(57)【要約】  特殊な帯域除去フィルタを不要にし、任意の駆動周波数にて動作可能な正弦波状のゲート信号によりＡＰＤを応答可能にする光子検出器を得る。  この発明に係る光子検出器は、正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器３と、ゲート信号を分岐するビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ７を介したゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号をアバランシェフォトダイオードに供給するバイアス回路５と、ビームスプリッタ７を介したゲート信号を入力してアバランシェフォトダイオードを模擬した応答信号を出力するダミー回路６と、アバランシェフォトダイオードからの応答信号とダミー回路６からの応答信号との差動入力を増幅する差動アンプ１０と、差動アンプ１０からの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器１１とを備えた。
2010029638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器と、
前記正弦波発生器からのゲート信号を分岐するビームスプリッタと、
光子の入力に同期して、前記ビームスプリッタにより分岐された一方のゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号を光子検出素子としてのアバランシェフォトダイオードに供給するバイアス回路と、
コンデンサと抵抗からなり、前記ビームスプリッタにより分岐された他方のゲート信号を入力して前記アバランシェフォトダイオードを模擬した応答信号を出力するダミー回路と、
光子検出時の前記アバランシェフォトダイオードからの応答信号と前記ダミー回路からの応答信号との差動入力を増幅する差動アンプと、
前記差動アンプからの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器と
を備えた光子検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の光子検出器において、
前記ダミー回路からの応答信号を振幅調整する減衰器と、
前記ダミー回路からの応答信号を位相調整する位相シフタと
をさらに備え、
前記差動アンプは、前記アバランシェフォトダイオードからの応答信号と、前記減衰器及び前記位相シフタを介して振幅及び位相調整されたダミー回路からの応答信号との差動入力を増幅する
ことを特徴とする光子検出器。
【請求項３】
請求項１に記載の光子検出器において、
前記差動アンプと前記比較器との間に、正弦波ゲート信号の主要な周波数成分を遮断するハイパスフィルタをさらに備えた
ことを特徴とする光子検出器。
【請求項４】
正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器と、
前記正弦波発生器からのゲート信号を分岐するビームスプリッタと、
光子の入力に同期して、前記ビームスプリッタにより分岐された一方のゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号を光子検出素子としてのアバランシェフォトダイオードに供給するバイアス回路と、
前記ビームスプリッタにより分岐された他方のゲート信号を振幅調整する減衰器と、
前記減衰器からの出力信号を位相調整する位相シフタと
光子検出時の前記アバランシェフォトダイオードからの応答信号と前記位相シフタからの出力信号との差動入力を増幅する差動アンプと、
前記差動アンプからの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器と
を備えた光子検出器。
【請求項５】
正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器と、
光子の入力に同期して、前記正弦波発生器からのゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号を光子検出素子としてのアバランシェフォトダイオードに供給するバイアス回路と、
前記アバランシェフォトダイオードからの応答信号から正弦波ゲート信号の主要な周波数成分を遮断するハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタからの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器と
を備えた光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信・量子暗号等の情報処理分野で必要とされる光子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の通信波長帯アバランシェフォトダイオード（以下、アバランシェフォトダイオードをＡＰＤと表記する）による光子検出器は、ＡＰＤに降伏電圧にわずかに低いＤＣバイアスを加えた状態で光子の入射タイミングに合わせて矩形波パルスを印加し、その応答波形をみることで光子検出を行っていた（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
この検出方式においては、光子非検出時にＡＰＤがコンデンサに類似した機能をするため、ＡＰＤからの応答波形は、矩形波の微分波形となり、正のチャージパルスと負のディスチャージパルスを定常的に有する。光子検出時においては、アバランシェ電流が流れるため応答波形にシグナルパルスが重畳される。通例、チャージパルスよりも大きくなったシグナルパルスを閾値弁別で判定することで光子検出が可能となっている。【０００４】
このため、シグナルパルスがチャージパルスよりも大きくならなければ光子検出できないという問題点があり、使用可能なＡＰＤが大幅に制限されていた。これに対し、２つのＡＰＤを用いて、各応答信号を互いに逆相で合波させてチャージパルスを相殺する検出方式もある（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
この検出方式では、互いのチャージパルスを完全に相殺させることに難しさがあるため、矩形波パルスの代わりに正弦波をＡＰＤに入力することで、チャージパルス、ディスチャージパルスの発生をなくす方法が提案された。この際、光子非検出時のＡＰＤの応答波形は正弦波であり、光子検出時には非正弦波成分の信号が重畳されることになる。【０００６】
このため、帯域除去フィルタを用いて正弦波成分を除去することで信号成分を抽出するものがある（例えば、非特許文献１参照）。この検出方式の問題点は、正弦波成分をできるだけ除去する特性のよい帯域除去フィルタの入手、およびフィルタの周波数依存性により駆動周波数を自由に変えられないことである。【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１１４７１２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３６９１号公報
【非特許文献１】N. Namekata, S. Sasamori, and S. Inoue, "800MHz Single-photon detection at 1550-nm using an InGaAs/InP avalanche photodiode operated with a sine wave gating、" Optical Express vol.14, No.21, 10043, 2006.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の通信波長帯ＡＰＤを用いた光子検出において正弦波をＡＰＤに入力する方式では、その応答波形からシグナルを抽出するため、非信号成分である正弦波成分の除去を帯域除去フィルタで行っている。このため、帯域除去フィルタに依存して駆動周波数が自由に選択できない問題点がある。また、信号成分を効率よく抽出するためには非常にＱ値の高い帯域除去フィルタを用意する必要があった。【０００９】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、特殊な帯域除去フィルタが不要で、任意の駆動周波数にて動作可能な正弦波状のゲート信号によりＡＰＤを応答可能にする光子検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る光子検出器は、正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器と、前記正弦波発生器からのゲート信号を分岐するビームスプリッタと、光子の入力に同期して、前記ビームスプリッタにより分岐された一方のゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号を光子検出素子としてのアバランシェフォトダイオードに供給するバイアス回路と、コンデンサと抵抗からなり、前記ビームスプリッタにより分岐された他方のゲート信号を入力して前記アバランシェフォトダイオードを模擬した応答信号を出力するダミー回路と、光子検出時の前記アバランシェフォトダイオードからの応答信号と前記ダミー回路からの応答信号との差動入力を増幅する差動アンプと、前記差動アンプからの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、アバランシェフォトダイオードからの光子非検出時の応答波形を相殺除去することで、光子検出信号成分をＳＮ比が高く抽出することができ、帯域除去フィルタを使う方式と異なり、ゲート信号の周波数依存性のない光子検出信号を抽出するので、自由に駆動周波数を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す正弦波発生器３から発生する正弦波の波形図である。
【図３】図１に示すＡＰＤ１の光子検出時と光子非検出時の応答波形図である。
【図４】図１に示す差動アンプ１０からの光子検出信号を示す波形図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。図１に示す実施の形態１に係る光子検出器は、光子検出素子であるＡＰＤ１と、ＡＰＤ１に接続された例えば５０Ωの抵抗値を有する抵抗２と、ＡＰＤ１にゲート信号を供給するための正弦波発生器３と、ＡＰＤ１にＤＣ電圧を印加するためのＤＣバイアス４と、正弦波発生器３からのゲート信号とＤＣバイアス４からのＤＣ電圧とを重畳するバイアス回路５と、コンデンサ６ａと抵抗６ｂからなり、ＡＰＤ１を模擬するためのダミー回路６と、正弦波発生器３からのゲート信号をＡＰＤ１とダミー回路６の双方に供給するビームスプリッタ（図中ＢＳと表記する）７と、ダミー回路６の出力信号の振幅を調整する減衰器（図中ＡＴＴと表記する）８と、減衰器８の出力信号の位相を調整する位相シフタ９と、ＡＰＤ１の応答信号と減衰器８及び位相シフタ９を介したダミー回路６の出力信号とを差動増幅する差動アンプ１０と、差動アンプ１０からの出力信号を閾値電圧Ｖｔｈと比較し、差動アンプ１０からの出力信号の振幅が閾値電圧Ｖｔｈ以上のときのみ光子検出信号を出力する比較器（図中ＣＯＭＰと表記する）１１とからなる。【００１４】
次に動作について説明する。図１において、ＡＰＤ１は、通信波長帯（例えば、１５５０ｎｍ）の光子の入力有無によって応答波形が変化する光デバイスである。この反応を生じるために光子の入力タイミングに合わせてゲート信号を入力する必要がある。正弦波発生器３は、このためのゲート信号源であり、図２に示すごとく正弦波の振幅ピーク位置がＡＰＤ１への光子の入力タイミングに合致するように正弦波の位相を調整できるようになっている。【００１５】
ビームスプリッタ７は、正弦波発生器３から発生した正弦波信号を２つに分波する。分波された１つの正弦波信号は、バイアス回路５において、ＤＣバイアス４から発生したＡＰＤ１の降伏電圧よりわずかに低いＤＣ電圧と重畳されてＡＰＤ１に印加される。このゲート信号が入射した際のＡＰＤ１の応答波形が図３である。ＡＰＤ１は、図３に示すように、光子検出がなくＡＰＤ１にアバランシェが発生しないときは正弦波の応答波形を返すが、光子が入力され、アバランシェが起こると、正弦波に対し破線で示す重畳した検出信号を発生する。【００１６】
ビームスプリッタ７で分波されたもう１つの正弦波信号は、コンデンサ６ａと抵抗６ｂからなるＡＰＤ１のダミー回路６に印加される。このダミー回路６は、微分回路であり、光子検出が無いときのＡＰＤ１からの応答波形を模擬する。例えば、コンデンサ６ａは２０ｎＦ、抵抗６ｂは５０Ωで機能する。このダミー回路６からの出力信号は正弦波である。このダミー回路６からの正弦波信号の振幅をＡＰＤ１からの応答波形の正弦波の振幅に一致させるために減衰器８で振幅を調整する。次に、減衰器８を介したダミー回路６からの正弦波信号の位相をＡＰＤ１からの応答波形の正弦波の位相に一致させるために位相シフタ９で位相を調整する。【００１７】
ＡＰＤ１からの出力信号と、振幅及び位相が調整されたダミー回路６からの出力信号とは差動アンプ１０に入力される。このとき、振幅及び位相が調整されたダミー回路６からの出力信号は位相反転入力である。この結果、差動アンプ１０からの出力信号としては、図４に示すように、正弦波成分のみが相殺された光子検出信号の波形を得ることができる。この際、ＡＰＤ１のアバランシェによる光子検出信号は、十分大きな振幅を持って抽出できるので、比較器１１による閾値電圧より大きな振幅を持った信号を通すことで容易に光子検出が可能になる。【００１８】
以上のように、実施の形態１によれば、ダミー回路６を用いて、ＡＰＤ１からの光子非検出時の応答波形を模擬し、ＡＰＤ１からの応答波形と相殺して、光子非検出時の波形を消去することで、光子検出信号成分をＳＮ比が高く抽出することができる。実施の形態１に係る検出方式は、帯域除去フィルタを使う方式と異なり、ゲート信号の周波数依存性のない光子検出信号を抽出する方式なので、自由に駆動周波数を変えることができる。【００１９】
また、正弦波ゲート信号の入力によるＡＰＤ１の応答波形は、矩形波ゲート信号の入力時と異なり高周波成分が発生しないため、電気容量、抵抗値の微調整がなくダミー回路６を容易に構成できる。このため、ダミー回路６を、正弦波成分のみを除去したいＱ値の高い帯域除去フィルタに比して、安価なありふれた汎用的な部品で構成できる。【００２０】
また、この検出方式は、ダミー回路６を用いて、光子検出信号の抽出を行うため、正弦波ゲート信号だけでなく矩形波ゲート信号においても適用可能である。【００２１】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、ダミー回路６からの出力信号を減衰器８と位相シフタ９のみで調整し、差動アンプ１０により光子非検出時の応答波形を相殺消去するものであるが、この実施の形態２では、十分に非光子検出信号の成分を除去できなかったときに、差動アンプ１０と比較器１１との間にハイパスフィルタを挿入した例を示す。【００２２】
図５は、この発明の実施の形態２に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。図２において、図１に示す実施の形態１に係る光子検出器の構成と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。図５に示す実施の形態２に係る光子検出器は、図１の構成に対し、差動アンプ１０と比較器１１との間にハイパスフィルタ１２を挿入している。【００２３】
図４に示すように、正弦波ゲート信号成分が光子非検出時の応答波形（太い、頻度の高い曲線）に相殺消去されないで残っているときに、光子検出信号の成分は図４に示す細い、頻度の小さい曲線のように、正弦波ゲート信号に比して高周波成分から構成されるので、ハイパスフィルタ１２を挿入することで、ＳＮ比が高く光子検出信号を抽出することができる。ハイパスフィルタ１２として、例えば、２００ＭＨｚの正弦波ゲート信号に対しては、３００ＭＨｚのハイパスフィルタを挿入すればよい。【００２４】
以上のように、実施の形態２によれば、差動アンプ１０と比較器１１との間にハイパスフィルタ１２を挿入することで、光子検出信号の抽出がよりＳＮ比が高くできる。また、ダミー回路６からの出力信号の減衰器および位相シフタ９による調整に、例えば、１ｄＢ刻みの減衰量の調整を２ｄＢ刻みの疎調整に精度を緩和できる。【００２５】
実施の形態３．
上述した実施の形態１及び２では、ダミー回路６からの出力信号を用いて、光子非検出時の応答波形を相殺消去するものであるが、正弦波ゲート信号の場合は、ＡＰＤ１からの光子非検出時応答波形も正弦波であるため、ダミー回路６を用いなくても非光子検出信号成分の相殺除去が可能である。この実施の形態３では、実施の形態１の構成からダミー回路６を削除した例を示す。【００２６】
図６は、この発明の実施の形態３に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。図６において、図１に示す実施の形態１に係る光子検出器の構成と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。図６に示す実施の形態３に係る光子検出器は、図１の構成において、ダミー回路６を削除したもので、正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器３と、正弦波発生器３からのゲート信号を分岐するビームスプリッタ７と、光子の入力に同期して、ビームスプリッタ７により分岐された一方のゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号をＡＰＤ１に供給するバイアス回路５と、ビームスプリッタ７により分岐された他方のゲート信号を振幅調整する減衰器８と、減衰器８からの出力信号を位相調整する位相シフタ９と、光子検出時のＡＰＤ１からの応答信号と位相シフタ９からの出力信号との差動入力を増幅する差動アンプ１０と、差動アンプ１０からの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器１１とを備えている。【００２７】
ＡＰＤ１からの光子非検出時の応答波形である正弦波と正弦波ゲート信号は周波数が同じ相似の波形であるため、減衰器８と位相シフタ９を用いて振幅および位相の調整をすれば、差動アンプ１０により相殺消去が可能である。【００２８】
以上のように、実施の形態３によれば、実施の形態１の構成に対しダミー回路６を削除することにより、周波数に依存したダミー回路６を構成する微分回路へのエネルギーの流れ込みが抑制でき、正弦波ゲート信号のＡＰＤ１に実効的に印加される振幅の周波数に依存した変化を抑制できる。このため、ダミー回路６における無駄なエネルギーの消費及びＡＰＤ１の周波数依存の無い安定動作を実現できる。【００２９】
実施の形態４．
上述した実施の形態１ないし３では、光子非検出時の応答波形である正弦波成分を別の正弦波成分を用いて相殺消去するものであるが、正弦波成分を通さないハイパスフィルタを用いれば容易に正弦波成分を除去できる。この実施の形態３では、図５に示す実施の形態２の構成から、ビームスプリッタ７、ダミー回路６、減衰器８、位相シフタ９、差動アンプ１０を削除した例を示す。【００３０】
図７は、この発明の実施の形態４に係る光子検出器の構成を示すブロック図である。図７において、図５に示す実施の形態２に係る光子検出器の構成と同一部分は同一符号を付して示し、その説明は省略する。図７に示す実施の形態４に係る光子検出器は、図５の構成において、ビームスプリッタ７、ダミー回路６、減衰器８、位相シフタ９、差動アンプ１０を削除したもので、正弦波状のゲート信号を生成する正弦波発生器３と、光子の入力に同期して、正弦波発生器３からのゲート信号に所定のＤＣ電圧を重畳した信号をＡＰＤ１に供給するバイアス回路５と、ＡＰＤ１からの応答信号から正弦波ゲート信号の主要な周波数成分を遮断するハイパスフィルタ１２と、ハイパスフィルタ１２からの出力が所定の閾値電圧以上のとき光子検出信号を出力する比較器１１とを備えている。【００３１】
ＡＰＤ１からの光子検出時の信号成分は、光子非検出時の応答波形である正弦波成分に比して十分高周波であるため、ハイパスフィルタ１２のみで光子検出信号の抽出が可能である。【００３２】
以上のように、実施の形態４によれば、正弦波ゲート信号でＡＰＤ１を駆動する場合は、ハイパスフィルタ１２のみで光子検出信号を抽出できるため、図２の構成において、ビームスプリッタ７、ダミー回路６、減衰器８、位相シフタ９、差動アンプ１０を削除して、非常に安価に光子検出器を構成できる。また、帯域除去フィルタに比してハイパスフィルタ１２は帯域特性の急峻な安価なフィルタが入手可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2010029638.tif 000011
2010029638.tif 000012
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