WO2012132919A1 - 光子検出回路および光子検出方法 - Google Patents

光子検出回路および光子検出方法 Download PDF

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detection
photon
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芳弘 南部
成五 高橋
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日本電気株式会社
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    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication

Definitions

  • the present invention relates to an optical communication wavelength band synchronous operation type single photon detection device using an avalanche photodiode, which is used in a quantum cryptography key distribution device, and more particularly to a photon detection circuit and a photon detection method thereof.
  • Quantum cryptographic key distribution technology which is a technology for sharing a secure secret key
  • one of the key techniques is a high-speed and low-noise photon detection technique.
  • an optical wavelength with as little optical loss as possible In order to generate encryption keys at high speeds at two long distances, it is necessary to select an optical wavelength with as little optical loss as possible, and an optical wavelength of 1550 nm that minimizes the optical loss of the optical fiber used as the transmission line A photon with is selected.
  • a single-photon detector that is fast and low noise in this wavelength band is required.
  • An avalanche photodiode (hereinafter abbreviated as InGaAs-APD) composed of an InGaAs / InP semiconductor having high sensitivity in the above-described wavelength band is used as a photon detection element, and a photon detection device that is modulated and driven by a periodic gate signal, It is widely used for single photon detection and is disclosed in Non-Patent Document 1 to Non-Patent Document 3.
  • Non-Patent Document 1 to Non-Patent Document 3 a reverse bias voltage equal to or lower than the normal breakdown voltage is applied, and the sensitivity to a single photon is suppressed (off state).
  • a gate signal is superimposed and a reverse voltage higher than the breakdown voltage is applied to the APD for an extremely short time (ON state), while the sensitivity to a single photon is released (Geiger mode). While repeating this on / off operation, photon detection is performed intermittently.
  • Such an operation is called a gate mode operation, which can reduce noise at the time of photon detection as described below as much as possible and can be used as a photon detector of a quantum cryptography key distribution system.
  • Background noise is generated when carriers are thermally excited in a semiconductor while a voltage higher than a breakdown voltage (hereinafter referred to as a high gate voltage) is applied, and avalanche multiplication is performed in a multiplication layer.
  • This noise does not have a temporal correlation with the transmission time of the photons used for transmission, occurs almost equally in all gate open times, and each of the quantum key errors delivered with a probability of 1/2 It becomes.
  • Afterpulse noise is a carrier multiplication process during photon detection. Carriers trapped in impurity levels and lattice defect levels in the semiconductor are re-emitted after thermal energy is acquired afterwards, and high gate voltage is applied. It is generated by avalanche multiplication in the multiplication layer. Transient after-pulse noise can be removed by giving sufficient dead time after photon detection, but it does not correlate with photon transmission time in the same way as dark noise, and almost all gate open times are not affected. A stationary noise component that occurs with an equal probability and becomes an error of a quantum key distributed with a probability of 1/2 cannot be removed.
  • the background noise generated by thermal excitation can be reduced somewhat by operating the detection element at a low temperature, but there is a limit inherent to the element.
  • InGaAs-APD is often operated at low temperatures of -30 ° C to -100 ° C to reduce dark noise.
  • the only way to reduce afterpulse noise is to lower the reverse voltage (referred to as the ON voltage) applied to the APD as much as possible when the single photon sensitivity is released.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a photon detection circuit network used in a quantum key distribution apparatus related to the present invention.
  • the binary voltage signal based on the threshold voltage set in advance using the discriminator 33 is used. (Hereinafter referred to as detection) and converted into a detection timing signal 34 having an appropriate intensity and time width.
  • the time (photon detection time) at which the edge of the detection timing signal 34 is detected is measured by the time measuring device 35, and correlated key data is generated by comparing with the transmission time.
  • Non-Patent Document 5 As an example of a commercially available discriminator, model 9307 manufactured by Autech, shown in Non-Patent Document 5, can be raised.
  • This device has the ability to detect pulses with a time span of 400ps to 5ns with amplitudes from -50mV to 5V, and to output highly accurate photon detection time measurement timing pulses with an accuracy of 100ps or less without any detection error.
  • Quantum cryptography devices with a repetitive operating frequency of less than 100 MHz can directly detect photon detection signals using a commercially available discriminator.
  • the time width of the extracted photon detection signal after the periodic gate signal removal may not be less than 400 ps. Many.
  • the amplitude of the photon detection signal is about 100 mV at most. In a commercially available discriminator, it is impossible to detect such a weak photon detection signal having a very small time width without detection.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and the present inventors have developed a weak and small time width photon detection signal output from the APD with an intensity and time that can be recognized by a logic circuit network in the subsequent stage.
  • the present inventors have found a simple auxiliary circuit network that can convert a detection timing signal having a width into a detection timing signal without fail.
  • the photon detection circuit of the present invention is a photon detection device using an avalanche photodiode.
  • An oscillator that outputs a gate signal for operating the avalanche photodiode;
  • a branch circuit, a delay circuit, and an amplitude adjuster that branches a part of the gate signal and adjusts the phase and the amplitude to obtain a reference synchronization signal;
  • the output of the avalanche photodiode and the reference synchronization signal are input, and a signal having a voltage higher than the set threshold voltage is controlled to output a constant voltage signal by controlling the amplification gain, and is not amplified below the threshold value.
  • a differential limiting amplifier that obtains signals and outputs these differential signals;
  • a discriminator that binarizes the output signal of the limiting amplifier and is insensitive to a signal having a period of the reference synchronization signal.
  • the photon detection method of the present invention is a photon detection method using an avalanche photodiode operated by a gate signal output from an oscillator. Branching the gate signal, adjusting the phase and amplitude by a delay circuit and an amplitude adjuster, respectively, as a reference synchronization signal, By using a differential limiting amplifier, the output of the avalanche photodiode and the reference synchronization signal are output for a signal having a voltage higher than a set threshold voltage by controlling the amplification gain, These differential signals are obtained after making signals that are not amplified below the threshold, The differential signal is binarized by a discriminator that is insensitive to the signal having the period of the reference synchronization signal.
  • the photon detection signal output from the APD and having a very small time width is converted into a detection timing signal having an intensity and a time width that can be recognized by the logic circuit network in the subsequent stage. Can do.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the main part of one embodiment of the photon detector according to the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of one embodiment of the photon detector according to the present invention.
  • the present invention is premised on a synchronous operation type single photon detection device that operates in synchronization with the repetitive operation of the transmission device.
  • the APD photon detector 21, the discriminator 24, and the time measuring device 26 in FIG. 3 correspond to the APD photon detector 31, the discriminator 34, and the time measuring device 35 shown in FIG.
  • the present inventors succeeded in solving the above-described problem by inserting an auxiliary network 23 in front of the discriminator 24.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the details of the auxiliary network 23.
  • the auxiliary network 23 includes a differential limiting amplifier 14, a delay circuit 15, and an amplitude adjuster 16 as shown in the figure. Yes.
  • a differential limiting amplifier 14 having a differential 2 input / output port is inserted between the APD photon detector 21 and the discriminator 24 through a pair of input / output ports.
  • the other input port of the differential limiting amplifier 14 receives a reference periodic signal 19 generated by branching a part of the output of the oscillator 11 that provides a periodic gate signal synchronized with the transmission device.
  • the phase and amplitude of the reference periodic signal 19 are adjusted to optimum values by the delay circuit 15 and the amplitude adjuster 16 included in the auxiliary circuit network 23, so that the intensity and time width that can be recognized by the logic circuit network at the subsequent stage are obtained. Can be converted into a detection timing signal having no detection error.
  • the periodic gate signal 17 generated by the oscillator 11 that provides a periodic gate signal synchronized with the transmitter is applied to the APD photon detector 12.
  • the oscillator 11 an example using a sine wave oscillator is disclosed in Patent Document 1, and an example using a rectangular wave having a duty of 50% is disclosed in Non-Patent Document 4.
  • a detection signal 22 output when a photon is detected is input to one input port of the differential limiting amplifier 14.
  • a part of the periodic gate signal 17 is branched, passes through the delay path 15 and the amplitude adjuster 16, and is input to the other input port of the differential limiting amplifier 14 as the reference periodic signal 19.
  • the output of the differential limiting amplifier 14 is connected to the discriminator 24.
  • the photon detection signal 22 having a weak and minute time width can be recognized by the logic circuit network subsequent to the discriminator 24. It is converted into a detection timing signal 25 having a width and output.
  • FIG. 2 and FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation principle of the present invention.
  • the differential limiting amplifier 14 controls the amplification gain for a signal having a voltage higher than the set threshold voltage and outputs a constant voltage signal, and has no amplification gain below the threshold.
  • differential limiting amplifier 14 As the differential limiting amplifier 14, a differential limiting amplifier 14 having sufficiently wide band characteristics than the frequency band of the pulsed photon detection signal is used, and by setting an appropriate threshold voltage, as shown in FIG. 4, the differential limiting amplifier 14 is used.
  • the pulse-like weak photon detection signal 41 input to one input port of the ting amplifier 14 is binarized to obtain a differential limiting amplifier output 42 of a photon detection signal close to a rectangular shape with an amplitude of about several hundred mV.
  • the broadband differential limiting amplifier as described above has been developed for optical communication applications, and commercially available products that can handle a signal rate of 10-40 Gbps.
  • the differential limiting amplifier output 42 has only a time width comparable to that of the pulse-like weak photon detection signal 41, the downstream commercial discriminator cannot obtain a detection timing signal without detection failure. I can't.
  • the reference period signal 19 is input to the other input port of the differential limiting amplifier 14 in order to convert the output into a wider pulse output. Thereby, a differential limiting amplifier output 44 of the reference periodic signal having the same periodicity as the reference periodic signal 19 is obtained.
  • the valley of the differential limiting amplifier output 44 of the reference periodic signal 19 is adjusted by adjusting the phase and amplitude of the reference periodic signal 19.
  • the differential output 45 of the differential limiting amplifier becomes a pulse train including a periodic disturbance 46 in part as shown in FIG.
  • the commercially available discriminator 24 provided in the subsequent stage is insensitive to the signal having the period of the reference periodic signal 19 due to the limitation of the frequency band, but can detect the portion of the periodic disturbance 46 whose pulse width is expanded. .
  • a binarized discriminator output 48 is output from the discriminator 24.
  • the amplitude and time width of the discriminator output 48 can be freely selected according to element parameters such as CR included therein, and are used as a detection timing signal 25 having an intensity and a time width that can be recognized by a logic circuit network in the subsequent stage. It is possible.
  • FIG. 5 shows the experimental results.
  • a short pulse light (period width ⁇ 100 ps) with a period of 100 ns (10 MHz) was attenuated by an optical attenuator to an intensity of the average number of photons per pulse and modulated by a sine wave of 1.24 GHz (period-800 ps).
  • InGaAs-APD applied with reverse bias voltage.
  • the results of the configuration according to the present embodiment shown in FIGS. 2 and 3 were compared with the results of the configuration shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a typical frequency distribution of the photon detection time obtained by arranging (mod) with the same period of 100 ns as that of the pulsed light using the functions of the time measuring devices 26 and 35.
  • FIG. 5 shows a typical frequency distribution of the photon detection time obtained by arranging (mod) with the same period of 100 ns as that of the pulsed light using the functions of the time measuring devices 26 and 35.
  • FIG. 5A shows a detection time distribution 51 having the configuration shown in FIG. 1
  • FIG. 5B shows a detection time distribution 52 having the configurations shown in FIGS. 2 and 3 according to the present invention.
  • photon detection is recorded in many gate opening time slots other than the gate opening time slot 53 correlated with the incident photon. This is because the discriminator shown in FIG. One reason is that the photon detection signal is missed and a detection leak occurs.
  • FIGS. 2 and 3 show that photon detection is concentrated in the gate open time slot 54 correlated with the incident photon, and that the detection omission of the photon detection is small. It meets the required performance.
  • the photon signal detection circuit of the present invention converts the photon detection signal output from the APD having a weak and minute time width into a detection timing signal having an intensity and a time width that can be recognized by the logic circuit network in the subsequent stage without detection. Therefore, it is possible to provide an optical communication wavelength band synchronous operation type single photon detection device required for a modern high-speed quantum cryptography device.

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Abstract

　本発明は、微弱かつ微少時間幅の光子検出信号を、検出もれなく、かつ、高い時間精度で検出タイミング信号に変換するもので、アバランシェフォトダイオードが動作するためのゲート信号を出力する発振器と、前記ゲート信号の一部を分岐し、位相および振幅をそれぞれ調整して参照同期信号とする分岐回路、遅延回路および振幅調整器と、前記アバランシェフォトダイオードの出力と前記参照同期信号とを入力し、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅しない信号を得て、これらの差動信号を出力する差動型のリミッティングアンプと、前記リミッティングアンプの出力信号の二値化を行い、かつ前記参照同期信号の周期を持つ信号には不感である弁別器と、を有する。

Description

光子検出回路および光子検出方法
　本発明は、量子暗号鍵配付装置などで用いられる、アバランシェフォトダイオードを用いた光通信波長帯同期動作型単一光子検出装置に関し、特にその光子検出回路および光子検出方法に関する。
　インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的なニーズが高まっており、光通信技術を用いて遠隔地間で乱数からなる安全な秘密鍵を共有する技術である、量子暗号鍵配付技術が注目されている。この技術において、鍵となる技術の一つに高速かつ低雑音の光子検出技術がある。長距離の２地点において、高速に暗号鍵を生成するために、できるだけ伝送路の光損失が少ない光波長を選ぶ必要があり、伝送路として用いられる光ファイバーの光損失が最小となる1550nmの光波長をもつ光子が選択される。量子暗号鍵配付技術の実用化のためには、この波長帯において高速かつ低雑音な単一光子検出装置が必要である。
　上記の波長帯において高い感度を有するInGaAs/InP半導体により構成されたアバランシェフォトダイオード（以下InGaAs-APDと省略する）を光子検出素子とし、これを周期的ゲート信号で変調駆動した光子検出装置が、広く単一光子検出に用いられており、非特許文献１ないし非特許文献３に開示されている。
　非特許文献１ないし非特許文献３に開示されている装置では、通常降伏電圧以下の逆バイアス電圧が印可され、単一光子に対する感度が抑制されている（オフ状態）APDに、振幅変調されたゲート信号を重畳印可して極短時間APDに降伏電圧以上の逆電圧を印可し（オン状態）、その間単一光子に対する感度を開放する（ガイガーモード）。このオンオフ動作を繰り返しながら、光子検出を断続的に行う。このような動作はゲートモード動作と呼ばれるが、これにより以下に述べるような光子検出時の雑音を極力低減し、量子暗号鍵配付システムの光子検出器として用いることができる。
　通信波長帯に感度を有するInGaAs-APD単一光子検出器における主要な雑音生成要因としては、暗雑音とアフターパルス雑音が知られている。Siベースの短波長向けAPD（Si-APD）に比べて、特に後者の寄与が大きいという問題点が知られている。
　暗雑音は、降伏電圧以上の電圧（以下高ゲート電圧と呼ぶ）を印可中に半導体内でキャリアが熱的に励起され、増倍層中でなだれ増倍されることにより生じる。この雑音は、伝送のために用いられる光子の送出時間と時間的相関を持たず、全てのゲート開放時間にほぼ等確率に発生し、それぞれが１／２の確率で配送された量子鍵のエラーとなる。
　アフターパルス雑音は、光子検出時のキャリア増倍過程において、半導体中の不純物準位や格子欠陥準位に捕獲されたキャリアが、事後に熱エネルギーを得て再放出され、高ゲート電圧印可中に増倍層中でなだれ増倍されることにより発生する。光子検出後十分な不感時間を持たせることにより、過渡的なアフターパルス雑音を除去することは出来るが、暗雑音同様に光子の送出時間と時間的相関を持たず、全てのゲート開放時間にほぼ等確率に発生し、１／２の確率で配送された量子鍵のエラーとなる定常的雑音成分は除去することができない。
　これらの２つの無相関な定常的雑音成分は時間特性上では区別がつかないが、入射光子数や入射頻度増加→０における漸近値が暗雑音成分に相当し、入射光子数や入射頻度増加と共に増加する追加的寄与がアフターパルス雑音に相当する。アフターパルスによる追加的雑音は、短波長向けSI-APDでは極めて小さいが、InGaAs-APDでは暗雑音と同程度、または主要な寄与になりうる。
　受信装置への入射光子数および入射頻度が小さい低繰り返し周波数システムや長距離の量子鍵配付では暗雑音が、受信装置への入射光子数および入射頻度が大きい高繰り返し周波数システムや近距離の量子鍵配付ではアフターパルス雑音が量子鍵のエラーを決める重要な要因になりやすいが、一般には共に量子鍵のエラーのソースとなるため、可能な限りの低減が求められる。
　熱的励起で生じる暗雑音は、検出素子を低温動作させることにより幾分か低減させることはできるが、素子固有の限界がある。InGaAs-APDの場合、暗雑音低減のため－30℃から－100℃程度の低温条件で動作させることが多い。一方、アフターパルス雑音を低減するには、基本的には単一光子感度開放時にAPDに印可される逆電圧（オン電圧と呼ぶ）を極力下げるしか方法はない。
　高速鍵生成に用いられる光子検出装置では特許文献１の「光通信波長帯高速単一光子検出器」に開示されている技術や非特許文献４に開示されている技術が用いられる。これらの文献では、APDを通過し、光子検出信号に重畳した周期的ゲート信号を除去して微弱な光子検出に伴うブレークダウン信号（光子検出信号）を抽出する技術が述べられている。
　図１は本発明に関連する、量子暗号鍵配付装置に用いられる光子検出回路網のブロック図を示している。
　ＡＰＤ光子検出器３１で検出された微弱な光子検出信号３２は、そのままでは後段のロジック回路網で認識不可能なため、弁別器３３を用いてあらかじめ設定したしきい電圧に基づいて二値電圧信号化（以下検波という）され、適切な強度と時間幅を有する検出タイミング信号３４に変換される。
　量子暗号鍵配付装置では、検出タイミング信号３４のエッジを検出した時間（光子検出時間）を時間測定器３５により測定し、送出時間と比較することにより相関した鍵データを生成する。
　市販の弁別器の一例として、非特許文献５に示されたオーテック社製の9307型を上げることが出来る。この装置は－50mVから5Vまでの振幅で、400psから5nsの時間幅を持つパルスを検出し、検出もれなしに100ps以下の精度で極めて正確な光子検出時間測定用タイミングパルスを出力する能力を有する。
特表2007-102430号公報
A.　Yoshizawa,　and　H.　Tsuchida,　"A　single-photon　detector　using　a　thermoelectrically　cooled　InGaAs　avalanche　photodiode,"　Jpn.　J.　Appl.　Phys.,　vol.40,　no.1,　pp.200-201,　2001 D.　Stucki,　G.　Ribordy,　A.　Stefanov,　H.　Zbinden,　J.　G.　Rarity,　and　T.　Wall,　"Photon　counting　for　quantum　key　distribution　with　Peltier　coold　InGaAs/InP　APD's,"　J.　Mod.　Opt.,　vol.48,　no.13,　pp.1967-1982,　2001. N.　Namekata,　Y.　Makino,　and　S.　Inoue,　"Single-photon　detector　for　long-distance　fiber　optic　quantum　key　distribution,　"Opt.　Lett.,　vol.27,　no.11,　pp.954-956,　2002. Jun　Zhang,　Rob　Thew,　Claudio　Barreiro,　and　Hugo　Zbinden,　"Practical　fast　gate　rate　InGaAs/InP　single-photon　avalanche　photodiodes,"　APPLIED　PHYSICS　LETTERS　95,　091103　(2009). オーテックス社9307型高速ディスクリミネーターカタログ
　繰り返し動作周波数が100　MHzにも満たない量子暗号装置では、市販の弁別器を用いて、光子検出信号を直接検波することが可能であった。しかしながら、現代的高速量子暗号鍵配付装置では、周波数が1GHz以上にも渡る周期的ゲート信号を用いるため、周期的ゲート信号除去後の抽出された光子検出信号の時間幅は400psに満たない場合が多い。
　また、アフターパルス低減のために極力低いオン電圧を用いるため、光子検出信号の振幅は高々100mV程度である。市販の弁別器では、このような微弱かつ微少時間幅の光子検出信号を検出もれなしに検出することは不可能である。
　高速量子暗号鍵配付装置の実用化のためには、上記のような微弱かつ微少時間幅の光子検出信号を、検出もれなく、かつ、高い時間精度で検出タイミング信号に変換する信号検出回路網が重要であり、これを実現する簡便かつ実用性の高い方法の開発が望まれていた。
　本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、本発明者らはAPDより出力される微弱かつ微少な時間幅を持つ光子検出信号を、後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号に、検出もれなく変換する簡便な補助回路網を発見し、本発明を提供するにいたった。
　本発明の光子検出回路は、アバランシェフォトダイオードを用いた光子検出装置において、
　前記アバランシェフォトダイオードが動作するためのゲート信号を出力する発振器と、
　前記ゲート信号の一部を分岐し、位相および振幅をそれぞれ調整して参照同期信号とする分岐回路、遅延回路および振幅調整器と、
　前記アバランシェフォトダイオードの出力と前記参照同期信号とを入力し、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅しない信号を得て、これらの差動信号を出力する差動型のリミッティングアンプと、
　前記リミッティングアンプの出力信号の二値化を行い、かつ前記参照同期信号の周期を持つ信号には不感である弁別器と、を有する。
　本発明の光子検出方法は、発振器が出力するゲート信号により動作するアバランシェフォトダイオードを用いた光子検出方法において、
　前記ゲート信号を分岐し、遅延回路および振幅調整器により位相および振幅をそれぞれ調整して参照同期信号とし、
　差動型のリミッティングアンプにより、前記アバランシェフォトダイオードの出力と前記参照同期信号を、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅しない信号としたうえでこれらの差動信号を得、
　前記参照同期信号の周期を持つ信号には不感である弁別器により前記差動信号の二値化を行うことを特徴とする。
　本発明によると、簡便な回路構成により、APDより出力される微弱かつ微少な時間幅を持つ光子検出信号を後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号に変換することができる。
本発明に関連する光子検出回路網の構成を説明する説明図である。 本発明の実施例を説明する説明図である。 本発明の実施例の構成を説明する説明図である。 本発明の動作原理を説明する説明図である。 本発明の効果を説明する説明図である。
　以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。
　図２は、本発明による光子検出器の一実施形態の要部構成を示すブロック図、図３は本発明による光子検出器の一実施形態の構成を示すブロック図である。
　本発明は、送信装置の繰り返し動作に同期して動作する同期動作型単一光子検出装置を前提としている。図３中のＡＰＤ光子検出器２１、弁別器２４、時間測定器２６は、図１に示したＡＰＤ光子検出器３１、弁別器３４、時間測定器３５に相当する。本発明者らは図３に示されるように、弁別器２４の前に、補助回路網２３を挿入することにより、上述した課題を解決することに成功した。
　図２は補助回路網２３の詳細を示したブロック図であり、補助回路網２３は、図示されるように、差動型のリミッティングアンプ１４、遅延回路１５、振幅調整器１６から構成されている。
　APD光子検出器２１と弁別器２４の間には、一組の入出力ポートを介して差動２入出力ポートを有する差動型のリミッティングアンプ１４が挿入される。差動型のリミッティングアンプ１４の他方の入力ポートには、送信装置に同期した周期的ゲート信号を与える発振器１１の出力の一部が分岐されることにより生成された参照周期信号１９が入力される。参照周期信号１９の位相並びに振幅は、補助回路網２３内に内包された遅延回路１５および振幅調整器１６によって最適値に調整されることにより、後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号に検出もれなしに変換することが出来る。
　図２に示された実施例において、送信装置に同期した周期的ゲート信号を与える発振器１１により発生した周期的ゲート信号１７は、APD光子検出器１２に印可される。発振器１１については、特許文献１で正弦波発振器を用いた例が、非特許文献４でデューティ50%の矩形波を用いた例が開示されている。光子が検出された場合に出力される検出信号２２は差動型のリミッティングアンプ１４の一方の入力ポートに入力される。
　周期的ゲート信号１７の一部は分岐され、遅延路１５、振幅調整器１６を通過し、参照周期信号１９として差動型のリミッティングアンプ１４の他方の入力ポートに入力される。
　差動型のリミッティングアンプ１４の出力は弁別器２４に接続される。ここで、遅延路１５、振幅調整器１６により振幅と位相を調整することにより、微弱かつ微少な時間幅を持つ光子検出信号２２は弁別器２４より後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号２５に変換されて出力される。
　以下、図２および本発明の動作原理を説明する説明図である図４を参照しながら本実施形態の動作について説明する。
　差動型のリミッティングアンプ１４は、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅利得を持たない。
　差動型のリミッティングアンプ１４として、パルス的光子検出信号の周波数帯域より十分広帯域特性を持つものを用い、適切なしきい電圧を設定することにより、図４に示したとおり、差動型のリミッティングアンプ１４の一方の入力ポートに入力したパルス的微弱光子検出信号４１を二値化し、数100mＶ程度の振幅の矩形形状に近い光子検出信号の差動型のリミッティングアンプ出力４２を得る。
　上記のような広帯域差動型のリミッティングアンプは光通信用途に開発されており、10‐40Gbpsの信号レートに対応可能な物が市販されている。しかしながら、この差動型のリミッティングアンプ出力４２はパルス的微弱光子検出信号４１と同程度の時間幅しか持たないため、後段の市販弁別器では、検出もれなしに検出タイミング信号を得ることは出来ない。後段に設けられる弁別器２４での検出もれをなくすためには、より幅の広いパルス出力に変換する必要がある。
　本実施形態では、出力をより幅の広いパルス出力に変換するため、差動型のリミッティングアンプ１４の他方の入力ポートに参照周期信号１９を入力する。これにより参照周期信号１９と同じ周期性を持つ参照周期信号の差動型のリミッティングアンプ出力４４が得られる。
　この結果、差動型のリミッティングアンプ１４の出力ポートには、参照周期信号の差動型のリミッティングアンプ出力４４に光子検出信号２２の差動型のリミッティングアンプ出力４２の反転信号を重畳した差動出力４５が得られる。
　パルス的微弱光子検出信号４１と参照周期信号１９は位相同期しているため、参照周期信号１９の位相と振幅を調整することにより、参照周期信号１９の差動型のリミッティングアンプ出力４４の谷をパルス的微弱光子検出信号４１の差動型のリミッティングアンプ出力４２の反転ピーク出力で補完し、埋めることが可能である。その結果、差動型のリミッティングアンプの差動出力４５は、図４に示されるように一部に周期性乱れ４６を含むパルス列になる。
　後段に設けられる市販の弁別器２４は、その周波数帯域の制限により、参照周期信号１９の周期を持つ信号には不感であるが、パルス幅が拡大した周期性乱れ４６の部分は検知可能である。周期性乱れ４６の電圧が弁別器２４に設定されている弁別器電圧しきい値４７を超えたときに、２値化された弁別器出力４８が弁別器２４より出力される。この弁別器出力４８の振幅および時間幅は、内部に含まれるＣＲなどの素子パラメータにより自由に選択可能であり、後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号２５として用いることが可能である。
　図５は実験結果を示している。実験では、100ns（１０ＭＨｚ）周期の短パルス光（時間幅＜100ps）を光アッテネータで１パルスあたり平均光子数～１の強度に減衰し、1.24GHz（周期～800ps）の正弦波で変調された逆バイアス電圧を印可したInGaAs-APDに入射した。図２および図３に示した本実施形態による構成での結果と図１に示した構成での結果について比較を行った。図５は時間測定器２６および３５の機能を用いて、パルス光と同じ100ns周期で整理する（modをとる）ことにより得られた、光子検出時間の典型的度数分布を示している。図５（ａ）は図１の構成による検出時間分布５１で、図５（ｂ）は本発明による図２および図３の構成による検出時間分布５２である。図１の構成では、入射光子に相関したゲート開放時間スロット５３以外の多くのゲート開放時間スロットに光子検出が記録されているが、これは図１に示した弁別器が微弱かつ微少時間幅の光子検出信号をとりこぼし、検出もれを起こすことが一因となって生じている。
　これに対して、図２および図３の構成では入射光子に相関したゲート開放時間スロット５４に光子検出が集中し、光子検出の検出漏れが少ないことを示しており、量子暗号装置の光子検出装置としての必要性能を満たしている。
　以上の本発明の特徴は、次の通りである。本発明の光子信号検出回路は、APDより出力される微弱かつ微少な時間幅を持つ光子検出信号を、後段のロジック回路網で認識可能な強度と時間幅を有する検出タイミング信号に、検出もれなく変換する簡便な補助回路を提供し、現代的高速量子暗号装置などに必要とされる光通信波長帯同期動作型単一光子検出装置を実現できる。
　この出願は２０１１年３月３０日に出願された日本出願特願２０１１－０７５４５１号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１１　発振器
１４　差動型のリミッティングアンプ
１５　遅延回路
１６　振幅調整器
１７　周期的ゲート信号
１９　参照周期信号
２２　光子検出信号
２３　補助回路網
２４　弁別器
２１　ＡＰＤ光子検出器
２２　光子検出信号
２４　弁別器
２５　検出タイミング信号
２６　時間測定器
３１　ＡＰＤ光子検出器
３２　光子検出信号
３３　弁別器
３４　検出タイミング信号
３５　時間測定器
４１　パルス的微弱光子検出信号
４２　光子検出信号の差動型のリミッティングアンプ出力
４４　参照周期信号の差動型のリミッティングアンプ出力
４５　差動型のリミッティングアンプ差動出力
４６　周期性乱れ
４７　弁別器電圧しきい値
４８　弁別器出力
５１　検出時間分布
５２　検出時間分布
５３　入射光子に相関したゲート開放時間スロット
５４　入射光子に相関したゲート開放時間スロット

Claims (2)

  1. アバランシェフォトダイオードを用いた光子検出装置において、
    　前記アバランシェフォトダイオードが動作するためのゲート信号を出力する発振器と、
    　前記ゲート信号の一部を分岐し、位相および振幅をそれぞれ調整して参照同期信号とする分岐回路、遅延回路および振幅調整器と、
    　前記アバランシェフォトダイオードの出力と前記参照同期信号とを入力し、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅しない信号を得て、これらの差動信号を出力する差動型のリミッティングアンプと、
    　前記リミッティングアンプの出力信号の二値化を行い、かつ前記参照同期信号の周期を持つ信号には不感である弁別器と、を有する光子検出回路。
  2. 発振器が出力するゲート信号により動作するアバランシェフォトダイオードを用いた光子検出方法において、
    　前記ゲート信号を分岐し、遅延回路および振幅調整器により位相および振幅をそれぞれ調整して参照同期信号とし、
    　差動型のリミッティングアンプにより、前記アバランシェフォトダイオードの出力と前記参照同期信号を、設定したしきい電圧よりも高い電圧を持つ信号については増幅利得を制御して一定電圧信号を出力し、しきい値以下では増幅しない信号としたうえでこれらの差動信号を得、
    　前記参照同期信号の周期を持つ信号には不感である弁別器により前記差動信号の二値化を行うことを特徴とする光子検出方法。
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