(57)【要約】【課題】従来技術よりも簡便な構成により高速性が向上された光子検出器を提供すること。【解決手段】ＡＰＤ７０１からの電圧信号と、パルス電源７０３からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが光子入射判別手段７０４に入力され、光子入射判別手段７０４において、ＡＰＤ７０１からの電圧信号のうちのゲート電圧の微分波形電圧とＡＰＤ７０１に対する光子入射による光子入射信号とをゲート電圧印加時刻を用いて判別する。そして、ゲート電圧印加時刻を含まない光子検出時刻のみを示す信号を出力する。光子入射判別手段７０４は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路を有する。ここで、所定の閾値は、ゲート電圧の微分波形電圧のピーク値および光子入射信号のピーク値よりも小さく設定する。このように閾値が小さくても、上記構成によれば正しく光子入射が検出できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）と、
前記ＡＰＤに、一定のバイアス電圧を定常的に印加するバイアス電圧印加手段と、
前記ＡＰＤに、前記バイアス電圧に加えて、矩形状のパルス電圧であるゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、
前記ＡＰＤからの電圧信号と、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが入力され、前記電圧信号のうちの前記ゲート電圧の微分波形電圧と前記ＡＰＤに対する光子入射による光子入射信号とを前記ゲート電圧印加時刻を用いて判別し、光子検出時刻を示す信号を出力する光子入射判別手段と
を備え、
前記光子入射判別手段は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路であって、前記所定の閾値は、前記ゲート電圧の前記微分波形電圧のピーク値および前記光子入射信号のピーク値よりも小さいものである閾値回路を有することを特徴とする光子検出器。
【請求項２】
前記光子入射判別手段は、
前記ＡＰＤからの前記電圧信号が入力される前記閾値回路と、
前記閾値回路からの前記信号パルス及び前記ゲート電圧印加手段からの前記ゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記信号パルスから前記ゲート電圧印加時刻に対応する時刻の入力信号を除去して、前記光子検出時刻を示す信号を出力する信号処理回路と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光子検出器。
【請求項３】
前記光子入射判別手段は、
前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記ゲート電圧印加時刻に同期したパルス信号を出力するパルス信号源と、
前記ＡＰＤからの前記電圧信号と前記パルス信号源からの前記パルス信号とを差動的に合成して差動合成信号を出力する差動合成回路と、
前記差動合成回路からの前記差動合成信号が入力される閾値回路と
を備え、
閾値回路が出力する前記信号パルスは、前記光子検出時刻を示す信号であることを特徴とする請求項１に記載の光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子検出器に関し、より詳細には、単一光子を検出するための光子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光の量子的性質を利用した量子情報通信システムの研究が進められている。量子情報通信システムでは、単一の光子を用いて情報を転送するため、単一光子を検出する光子検出器が実装に際してのキーデバイスとなる。デバイス性能としては、検出効率、雑音特性、高速性等が重要である。光子検出器としてはいくつかの種類が研究されているが、中でもアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）を用いるものは、他の光子検出器に比べて構成が簡便であるため実用性に優れている。
【０００３】
ＡＰＤ光子検出器では、単一光子が入射されると、それにより電子が励起され、励起電子がデバイス内で増倍されて巨視的電流となる電子雪崩（アバランシェ）現象が起こる。これを利用して、単一光子の入射を検知する。ここで、１つの励起電子からアバランシェ現象により巨視的電流を発生させるためには、高いバイアス電圧をＡＰＤに印加する必要がある。ところが、高いバイアス電圧を印加し続けると、「アフターパルス」と呼ばれる現象により誤動作が生じる。
【０００４】
アフターパルスとは、アバランシェ現象により多数発生した励起電子の一部が、ＡＰＤ内の不純物準位に捕獲され、その電子が熱的に再び励起されて次の電子雪崩を引き起こす現象である。最初のアバランシェ電流パルスに続いて、ゴーストともいうべき電流パルスが出力されることからアフターパルスと呼ばれる。アフターパルスは、本来は光子が入射されていないにも関わらず電流パルスが出力される現象であり、光子は未入力であるのに光子検出信号を出力するという誤動作を引き起こす。
【０００５】
このようなアフターパルスによる誤動作を避けるため、ＡＰＤに印加する電圧をパルス状にすることが通常行われる。すなわち、光子入射が見込まれる時刻だけに高いバイアス電圧を印加し、それ以外の時間帯は低バイアス状態とする。低バイアス時には、アバランシェ現象は起きないため、アフターパルスは発生しない。低バイアス状態がしばらく続くと、その間に不純物準位に捕獲された電子は価電子帯へと緩和し、次に高バイアス電圧を加えてもアフターパルスが起こらない。このようにして、アフターパルスによる誤動作を回避する。なお、所定の時刻に印加する高いバイアス電圧パルスを「ゲート電圧」と呼ぶ。
【０００６】
ゲート電圧駆動法によってアフターパルスは回避できるが、一方で、デバイスの高速性が制限される。ＡＰＤは、ゲート電圧印加時にしか光子を検出しない。単位時間内に多くの光子を検出するためには、ゲート電圧を繰り返し印加することになるが、印加するゲート電圧の時間間隔は、不純物準位に捕獲された電子が価電子帯へ緩和する時間より長くしなければならない。つまり、ゲート電圧を印加する繰り返し周波数には上限が存在する。通常のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの場合、この上限は数ＭＨｚ程度である。これより速い繰り返しの光子入射は検出できない。ＡＰＤを用いた単一光子検出器の高速性は、このゲート電圧の繰り返し周波数で制限される。
【０００７】
上記事情に鑑み、ＡＰＤの周辺回路を工夫して、ゲート電圧周波数を高くする手法が考案されている。図１はその構成例である（非特許文献１参照）。一般にＡＰＤでは、光子入射により発生したアバランシェ電流を抵抗に通し、その抵抗電圧から出力電圧信号を得る。通常はこの出力電圧をそのまま閾値回路に入力し、設定した閾値を超えると光子を検出したと判定するのであるが、図１の構成では、ＡＰＤ電圧出力と閾値回路との間に分岐・遅延・合成回路が挿入されている。すなわち、ＡＰＤ出力信号を２分岐し、一方に時間遅延を与えた後、再び差動合成したうえで、閾値回路に入力する。以下、このような回路の挿入により、ゲート電圧繰り返し周波数が高くできる事情を説明する。
【０００８】
ＡＰＤにゲート電圧が印加されていても、光子が未入射であれば、アバランシェ電流は流れない。この場合、ＡＰＤは印加電圧に対してコンデンサーと同じように作用する。すなわち、ハイパスフィルタとして作用し、矩形状の電圧印加に対して、その微分波形電圧が出力される（図２参照）。通常は、この出力電圧がそのまま閾値回路に入力される。この場合には、光子入射の有無を正しく判別するために、閾値回路の判別閾値は光子未入射時の微分波形電圧のピーク値より高く設定しなければならない。そしてさらに、光子入射時のアバランシェ電流から発生する出力電圧が、この閾値より高くなるようにしなければならない。具体的には、高いゲート電圧を印加して発生するアバランシェ電流を大きくすることにより、光子入射時の出力電圧を大きくする。
【０００９】
以上は通常のＡＰＤ光子検出器の動作である。図１ではこれに加えて、分岐・遅延・合成回路が挿入されている。これは、光子未入射時の微分波形電圧を抑圧するためのものである。ＡＰＤからの微分波形電圧は２分岐され、一方に時間遅延が与えられる。ここで遅延時間は、ゲート電圧パルス間の時間間隔に等しく設定されている。すると合成回路では、隣り同士のゲート電圧から発生した微分波形電圧が合成される。この合成は差動的に行われる。すなわち、一方の微分波形電圧から他方の微分波形電圧が引き算された信号電圧が出力される。ゲート電圧波形はどれも同じなので、この２つの微分波形電圧は同じである。したがって、差動合成回路からは、微分波形電圧が打ち消された信号電圧が出力される。
【００１０】
光子未入力時の微分波形電圧がゼロであると、閾値回路の閾値を低く設定することができる。閾値が低いと、光子入射時のアバランシェ電流は小さくても光子検出できる。具体的には、低いゲート電圧で光子が検出できる。
【００１１】
アバランシェ電流が小さいということは、雪崩的に励起される電子の数が少ないということである。励起電子数が少ないと、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなり、その結果、アフターパルスが起きにくくなる。
【００１２】
アフターパルス確率が小さければ、ゲート電圧の印加時間間隔を長くとる必要がなくなり、したがって、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。
【００１３】
以上の原理により、図１の回路構成を用いて、高速性が向上したＡＰＤ光子検出器を実現する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Z. L. Yuan, B. E. Kardynal, A. W. Sharpe, and A. J. Shields, ‘‘High speed single photon detection in the near infrared,’’ Appl. Phys. Lett. 91, 041114 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記従来技術が有効であるためには、分岐した信号を、タイミングを合わせて全く同じ波形として差動合成する必要がある。遅延時間がずれていたり、分岐・遅延経路中に波形が歪んだり振幅が変わったりすると、差動合成回路で２経路を経た微分波形電圧が完全には打ち消し合わない。つまり、上記従来技術の実装にあたっては、精密な回路設定が必要となる。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来技術よりも簡便な構成により高速性が向上された光子検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）と、前記ＡＰＤに、一定のバイアス電圧を定常的に印加するバイアス電圧印加手段と、前記ＡＰＤに、前記バイアス電圧に加えて、矩形状のパルス電圧であるゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、前記ＡＰＤからの電圧信号と、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが入力され、前記電圧信号のうちの前記ゲート電圧の微分波形電圧と前記ＡＰＤに対する光子入射による光子入射信号とを前記ゲート電圧印加時刻を用いて判別し、光子検出時刻を示す信号を出力する光子入射判別手段とを備え、前記光子入射判別手段は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路であって、前記所定の閾値は、前記ゲート電圧の前記微分波形電圧のピーク値および前記光子入射信号のピーク値よりも小さいものである閾値回路を有することを特徴とする光子検出器である。
【００１８】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記光子入射判別手段が、前記ＡＰＤからの前記電圧信号が入力される前記閾値回路と、前記閾値回路からの前記信号パルス及び前記ゲート電圧印加手段からの前記ゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記信号パルスから前記ゲート電圧印加時刻に対応する時刻の入力信号を除去して、前記光子検出時刻を示す信号を出力する信号処理回路とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記光子入射判別手段が、前記ゲート電圧印加手段からのゲート電圧印加時刻を示す信号が入力され、前記ゲート電圧印加時刻に同期したパルス信号を出力するパルス信号源と、前記ＡＰＤからの前記電圧信号と前記パルス信号源からの前記パルス信号とを差動的に合成して差動合成信号を出力する差動合成回路と、前記差動合成回路からの前記差動合成信号が入力される閾値回路とを備え、閾値回路が出力する前記信号パルスは、前記光子検出時刻を示す信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、精密な回路設定を必要とせずに、ＡＰＤから出力されるゲート電圧の微分波形電圧による誤動作を回避した光子検出器を実現することができ、その結果、高速性に優れた光子検出器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＡＰＤの周辺回路を工夫して、ゲート電圧周波数を高くする従来の構成例を示す図である。
【図２】矩形状の電圧印加に対するＡＰＤの作用を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態の光子検出器による光子検出を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態の光子検出器による光子検出を説明するための図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態の構成を示す図である。従来技術と同様に、ＡＰＤ３０１に対し、直流電源３０２からバイアス電圧が印加され、加えて、光子入射が見込まれる時刻にパルス電源３０３からゲート電圧が印加される。そして、ＡＰＤ３０１から電圧信号が出力される。本実施形態では、ＡＰＤ３０１からの電圧信号はそのまま閾値回路３０４に入力される。閾値回路３０４では、入力信号が設定した閾値を超えたときに信号パルスを出力する。閾値回路３０４からの信号パルスは、信号処理回路３０５に入力される。信号処理回路３０５には、ゲート電圧を印加するパルス電源３０３から、ゲート電圧印加時刻を示す信号も入力されている。そして、信号処理回路３０５から光子検出時刻を示す信号が出力される。信号処理回路３０５の動作については後述する。
【００２４】
上記構成において、ＡＰＤ３０１に印加するゲート電圧のパルス幅は、その立ち上がり部分の微分波形のパルス幅より長いものとする（図４（ａ）参照）。このようにすると、ゲート電圧印加中に光子入射があった場合、ＡＰＤ３０１からは、最初にゲート電圧の立ち上がり部分の微分波形電圧が出力され、次に入射光子によるアバランシェ信号が出力される（図４（ｂ）参照）。
【００２５】
このようなＡＰＤ３０１の出力電圧に対し、閾値回路３０４の判別閾値は、ゲート電圧の微分波形電圧のピーク値および光子入射信号のピーク値より小さいものとする（図４（ｂ）参照）。すると、閾値回路３０４からは、ゲート電圧立ち上がり時及び光子入射時に信号パルスが出力される。
【００２６】
信号処理回路３０５には、ゲート電圧印加時刻及び光子入射時刻に信号パルスが入力されている。ここで、信号処理回路３０５には、パルス電源３０３からゲート電圧印加時刻を示す信号も入力されている。この時刻情報を使うと、閾値回路３０４から入力された信号パルスのうち、どれがゲート電圧立ち上がり時の信号であるかが分かる。そこで信号処理回路３０５では、ゲート電圧立ち上がり時の信号を除去する。すると、残ったのは光子入射時の信号ということになり、これを光子検出時刻として出力する。
【００２７】
以上のように回路を構成・動作させると、閾値が小さくても正しく光子入射が検出できる。そのため、ゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。
【００２８】
本実施形態は、従来例のように、２つの信号が打ち消し合うようには構成されていない。したがって、従来例のような精密な回路設定は必要ではない。
【００２９】
さらにまた、ゲート電圧の時間幅が広いため、光子検出可能な時間帯が長くなっていることも、従来例に比べた利点となる。
【００３０】
なお、ゲート電圧の時間幅が広いと、１つのゲート電圧印加時間内でアフターパルスが起こる可能性があるが、いったんアバランシェが起こるとＡＰＤ内の電子が一瞬全部吐き出されるため、しばらくの間ＡＰＤは不感応状態となる（これを「クエンチング」という。）。そのため、ある程度の時間内であれば、アフターパルスが起こることはない。
【００３１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、信号処理回路３０５によりゲート電圧印加時刻に対応する時刻の信号を除去したが、アナログ回路的な処理によっても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
図５は、本発明の第２の実施形態の構成を示す図である。ＡＰＤ５０１にパルス幅の広いゲート電圧がパルス電源５０３から印加され、ＡＰＤ５０１から電圧信号が出力されるのは、第１の実施形態と同様である。本実施形態では、ＡＰＤ５０１からの電圧信号が、パルス信号源５０４からのパルス信号と差動合成回路５０５で差動合成される。このパルス信号は、ゲート電圧印加時刻と同期している。ここで、パルス信号のパルス幅は、ＡＰＤ５０１からのゲート電圧の微分波形電圧の立ち上がり時のパルス幅と同程度であることが好ましい。
【００３３】
このようなパルス信号源５０４からのパルス信号とＡＰＤ５０１からの電圧信号とが差動合成回路５０５で差動合成されると、その出力は図６のようになる。すなわち、ゲート電圧の微分波形電圧に対してパルス信号源５０４からのパルス信号が引き算されるので、この合成信号のピーク値はゼロレベル以下となる。一方、光子入射信号はそのまま出力される。
【００３４】
差動合成信号は閾値回路５０６に入力される。閾値回路５０６では、ゼロレベル以上かつ光子入射信号のピーク値以下の閾値を越えたときに、信号パルスを出力する。これにより、閾値回路５０６からは、光子入射時のみ信号パルスが出力される。
【００３５】
以上のように回路を構成・動作させると、低い閾値で光子入射が正しく検出でき、したがってゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。
【００３６】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態の構成を示す図である。第１及び第２の実施形態では閾値回路を用いた具体的な光子検出器について説明したが、本発明は、これらの構成に限定されない。図７に示すように、本発明は、ＡＰＤ７０１からの電圧信号と、パルス電源７０３からのゲート電圧印加時刻を示す信号とが光子入射判別手段７０４に入力され、光子入射判別手段７０４において、ＡＰＤ７０１からの電圧信号のうちのゲート電圧の微分波形電圧とＡＰＤ７０１に対する光子入射による光子入射信号とをゲート電圧印加時刻を用いて判別する。そして、ゲート電圧印加時刻を含まない光子検出時刻のみを示す信号を出力する。
【００３７】
光子入射判別手段７０４は、入力された信号が所定の閾値を超えたときに信号パルスを出力する閾値回路を有する。ここで、所定の閾値は、ゲート電圧の微分波形電圧のピーク値および光子入射信号のピーク値よりも小さく設定する。このように閾値が小さくても、上記構成によれば正しく光子入射が検出できる。そのため、ゲート電圧を小さくしてアバランシェ電流を小さくすることができる。すると、雪崩的に励起される電子の数が少なくなり、不純物準位に捕獲される電子数も少なくなる結果、アフターパルス率が小さくなり、ゲート電圧の繰り返し周波数を高くすることができる。
【００３８】
なお、図３、５及び７では、ＡＰＤとグランドとの間に抵抗を配置し、その抵抗電圧によりＡＰＤからの電圧信号を得ているが、このような構成のみに限定する意図ではない。
【符号の説明】
【００３９】
３０１  ＡＰＤ
３０２  直流電源（「バイアス電圧印加手段」に対応）
３０３  パルス電源（「ゲート電圧印加手段」に対応）
３０４  閾値回路
３０５  信号処理回路
５０１  ＡＰＤ
５０２  直流電源（「バイアス電圧印加手段」に対応）
５０３  パルス電源（「ゲート電圧印加手段」に対応）
５０４  パルス信号源
５０５  差動合成回路
５０６  閾値回路
７０１  ＡＰＤ
７０２  直流電源（「バイアス電圧印加手段」に対応）
７０３  パルス電源（「ゲート電圧印加手段」に対応）
７０４  光子入射判別手段
【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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