220), 광자 랜턴 소자(230), 멀티모드 광도파로(240), 단일광자 검출기(250), 시간분포 검출기(260) 및 광분배기(270)를 포함한다.6, the photon detection apparatus according to the second embodiment includes a single mode
단일모드 광도파로(210), 광지연부(220), 광자 랜턴 소자(230), 멀티모드 광도파로(240)는 상술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.The single-mode
먼저, 광분배기(270)는 멀티모드 광도파로(240)로 연결될 수 있다. 또한, 광분배기(270)는 멀티모드 광도파로(240)와 단일광자 검출기(250) 사이에 배치될 수 있다.First, the
광분배기(270)는 멀티모드 광도파로(240)를 통해 전파되는 복수 개의 광자를 각각 소정의 개수(예컨대, n개)로 분배할 수 있다. 예컨대, 광분배기(270)는 분배된 광자가 출력되는 복수 개의 광분배 출력 단자(271 내지 271-n)를 포함할 수 있다.The
단일광자 검출기(250)는 상술한 내용이 적용되며, 복수 개일 수 있다. 복수 개의 단일광자 검출기(250)는 각각이 광분배기(270)와 연결될 수 있다. 예컨대, 복수 개의 단일광자 검출기(250)는 각각이 복수 개의 광분배 출력 단자와 연결될 수 있다. The above-described information is applied to the
시간분포 검출기(260)는 복수 개의 단일광자 검출기(250)와 연결되어 각각으로부터 전기신호를 입력받을 수 있다.The
시간분포 검출기(260)는 복수 개의 단일광자 검출기(250)에 임의로 설정된 동시계수(coincidence count)를 측정하고, 동시계수 시간폭(time window) 이내의 시간에 동시에 검출되는 빈도를 측정할 수 있다. 즉, 시간분포 검출기(260)는 상술한 기능뿐만 아니라 동시계수 횟수를 일정 측정시간(measurement time)동안 누적하여 측정할 수 있다. 다시 말해, 시간분포 검출기는 N개의 단일광자 검출기(250)로부터의 출력신호 사이의 동시계수를 측정하여 멀티모드 광도파로(240)를 여러 개의 광자가 동시에 전파되는 경우를 용이하게 검출할 수 있다. The
예컨대, 복수 개의 단일모드 광도파로(210)를 통해 입력된 광자들을 광지연부(220)를 통해 시간적으로 분리하고. 광분배기(270) 및 복수 개의 단일광자 검출기(250)를 통해 출력된 출력 신호의 동시계수에 따라 광자 검출 장치로 입사하는 광자의 개수 분포를 용이하게 측정할 수 있다. For example, photons input through the plurality of single mode
예를 들면, 2개의 광자가 동시에 하나의 단일모드 광도파로로 입사하더라도 단일광자 검출기(250-1, 250-2,??, 250-n) 중 2개의 단일광자 검출기가 동시에 광자검출신호(상술한 전기신호)를 출력하며, 시간분포 검출기(260)가 2개의 광자에 대한 동시계수를 발생시킬 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 광자 검출 장치는 광자의 입력 시간 및 개수에 무관하게 광자의 개수 분포를 용이하게 측정할 수 있다.For example, even if two photons are incident on one single-mode optical waveguide at the same time, two single-photon detectors of the single photon detectors 250-1, 250-2,??, 250-n simultaneously generate a photon detection signal (described above). One electrical signal), and the
또한, 시간분포 검출기(260)는 필드프로그래머블 게이트어레이(FPGA) 기반의 전자회로로 이루어질 수 있다.In addition, the
본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.The term'~ unit' used in this embodiment refers to software or hardware components such as field-programmable gate array (FPGA) or ASIC, and'~ unit' performs certain roles. However,'~ part' is not limited to software or hardware. The'~ unit' may be configured to be in an addressable storage medium, or may be configured to reproduce one or more processors. Thus, as an example,'~ unit' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, and procedures. , Subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, database, data structures, tables, arrays, and variables. Components and functions provided in the'~ units' may be combined into a smaller number of elements and'~ units', or may be further separated into additional elements and'~ units'. In addition, components and'~ units' may be implemented to play one or more CPUs in a device or a security multimedia card.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the embodiments have been described above, these are only examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs are not exemplified above without departing from the essential characteristics of the present embodiment. It will be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified and implemented. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.
Claims (10)
상기 복수 개의 단일모드 광도파로 각각에 연결되어 광자에 대한 시간을 지연하는 복수 개의 광지연부;
상기 복수 개의 광지연부와 연결되는 복수 개의 입력 단자 및 상기 입력 단자로 입력된 광자를 멀티 공간모드로 전파하는 출력 단자를 포함하는 광자 랜턴 소자;
상기 출력 단자와 연결된 멀티모드 광도파로;
상기 멀티모드 광도파로를 통과하는 광자를 검출하는 단일광자 검출기; 및
상기 단일광자 검출기에서 검출된 광자의 시간분포를 측정하는 시간분포 검출기;를 포함하는 광자 검출 장치.
A plurality of single mode optical waveguides in which a single photon is incident;
A plurality of optical delay units connected to each of the plurality of single mode optical waveguides to delay a time for a photon;
A photon lantern element including a plurality of input terminals connected to the plurality of optical delay units and an output terminal for propagating photons input through the input terminals in a multi-space mode;
A multimode optical waveguide connected to the output terminal;
A single photon detector for detecting photons passing through the multimode optical waveguide; And
A photon detection device comprising a; time distribution detector for measuring the time distribution of the photons detected by the single photon detector.
상기 단일모드 광도파로는 단일모드 광섬유로 이루어진 광자 검출 장치.
The method of claim 1,
The single mode optical waveguide is a photon detection device made of a single mode optical fiber.
상기 멀티모드 광도파로는 멀티모드 광섬유로 이루어진 광자 검출 장치.
The method of claim 1,
The multimode optical waveguide is a photon detection device made of a multimode optical fiber.
상기 광자 랜턴 소자는 테이퍼를 갖는 광자 검출 장치.
The method of claim 1,
The photon lantern element is a photon detection device having a taper.
상기 시간분포 분석장치의 최소분해 가능 시간은 상기 복수 개의 광지연부 사이의 최소 지연 시간 차이보다 작은 광자 검출 장치.
The method of claim 1,
A photon detection device in which the minimum resolvable time of the time distribution analyzer is smaller than a difference in minimum delay time between the plurality of optical delay units.
상기 복수 개의 광지연부는 서로 다른 지연 시간을 제공하는 광자 검출 장치.
The method of claim 5,
The photon detection device for providing different delay times for the plurality of optical delay units.
상기 서로 다른 지연 시간은 상기 최소 지연 시간의 배수인 광자 검출 장치.
The method of claim 6,
The different delay times are multiples of the minimum delay times.
상기 복수 개의 단일모드 광도파로 각각에 연결되어 광자에 대한 시간을 지연하는 복수 개의 광지연부;
상기 복수 개의 광지연부와 연결되는 복수 개의 입력 단자 및 상기 입력 단자로 입력된 광자를 멀티 공간모드로 전파하는 출력 단자를 포함하는 광자 랜턴 소자;
상기 출력 단자와 연결된 멀티모드 광도파로;
상기 멀티모드 광도파로와 연결되어 상기 멀티모드 광도파로를 통과하는 광자를 복수 개의 광분배 출력 단자로 분배하는 광분배기;
상기 복수 개의 광분배 출력 단자 각각에 연결되어 광자를 검출하는 복수 개의 단일광자 검출기; 및
상기 복수 개의 단일광자 검출기에서 검출된 광자의 시간분포를 측정하는 시간분포 검출기;를 포함하는 광자 검출 장치.
A plurality of single mode optical waveguides in which a single photon is incident;
A plurality of optical delay units connected to each of the plurality of single mode optical waveguides to delay a time for a photon;
A photon lantern element including a plurality of input terminals connected to the plurality of optical delay units and an output terminal for propagating photons input through the input terminals in a multi-space mode;
A multimode optical waveguide connected to the output terminal;
An optical splitter connected to the multimode optical waveguide and distributing photons passing through the multimode optical waveguide to a plurality of optical distribution output terminals;
A plurality of single photon detectors connected to each of the plurality of light distribution output terminals to detect photons; And
A photon detection apparatus comprising: a time distribution detector for measuring a time distribution of photons detected by the plurality of single photon detectors.
상기 시간분포 검출기는 상기 복수 개의 단일광자 검출기 중 적어도 하나가 동시에 광자를 검출하는 동시계수를 측정하는 광자 검출 장치.
The method of claim 8,
The time distribution detector is a photon detection device for measuring a simultaneous coefficient at which at least one of the plurality of single photon detectors simultaneously detects a photon.
상기 시간분포 검출기는 상기 동시계수의 시간분포를 측정하는 광자 검출 장치.The method of claim 9,
The time distribution detector is a photon detection device for measuring the time distribution of the simultaneous coefficient.
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