(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスであって、
前記光子検出デバイスが、それぞれ単一の光子を検出するように構成された複数の検出領域を備え、
前記光子検出デバイスが前記マルチコア光ファイバに結合されるとき、前記複数の検出領域の各々が、前記マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せするように配置され、
前記検出領域の各々は、半導体基板上に集積されたアバランシェ増倍領域を備え、
前記アバランシェ増倍領域は、第１の伝導率型を有する第１の半導体層と、第２の伝導率型を有する第２の半導体層とから形成されたｐ−ｎ接合を備え、
前記第１の伝導率型は、ｎ型又はｐ型から選択された１つであり、前記第２の伝導率型は、前記第１の伝導率型とは異なるｎ型又はｐ型から選択され、
前記第１の半導体層は、前記第１の伝導率型のドーパントでドープされたドープト層であり、前記第１の半導体層は、低電界ゾーンによって取り囲まれた高電界ゾーンのアイランドを備え、前記高電界ゾーン及び前記低電界ゾーンが、ｐ−ｎ接合の平面内で横方向に分布するように、前記第１の伝導率型のドーパントの濃度に変動があり、前記ドーパントの濃度は、低電界ゾーン内よりも高電界ゾーン内で高く、前記高電界ゾーンのアイランドは、より小さい直径を有する内側部分と、より大きい直径を有する外側部分とを有する円筒形形状を有する、光子検出デバイス。
【請求項２】
前記複数の検出領域の各々が別々の電極に電気的に結合されるか、前記検出領域のすべてが１つ又は複数の共通電極に電気的に結合され、前記検出領域の各々は、電気信号によって、独立に、又は同時に活性化される、請求項１に記載の光子検出デバイス。
【請求項３】
前記検出領域が、使用時に、前記マルチコア光ファイバの単一のコアから放出される光が前記コアと位置合せされる前記検出領域で検出されるように配置される、請求項１又は２に記載の光子検出デバイス。
【請求項４】
前記光子検出デバイスが前記マルチコア光ファイバに結合されるとき、前記光子検出デバイスのどの検出領域も、前記マルチコア光ファイバの単一のコアと位置合せされる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項５】
前記光子検出デバイスが前記マルチコア光ファイバに結合されるとき、各コアの断面エリアの全体が、対応する検出領域の断面エリアの少なくとも一部分と重複する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項６】
前記光子検出デバイスが前記マルチコア光ファイバに結合されるとき、前記マルチコア光ファイバの各コアが、単一の検出領域だけと位置合せされる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項７】
前記複数の検出領域の各々の面積が、前記複数の検出領域の各々の対応するコアの断面積より大きい、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項８】
前記複数の検出領域の各々が、５０μｍ2未満の面積を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項９】
前記複数の検出領域の隣接する検出領域間の最短距離が、４０μｍから２００μｍの間である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項１０】
前記複数の検出領域の１つの検出領域の周囲に前記複数の検出領域の他の検出領域が放射状形態に配置される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項１１】
前記検出領域の数が２０個未満である、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項１２】
前記複数の検出領域の各々が、丸形形状を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光子検出デバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光子検出デバイスと、前記マルチコア光ファイバとを備えるアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載されるアセンブリと、複数の復号ユニットと、多重化構成要素とをさらに備え、前記多重化構成要素が、前記復号ユニットからの１つまたは複数の出力を前記マルチコア光ファイバ上に多重化するように構成される、量子受信機。
【請求項１５】
前記多重化構成要素が、ファイバファンアウトである、請求項１４に記載の量子受信機。
【請求項１６】
複数の量子送信機と、請求項１４又は１５に記載の量子受信機とを備える量子通信システム。
【請求項１７】
マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスを製造する方法であって、前記光子検出デバイスが、それぞれ単一の光子を検出するように構成された複数の検出領域を備え、前記検出領域の各々は、半導体基板上に集積されたアバランシェ増倍領域を備え、
前記方法は、
第１の伝導率型のドーパントでドープされる第１の半導体層を形成することと、
第２の半導体層を形成することと、
第２の伝導率型のドーパントでドープされる、前記第２の半導体層内の複数の領域を形成することであって、前記光子検出デバイスが前記マルチコア光ファイバに結合されるとき、前記領域が横方向に分離され、前記マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せされる、前記第２の半導体層内の複数の領域を形成することと、
を備え、
前記第１の伝導率型が、ｎ型またはｐ型から選択された１つであり、前記第２の伝導率型が、前記第１の伝導率型とは異なり、ｎ型またはｐ型から選択され、
前記第１の半導体層は、前記第１の伝導率型のドーパントでドープされたドープト層であり、前記第１の半導体層は、低電界ゾーンによって取り囲まれた高電界ゾーンのアイランドを備え、前記高電界ゾーン及び前記低電界ゾーンが、ｐ−ｎ接合の平面内で横方向に分布するように、前記第１の伝導率型のドーパントの濃度に変動があり、前記ドーパントの濃度は、低電界ゾーン内よりも高電界ゾーン内で高く、前記高電界ゾーンのアイランドは、より小さい直径を有する内側部分と、より大きい直径を有する外側部分とを有する円筒形形状を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光子検出デバイスおよび光子検出デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子検出器は、工業検査と、環境監視と、光ファイバケーブルおよび構成要素の試験と、医用撮像と、化学分析と、科学研究とを含むいくつかの応用分野で使用される。
【０００３】
光子検出器はまた、線形光学量子コンピューティング、量子中継および中継器、量子暗号、光子数状態生成および調節、光源の光子放出統計の特徴付けなどの、量子情報技術での多くの応用分野にとって重要である。
【発明の概要】
【０００４】
これらの応用分野で使用される光子検出器を改善することが引き続き求められている。
【０００５】
次に、非限定的な配置にしたがったデバイスおよび方法が、添付の図面を参照しながら説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１（ａ）】光子検出デバイスおよびマルチコア光ファイバの概略的な例示である。
【図１（ｂ）】マルチコア光ファイバと位置合せされたときの光子検出デバイスの概略的な例示である。
【図１（ｃ）】アセンブリを形成するために光子検出デバイスと結合され得るマルチコアファイバの概略的な例示を示す。
【図１（ｄ）】アセンブリを形成するために光子検出デバイスと結合され得る代替マルチコアファイバの概略的な例示を示す。
【図２（ａ）】マルチコア光ファイバと、光子検出デバイスの一部であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の平面図概略的な例示である。
【図２（ｂ）】図２（ａ）に示されるＡＰＤの断面図の概略的な例示である。
【図２（ｃ）】回路接続を示すＡＰＤの概略的な例示である。
【図２（ｄ）−１】デバイスの製作シーケンスを示す。
【図２（ｄ）−２】デバイスの製作シーケンスを示す。
【図３（ａ）】光子検出デバイスの一部であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の断面図の概略的な例示である。
【図３（ｂ）】対応する平面図を示す。
【図３（ｃ）】ＡＰＤに対する回路接続を示すＡＰＤの概略的な例示を示す。
【図４】光子検出デバイスと、マルチコア光ファイバとの概略的な例示である。
【図５（ａ）】光子検出デバイスと、この光子検出デバイスに結合されたマルチコアファイバとを備えるアセンブリの概略的な例示である。
【図５（ｂ）】断面図で示される、光子検出デバイスと、マルチコア光ファイバとを備えるアセンブリの概略的な例示である。
【図６（ａ）】量子通信システムの概略的な例示である。
【図６（ｂ）】量子受信機の概略的な例示である。
【図６（ｃ）】量子受信機の概略的な例示である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一配置によれば、マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスが提供され、デバイスは、複数の検出領域を備え、デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、各検出領域は、マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せするように配置される。
【０００８】
したがって、光子検出デバイス内の検出領域は、マルチコアファイバ内のコアと事前位置合せされる。
【０００９】
検出領域は、使用時に、マルチコアファイバの単一のコアから放出される光がコアと位置合せされる検出領域で検出されるように配置される。デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、光子検出デバイスのどの検出領域も、マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せされる。デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、マルチコア光ファイバの各コアは、単一の検出領域だけと位置合せされる。
【００１０】
一実施形態では、デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、各コアの断面エリア(area)の全体が、対応する検出領域の断面エリアの少なくとも一部分と重複する。各検出領域の面積（area）は、対応するコアの断面積以上であり得る。一実施形態では、各検出領域は、５０μｍ2未満の面積を有する。
【００１１】
一実施形態では、隣接する検出領域間の最短距離は４０μｍ以上である。
【００１２】
検出領域は放射状形態で配置され得る。検出領域は、単一の検出領域の周囲に放射状形態で配置され得る。検出領域は丸形形状、たとえば円形形状を有し得る。
【００１３】
検出領域は、横方向のサイズおよび形状の点で同一であり得る。
【００１４】
一実施形態では、２０個未満の検出領域が存在する。
【００１５】
検出領域は、単一の光子を検出するように構成され得る。
【００１６】
検出領域は、半導体基板上に集積されたアバランシェ増倍領域を備え得る。
【００１７】
したがって、コンパクトなデバイスが形成され得る。
【００１８】
光子検出デバイスは、第１の伝導率型を有する第１の半導体層と、第２の伝導率型を有するより多くの領域のうちの２つを備える第２の半導体層とから形成されたｐ−ｉ−ｎ接合を備え得、第１の伝導率型は、ｎ型またはｐ型から選択された１つであり、第２の伝導率型は、第１の伝導率型とは異なり、ｎ型またはｐ型から選択される。
【００１９】
光子検出デバイスは、第１の伝導率型を有する第１の半導体層と、第２の伝導率型を有する第２の半導体層とから形成されたｐ−ｎ接合を備え得、第１の伝導率型は、ｎ型またはｐ型から選択された１つであり、第２の伝導率型は、第１の伝導率型とは異なり、ｎ型またはｐ型から選択され、第１の半導体層は、第１の伝導率型のドーパントでドープされるドープト層であり、第１の層が、低電界ゾーンによって取り囲まれた高電界ゾーンのアイランドを備え、高電界ゾーンおよび低電界ゾーンが、ｐ−ｎ接合の平面内で横方向に分布するように、第１の伝導率型のドーパントの濃度に変動があり、ドーパント濃度は、低電界ゾーン内よりも高電界ゾーン内で高い。
【００２０】
各検出領域は、別々の電極に電気的に結合され得る。検出領域のすべてが、１つまたは複数の共通電極に電気的に結合され得る。各検出領域は、電気信号によって、独立に、または同時に活性化され得る。
【００２１】
別の実施形態によれば、光子検出デバイスと、マルチコア光ファイバとを備えるアセンブリが提供される。
【００２２】
別の実施形態によれば、アセンブリを備える量子受信機が提供される。
【００２３】
量子受信機は、複数の復号ユニットと、多重化構成要素とを備え得、多重化構成要素は、復号ユニットからの１つまたは複数の出力をマルチコア光ファイバ上に多重化するように構成される。
【００２４】
多重化構成要素はファイバファンアウトであり得る。
【００２５】
別の実施形態によれば、複数の量子送信機と、量子受信機とを備える量子通信システムが提供される。
【００２６】
各量子送信機は、マルチコア光ファイバ内の別々のコアに光学的に結合され得る。
【００２７】
別の実施形態によれば、マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスを設計する方法であって、
マルチコアファイバの複数のコアの相対位置を得ることと、
デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、各検出領域が、マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せするように配置されるよう、光子検出デバイスの複数の検出領域の位置を決定することと
を備える方法が提供される。
【００２８】
相対位置を得るステップは、相対位置を測定することを備え得る。
【００２９】
別の実施形態によれば、マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスを製造する方法であって、光子検出デバイスを設計する方法を備え、設計に従って光子検出デバイスを製造するステップをさらに備える方法が提供される。
【００３０】
別の実施形態によれば、マルチコア光ファイバに結合するように構成された光子検出デバイスを製造する方法であって、
第１の伝導率型のドーパントでドープされる第１の半導体層を形成することと、
第２の半導体層を形成することと、
第２の伝導率型のドーパントでドープされる第２の半導体層内の複数の領域を形成することと、デバイスがマルチコア光ファイバに結合されるとき、前記領域が横方向に分離され、マルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せされる、
を備え、
第１の伝導率型は、ｎ型またはｐ型から選択された１つであり、第２の伝導率型は、第１の伝導率型とは異なり、ｎ型またはｐ型から選択される方法が提供される。
【００３１】
一実施形態では、領域を形成することは、ガスエマージョンレーザドーピング（gas emersion laser doping）、注入、拡散、またはエッチングおよびさらなる製作を使用することを備える。
【００３２】
本明細書では、「マルチコア光ファイバ」という用語は、２つ以上のコアを備える光ファイバを指す。
【００３３】
本明細書では、「マルチモードコア」という用語は、２つ以上の空間モードの伝送をサポートする光ファイバコアを指す。
【００３４】
図１（ａ）は、一実施形態による光子検出デバイス１と、マルチコア光ファイバ２との概略的な例示である。
【００３５】
光子検出デバイス１は、マルチコア光ファイバ２に結合するように構成される。光子検出デバイス１は、複数の検出領域３ａから３ｇを備える。検出領域３ａから３ｇは、横方向に分離される。この実施形態では、光子検出デバイス１は、７つの検出領域３ａから３ｇを備えるが、一般には、光子検出デバイスは２つ以上の検出領域を備え得る。マルチコア光ファイバは、７つのコア４ａから４ｇを備える。検出領域３ａから３ｇは、光子検出デバイス１がマルチコア光ファイバ２に結合されるとき、各検出領域３ａから３ｇがマルチコア光ファイバ２の単一のコアだけと位置合せされるように配置される。したがって、光子検出デバイス１が第１の向きでマルチコア光ファイバ２に結合されるとき、第１の検出領域３ａは第１のコア４ａと位置合せされ、第２の検出領域３ｂは第２のコア４ｂと位置合せされ、第３の検出領域３ｃは第３のコア４ｃと位置合せされ、第４の検出領域３ｄは第４のコア４ｄと位置合せされ、第５の検出領域３ｅは第５のコア４ｅと位置合せされ、第６の検出領域３ｆは第６のコア４ｆと位置合せされ、第７検出領域３ｇは第７コア４ｇと位置合せされる。言い換えれば、各検出領域は、マルチコア光ファイバのコアと位置合せされる。
【００３６】
検出領域３ａから３ｇの横方向分布は、マルチコアファイバ内のコア４ａから４ｇの幾何形状を再現し、幾何公差を可能にする。このことは、光子検出デバイス１がマルチコアファイバ２に結合されるとき、検出領域と、対応するコアとの間の位置合せを保証する。したがって、光子検出デバイス１内の検出領域３ａから３ｇが、マルチコアファイバ２内のコア４ａｓから４ｇと事前位置合せされ、さらなる位置合せ手順を低減または回避する。言い換えれば、検出領域３ａから３ｇの互いに対する配置は、コア４ａから４ｇの配置と事前位置合せされ、光子検出デバイス１がマルチコアファイバ２に結合されるごとの、検出領域３ａから３ｇの相対的配置のさらなる調節が要求されないことを意味する。一実施形態では、マルチコアファイバ内の各コアの断面エリアが、対応する検出領域の断面エリアの８０％と重複する。マルチコアファイバ内の各コアの断面エリアのすべてが、対応する検出領域と重複する。
【００３７】
光子検出デバイス１は、小面積のコンパクトなデバイスである。検出領域のアレイは、たとえば単一の半導体基板上に製造され得る。
【００３８】
光子検出デバイス１およびマルチコア光ファイバ２アセンブリは、量子鍵配送（ＱＫＤ）システム内で使用され得る。そのようなシステムの例が、図６および図７に関連して説明される。光子検出デバイス１は、ＱＫＤシステムの容易な組立て（assembly）を可能にする。
【００３９】
さらに、ＱＫＤシステムのビットレートは、光子検出デバイス１内の検出領域３ａから３ｇの数によって増倍される。したがって、高ビットレートのＱＫＤシステムが構築され得る。
【００４０】
一実施形態では、光子検出デバイス１は、さらなる検出領域によって取り囲まれる単一の検出領域を備える。単一の検出領域は中心検出領域と呼ばれることになる。しかし、中心検出領域は、さらなる検出領域の幾何学的中心に位置する必要はないが、さらなる検出領域によって囲まれるエリア内の任意の位置に位置し得る。さらなる検出領域は、中心検出領域の周囲にリングを形成し得る。さらなる検出領域は、中心検出領域から実質的に等しく離間され得る。さらなる検出領域は、互いに実質的に等しく離間され得る。さらなる検出領域間の距離は、さらなる検出領域と中心検出領域との間の距離と実質的に同一であり得る。
【００４１】
代替実施形態では、光子検出デバイス１は、さらなる検出領域によって取り囲まれる単一の検出領域を備えないが、中心領域のないリング形状の形態の複数の検出領域を備える。
【００４２】
マルチコアファイバ内のコアは結合解除され得る。
【００４３】
光子検出デバイス１は一層さらなる（yet further）検出領域を備え得、たとえば、さらなる検出領域のリングを取り囲む検出領域の１つまたは複数の外部リングがあり得る。
【００４４】
図に示される光子検出デバイス１は、６つのさらなる検出領域のリングによって取り囲まれる単一の検出領域を備える。検出領域は、平面図で見られると、形状が円形であり、すなわち検出領域は円形の断面形状を有する。検出領域は六方最密構造を形成する。
【００４５】
一般には、検出領域は、任意の形状、たとえば丸形または多角形を有し得、マルチコアファイバ２内のコアの構成に応じて任意の構造で配置され得る。検出領域の代替配置が、たとえば図４に示される。
【００４６】
一実施形態では、回転対称性を有する方式でコア４ａから４ｇが配置され、光子検出デバイス１とマルチコア光ファイバ２とが複数の向きで結合され得る。各向きでは、各検出領域３ａから３ｇが、マルチコア光ファイバ２の単一のコアだけと位置合せされる。しかし、検出領域３ａから３ｇのいくつかまたはすべてが、異なる向きで異なるコアと位置合せする。このケースでは、マルチコア光ファイバ２の対称性の次数は６であり、したがって、光子検出デバイス１は、６つの異なる向きでマルチコア光ファイバ２に結合され得る。ファイバの各コアが単一の検出エリアと位置合せされる限り、マルチコアファイバとの間の光子検出デバイス１の任意の向きが可能である。
【００４７】
図１（ｂ）は、マルチコア光ファイバ２と位置合せされたときの、一実施形態による光子検出デバイス１の概略的な例示である。
【００４８】
７つの検出領域を有する六方最密構造が示されているが、マルチコアファイバ２内のコアの構成に応じて、検出領域の任意の配置および数が使用され得る。
【００４９】
マルチコアファイバ２の単一のコアから放出された光は、コアと位置合せされる検出領域で検出される。単一の位置合せされたコアからの光だけが、各検出領域で検出される。マルチコアファイバ２の各コアから放出された光は、異なる検出領域で検出される。光子検出デバイスのどの検出領域も、マルチコア光ファイバの単一のコアと位置合せされる。
【００５０】
一実施形態では、各検出領域の断面積は、対応するコアの断面積以上である。
【００５１】
一実施形態では、検出領域の断面積は、マルチコアファイバ内のコアの断面積よりも大きい。マルチコアファイバ２が光子検出デバイス１に接続されるとき、各コアの断面エリア全体が、対応する検出領域の断面エリアの一部と重複する。光子検出デバイス１は、各検出領域について、コアのいずれも検出領域の外部のエリアと位置合せしないように位置合せされる。したがって、各コアから放出される光のすべては、対応する検出領域の一部に影響を及ぼす。
【００５２】
さらに、マルチコア光ファイバの各コアは、単一の検出領域だけと位置合せされる。単一のコアから放出された光は、単一の検出エリアだけと相互作用し、そこで検出される。
【００５３】
一実施形態では、各検出領域の断面積は、対応するコアの断面積よりも大きい。この結果、良好な検出効率が得られる。
【００５４】
一実施形態では、各検出領域は１００μｍ2未満の断面積を有する。一実施形態では、各検出領域は４０μｍ2未満の断面積を有する。一実施形態では、各検出領域は２０μｍ2未満の断面積を有する。一実施形態では、各検出領域は１０μｍ2未満の断面積を有する。一実施形態では、各検出領域は５μｍ2未満の断面積を有する。
【００５５】
一実施形態では、検出領域は５μｍから５０μｍの間の幅である。一実施形態では、検出領域は円形であり、５μｍから１０μｍの間の直径を有する。
【００５６】
一実施形態では、隣接する検出領域間の最短距離は４０μｍ以上である。一実施形態では、隣接する検出領域間の最短距離は１００μｍ以上である。一実施形態では、隣接する検出領域間の最短距離は２００μｍ未満である。
【００５７】
検出領域は、単一の光子に感応し得る。
【００５８】
図１（ｃ）は、マルチコアファイバ２の概略例示を示し、マルチコアファイバ２は、一実施形態に従ってアセンブリを形成するために光子検出デバイス１と結合され得る。各コアは透明な導波路である。コアは共有クラッディングによって取り囲まれる。コアは、マルチコアファイバ２に沿って縦方向に延びる。示されているマルチコアファイバ２では、６つのコアがリングで配置され、第７のコアがリング内部にある。
【００５９】
マルチコアファイバ２と複数のファイバから作成される光ケーブルとの間の違いは、共有クラッディングである。クラッディングはコアを取り囲む材料である。クラッディングは、光学モード（複数を含む）を制限する（confine）ためにコアよりも低い屈折率を有する。マルチコアファイバ内の複数のコアはすべて、単一の共有クラッディング内に入れられる。しかし、マルチファイバ光ケーブルでは、各ファイバが、別々の個々のクラッディング内に入れられる。したがって、各ファイバは、それ自体が完全に機能する導波路であり、他のファイバから分離され得る。
【００６０】
一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも５０ｋｍの距離にわたって行われ得るように構成される。一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも１００ｋｍの距離にわたって行われ得るように構成される。一実施形態では、マルチコアファイバは、伝送が少なくとも２００ｋｍの距離にわたって行われ得るように構成される。
【００６１】
一実施形態では、マルチコアファイバ内のコアは、光信号が各コア内で同一の速度で伝播するように構成される。
【００６２】
マルチコア光ファイバ２は、コア当たり１つの空間モードの伝送を可能にする。
【００６３】
あるいは、１つまたは複数のコアが、２つ以上の空間モードの伝送を可能にし得、言い換えれば、１つまたは複数のコアが、マルチモードコアであり得る。そのようなマルチコアファイバ２が、図１（ｄ）に示される。
【００６４】
図１（ｄ）は、代替マルチコアファイバ２の概略的な例示を示し、代替マルチコアファイバ２は、一実施形態に従ってアセンブリを形成するために光子検出デバイス１と結合され得る。このマルチコアファイバ２では、コアのすべてが、２つ以上の空間モードの伝送を可能にする。
【００６５】
マルチモードコアは大きい直径を有し、したがって、同一の導波路内で１つよりも多い空間モードの伝送をサポートする。一実施形態では、コア直径は５０ｕｍである。
【００６６】
一実施形態では、光子検出デバイス１は、コアがマルチモードコアであるマルチコアファイバに結合するように構成され、検出領域は円形であり、５０μｍから１００μｍの間の直径を有する。
【００６７】
図２（ａ）は、マルチコア光ファイバ２と、一実施形態による光子検出デバイス１の一部であるアバランシェフォトダイオードの平面図の概略的な例示である。検出領域３ａから３ｇは、半導体基板上に集積されたアバランシェ増倍領域を備える。
【００６８】
デバイスは、デバイスが検出するように設計される光の波長に応じて、１つまたは複数の半導体材料から製作され得る。
【００６９】
各検出領域はアバランシェ増倍領域を備える。検出領域は、平面図で見られると、円形形状を有する。あるいは、検出領域は、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、マルチコアファイバの対応するコアの断面形状に合致する。
【００７０】
金属接触領域２０８は各検出領域を取り囲む。各金属接触領域２０８は、検出領域の外部周囲に配置されたリング形状の領域であり得る。
【００７１】
各検出領域について、対応する接点がある。このケースでは、接点はアノード接点であるが、代替として接点はカソード接点であり得ることを理解されよう。各アノード接点は金属接触領域２０８に接続される。
【００７２】
各検出領域は、対応するガードリング２０６を有し得る。ガードリングは、検出領域間の「漏話」を抑制する。ガードリング２０６は検出領域を取り囲む。各ガードリング２０８は、検出領域の外部周囲に配置されたリング形状の領域である。ガードリング３０６は、ガードリング２０６と金属接触領域２０８との間の距離を置いて、金属接触領域２０８の外部に配置される。
【００７３】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるＡＰＤの概略的な断面図である。
【００７４】
ＡＰＤは、第１の伝導率型の第１の層２０３と、第１の伝導率型の第２の層２０２とを備える。これらは、薄くドープされた層、または非ドープ層でさえある。ＡＰＤは、第１の伝導率型の濃くドープされた層２０４をさらに備える。濃くドープされた層２０４は、第２の層２０２の上に重なり、第２の層２０２と接触する。第１の層２０３は、濃くドープされた層２０４の上に重なり、濃くドープされた層２０４と接触する。
【００７５】
第１の伝導率型はｎ型であり、第２の伝導率型はｐ型である。しかし、代替構造を使用すると、第１の伝導率型はｐ型であり得、第２の伝導率型はｎ型であり得ることを理解されよう。
【００７６】
第２の層２０２は基板２０１の上に重なり、基板２０１と接触する。あるいは、バッファ層などの１つの中間層または複数の中間層が設けられ得る。
【００７７】
第１の層２０３は、第２の伝導率型の２つ以上の濃くドープされた領域２０５を備え、濃くドープされた領域２０５は、第１の層２０３の残りよりも高いドーパント濃度を有する。これらの領域は「アイランド」であり、すなわち各々は、他の高ドーパント濃度領域２０５から横方向に分離される。
【００７８】
疑念を避けるために、「高ドーパント濃度領域」という用語は、ドーパントによって与えられるキャリアの濃度を指す。
【００７９】
濃くドープされた領域２０５は、第１の層２０３の表面に位置する。濃くドープされた領域の深度は、第１の半導体層２０３の深度未満である。
【００８０】
濃くドープされた領域２０５は、平面図で見られると円形形状を有し、言い換えれば、濃くドープされた領域２０５は円筒形形状を有する。しかし、濃くドープされた領域は、原則的には、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、マルチコアファイバの対応するコアの断面形状に合致する。このケースでは、濃くドープされた領域は、構造の表面に、より小さい直径を有する部分と、より大きい直径を有する部分とを有する。このことはエッジ破壊を低減する。
【００８１】
検出領域ＤＲが図に示されている。検出領域は、金属接点２０８間にある、濃くドープされた領域２０５から濃くドープされた層２０４までの、反射防止膜２０９で覆われた領域を備える。
【００８２】
構造はまた、ガードリング２０６をも備え得る。ガードリング２０６は、濃くドープされた領域２０５の外部周囲に配置される。このケースでは、ガードリング２０６は円形であるが、ガードリング２０６は、原則的には、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、濃くドープされた領域２０５の形状に合致する。ガードリング２０６はまた、第１の層２０３の濃くドープされた領域でもあり、第２の伝導率型の濃くドープされた領域でもある。ガードリング２０６は、濃くドープされた領域２０５と同一の伝導率型を有する。ガードリング２０６は、第１の層２０３の表面に位置する。ガードリング２０６の深度は、第１の半導体層２０３の深度未満である。
【００８３】
各々の濃くドープされた領域２０５の上の表面の一部分を除いて、パシベーション層２０７が構造の表面の上に重なり、構造の表面と接触する。パシベーション層２０７は、濃くドープされた領域２０５の表面の外側部分の上に重なり、それと接触し、濃くドープされた領域２０５の内側部分の上に重ならず、それと接触しない。
【００８４】
各検出領域に対応する金属接触領域２０８は、パシベーション層のエッジ、および濃くドープされた領域２０５の内側部分の外側部分の上に重なり、それと接触する。
【００８５】
濃くドープされた領域２０５の残りの部分、すなわちパシベーション層２０７または金属接触領域２０８によって覆われない、濃くドープされた領域の部分は、検出デバイス１のアクティブエリアであり、検出領域の一部を形成する。
【００８６】
反射防止膜２０９は、濃くドープされた領域２０５の残りの部分の上に重なり、それと接触し得る。
【００８７】
別々のアノード接点が各金属接触領域２０８に接続され、それによって各金属接触領域、したがって各検出領域が別々のアノードに接続される。単一の第２の金属接触領域２１０が基板２０１の反対側に形成され、カソードに接続される。
【００８８】
使用の際に、ｐ−ｉ−ｎ接合が、濃くドープされたｐ型領域２０５、ｎ型層２０３、および濃くドープされたｎ型層２０４から形成され、アバランシェ領域を形成する。
【００８９】
各アノードとカソードとの間に電圧が印加される。濃くドープされたｎ型層２０４と、各々の濃くドープされたｐ型層２０５との間の界面にわたって高電界が生成される。適切なバイアスが接合にわたって印加されるとき、アバランシェ増倍がこの領域内で行われ得る。
【００９０】
濃くドープされた層２０４の深度は０．１μｍ未満であり得、それによって、ＡＰＤは、対応する低い破壊電圧を有する状態で、浅い空乏領域を有する薄い接合が達成される。破壊電圧はまた、層２０４のドーピングレベルと、領域２０５のドーピングレベルおよび深度にも依存することになる。
【００９１】
濃くドープされた領域２０５の露出部分、または反射防止膜２０９内に覆われた濃くドープされた領域２０５の一部分である金属接触領域２０８内のデバイスの領域が、デバイスの検出領域を形成する。
【００９２】
これらの領域のサイズ、幾何形状、および配置は、マルチコアファイバ２内のコアのサイズ、幾何形状、および配置に従って、ｐ−ｉ−ｎ接合の平面内の濃くドープされたｐ型領域２０５の２Ｄドーピングプロファイルを操作することによって制御され得る。
【００９３】
検出領域の形状およびサイズは、たとえば、パシベーション層２０７または金属接触領域２０８の形状およびサイズ、ならびに濃くドープされた領域２０５のそれを変更することによって制御され得る。
【００９４】
一実施形態では、濃くドープされたｐ型領域２０５は、少なくとも１０16ｃｍ-3のドーピング濃度を有し、さらなる実施形態では、少なくとも１０17ｃｍ-3または１０18ｃｍ-3を有する。一実施形態では、第１の層２０３の残部のドーピング濃度は、高電界ゾーン２０５についてのドーピング濃度の少なくとも１０分の１であり、さらなる実施形態では、１００分の１である。領域２０３のドーピングレベルは、たとえば１０16ｃｍ-3未満であり得る。
【００９５】
図２（ｃ）は、一実施形態によるＡＰＤに対する回路接続を示すＡＰＤの概略的な例示を示す。
【００９６】
ＡＰＤはガイガーモードで動作され得る。ガイガーモード動作では、破壊電圧を超える逆電圧がＡＰＤに印加される。反射防止膜２０９がその上に被覆される、すなわち層が製作される基板のサイドにあるデバイスの表面に入射する光が吸収され、キャリアを生成する。光は領域２０２内に吸収され、キャリアを生成し、キャリアは領域２０３までドリフトし、衝撃イオン化に起因して高電界領域内で増倍する。濃くドープされたｎ型層２０４と濃くドープされたｐ型領域２０５との間の界面にわたる高電界は、破壊電圧より上の電圧が接合にわたって印加されるとき、アバランシェ増倍がこれらの領域内で生じることを意味する。したがって、生成されたキャリアは、アバランシェ増倍領域内で増倍される。各検出領域について結果として得られる出力信号ＶOUTは、対応するアノード接点２０８で測定される。検出領域ＤＲは、金属接点２０８間にある、濃くドープされた領域２０５から濃くドープされた層２０４までの反射防止膜２０９で覆われた領域を備える。
【００９７】
ゲート光子検出器では、時間変動する電圧が、バイアスＴ回路を通じて印加され得る。ＡＣ電圧成分ＶACとＤＣ電圧成分ＶDCとが、バイアスＴ回路を使用して組み合わされる。バイアスＴ回路は、Ｔの第１のアーム上の、ＡＣ電圧源に接続されたコンデンサと、Ｔの第２のアーム上の、ＤＣ電圧源に接続されたインダクタとを備える。バイアスＴ回路は、ＡＰＤのカソード接点、すなわち金属接点２１０に接続される。したがって、ＡＰＤに印加されるバイアス電圧は、ＤＣ成分とＡＣ成分の両方を備える。ＡＰＤに印加されるバイアス電圧は、その最高値では破壊電圧より上であり、その最低値では破壊電圧より下である。バイアス電圧が破壊電圧を超えるとき、検出器が「オン」にゲーティングされ、バイアス電圧が破壊電圧より下であるとき、検出器が「オフ」にゲーティングされる。したがって、ＡＣ電圧成分の周波数はゲーティング周波数である。ゲーティング周波数は、たとえばＱＫＤシステム内の光子源の駆動周波数と同期され得る。各検出領域について別々のＡＣ源があり得、そのケースでは、各領域は別々にゲーティングされ得る。あるいは、検出領域は共通モードでバイアスされ得る。
【００９８】
代替実施形態では、光子検出デバイスはゲーティングされず、連続モードで動作される。破壊電圧を超えるＤＣ電圧が印加される。
【００９９】
動作温度およびデバイス構造に応じて、ＡＰＤについての破壊電圧は、２０Ｖから３００Ｖまで変動し得る。
【０１００】
一実施形態では、各検出領域についてのＡＰＤの出力が、グランドに接続される抵抗器で測定される。各アノード接点１０８は抵抗器に接続される。光子が検出領域に入射するとき、アバランシェ光電流は誘導され、出力電圧Ｖoutに対応する抵抗器の両端間の電圧となる。検出領域の電気的出力を測定するために他の回路が使用され得る。
【０１０１】
各検出領域からのアバランシェ光電流信号が別々のアノードで測定される。したがって、どの検出領域が各検出に対応するか、したがってマルチコアファイバのどのコアが検出に対応するかが決定され得る。各検出領域は、周期的バイアス電圧信号によって破壊を超える状態（above-breakdown state）に上げられるとき、単一光子感応性となる。したがって、検出領域の各々は、局所的に励起された光キャリアの別個のアバランシェ増倍を独立にサポートすることができる。検出領域は、別々のアノードに電気的に結合され、したがって、検出領域の各々で吸収される光子からアバランシェ光電流への寄与が区別され得る。
【０１０２】
一実施形態では、出力が自己差分回路に接続される。自己差分動作モードでは、出力信号のバックグラウンドが、信号の一部を信号の前の一部と比較することによって除去される。
【０１０３】
さらなる実施形態では、回路は、アバランシェイベントの測定値を複数の所定のレベルと比較するように構成された弁別器を備える。
【０１０４】
図２（ｄ）−１および図２（ｄ）−２のｉからｖは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるようなデバイスについての製作シーケンスを示す。光子検出デバイスは、集積回路処理を使用して製作され得る。
【０１０５】
ヘテロ構造についての基礎は基板２０１であり、基板２０１の上に後続の層構造が製作される。基板は、たとえばＩｎＰ基板であり得る。
【０１０６】
一様なヘテロ層である第２の層２０２が、前記基板２０１上に堆積される。第２の層２０２は、たとえば、非ドープの、または薄くドープされたｎ型ＩｎＧａＡｓ層であり得る。
【０１０７】
一様なｎ＋型ヘテロ層である濃くドープされた層２０４が、前記第２の層２０２上に堆積されうる。この層は、たとえば、濃くドープされたｎ型ＩｎＰ層であり得る。
【０１０８】
一様な層である第１の層２０３が、前記濃くドープされた層２０４上に堆積されうる。第１の層２０３は、たとえば、非ドープの、または薄くドープされたｎ型ＩｎＰであり得る。
【０１０９】
製作中のこの段階でのデバイスの断面図がｉに示されている。
【０１１０】
濃くドープされたｐ型材料２０５のエリアが、第１の層２０３内に組み込まれる。エリアは、たとえばＺｎ拡散によって、あるいはガスイマージョンレーザドーピングまたはイオン注入によって組み込まれ得る。
【０１１１】
一実施形態では、ガードリング領域２０６を形成する、濃くドープされた材料のさらなるエリアも、第１の層２０３内に組み込まれる。濃くドープされた領域２０５と同一のステップで、または別々のステップで、および同一の方法によって、または異なる方法によってガードリング領域が形成され得る。
【０１１２】
製作中のこの段階でのデバイスの断面図がｉｉに示されている。
【０１１３】
代替実施形態では、第１の層２０３および第２の層２０２はシリコンであり得、その中では、それぞれホウ素または亜リン酸不純物を使用して、ｐ型およびｎ型ドーピングが達成され得る。あるいは、デバイスはシリコン−ゲルマニウムヘテロ構造に基づき得るか、またはＩＩＩ−Ｖ族の半導体のいずれかに基づき得る。
【０１１４】
代替実施形態では、デバイスは、たとえばガスイマージョンレーザドーピング、注入、または拡散によって中程度にドープされたｎ型ヘテロ層２０３内に組み込まれる、濃くｎドープされた領域２０５を備える。
【０１１５】
各々の濃くドープされた領域２０５の上の表面の一部分を除いて、パシベーション層２０７がデバイスの表面上に堆積される。パシベーション層２０７は、誘電体、たとえば窒化シリコンまたは酸化シリコンであり得る。
【０１１６】
製作中のこの段階でのデバイスの断面図がｉｉｉに示されている。
【０１１７】
次いで、各検出領域に対応する金属接触領域２０８が、パシベーション層のエッジ部分、および濃くドープされた領域２０５の内側部分の外側部分上に堆積される。たとえば、金属接触領域２０８は、濃くドープされたｐ型領域がＩｎＰであるクロム／金２重層であり得る。製作された層２１０に対して反対側の基板の表面上の金属接触領域は、異なる金属または半導体であり得る。
【０１１８】
製作中のこの段階でのデバイスの断面図がｉｖに示されている。
【０１１９】
反射防止膜２０９が、濃くドープされた領域２０５の残りの部分上に堆積され得る。反射防止膜２０９の材料は、検出器のために意図された光の波長に依存し得る。たとえば、ＩｎＰベースの検出器では、表面での反射が最小となるように、選択された厚さを有する窒化シリコンが使用され得る。
【０１２０】
製作中のこの段階でのデバイスの断面図がｖに示されている。
【０１２１】
図３（ａ）は、一実施形態による光子検出デバイスの一部であるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の概略的な断面図である。このデバイスでは、検出領域間の電気的結合は、単一の半導体層を介するものである。図３（ｂ）は対応する平面図を示す。
【０１２２】
ＡＰＤは、第１の伝導率型の層１０３と、第１の伝導率型の層１０３の上に重なり、第１の伝導率型の層１０３と接触する第２の伝導率型の層１０７とを備える。この特定の実施形態では、第１の伝導率型の層１０３は基板１０１の上に重なり、基板１０１と接触する。しかし、バッファ層などの中間層が設けられ得る。この特定の実施形態では、第１の伝導率型の層１０３がｐ型層であり、第２の伝導率型の層１０７がｎ型層である。しかし、層の順序は変更され得ることを理解されよう。第１の層１０３と第２の層１０７との間の界面でｐ−ｎ接合が形成される。デバイスは、たとえばシリコンベースであり得る。
【０１２３】
第１の層１０３は、層１０３の残りよりも高いドーパント濃度を有する領域１０５を備える。これらの領域は「アイランド」として形成されることになり、その結果、これらの領域は、他の高ドーパント濃度領域から横方向に分離される。
【０１２４】
濃くドープされた領域１０５は第１の層１０３の表面に位置し、第２の層１０７と接触する。濃くドープされた領域の深度は、第１の半導体層１０３の深度未満である。光は、デバイスのこの表面に影響を及ぼす。
【０１２５】
濃くドープされた領域１０５は、平面図で見られると円形形状を有し、言い換えれば、濃くドープされた領域１０５は円筒形形状を有する。しかし、濃くドープされた領域は、原則的には、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、マルチコアファイバの対応するコアの断面形状に合致する。
【０１２６】
次に、構造の製作が説明されることになる。
【０１２７】
ヘテロ構造についての基礎はｐ型シリコン基板１０１であり、ｐ型シリコン基板１０１の上に後続の層構造が製作される。一様なｐ型ヘテロ層１０３が前記基板１０１上に堆積される。濃くドープされたｐ型材料１０５のエリアが、前記層１０３内に組み込まれる。これらのエリアは、たとえばガスイマージョンレーザドーピング、イオン注入、またはドライブイン拡散によって組み込まれ得る。たとえば関心のあるスペクトル領域に応じて、異なるドーピングエリアを有する他の層型が製作され得る。たとえば、デバイスはＩｎＰベースであり得る。
【０１２８】
その後で、濃くドープされたｎ型材料１０７の層が、たとえばガスイマージョンレーザドーピング、注入、または拡散によって、濃くドープされたｐ型領域１０５のすべてを包含するようにエリアにわたって成長する。
【０１２９】
単一のカソード１１０がｎ型層１０７に接続され、単一のアノード１０８が、基板１０１の反対側に接続される。濃くドープされた領域１０５が露出され、すなわち、光がデバイスのこれらの領域に影響を及ぼし得るようなアノード１０８内のギャップがある。
【０１３０】
図３（ｃ）は、一実施形態によるＡＰＤに対する回路接続を示すＡＰＤの概略的な例示を示す。
【０１３１】
ＡＰＤはガイガーモードで動作され得る。ガイガーモード動作では、破壊電圧を超える逆電圧が、ＡＰＤに印加される。露出エリアに入射する光は、検出領域内に吸収され、キャリアを生成する。濃くドープされたｐ型アイランド１０５とｎ型材料１０７との間の界面にわたる高電界は、破壊電圧より上の電圧が接合にわたって印加されるとき、アバランシェ増倍がこれらの検出領域内で生じることを意味する。したがって、生成されたキャリアは、アバランシェ増倍領域内で増倍される。結果として得られる出力信号ＶOUTは、アノード接点１０８で測定される。ＶOUTは、検出領域のすべてからの出力である。この実施形態では、どの検出領域が光子検出デバイス１の出力だけからの光子を検出したかを決定することは可能でないが、マルチコアファイバに接続されるとき、たとえばどの検出領域がファイバの入力から検出したか、すなわち光が入ったのはファイバのどのコアかを決定することは可能である。領域１０５は、デバイスのアクティブゾーンを構成し、検出領域を形成する。中程度にドープされたｐ型層１０３とｎドープされた層１０７との間に低電界だけが形成され、それはアバランシングをサポートするには十分ではなく、したがってガイガーモードで動作されるとき、アクティブゾーン間の光学的に非アクティブなスペーサとして働く。さらなるドープされたエリア、すなわち図２に関連して説明されたようなガードリングは、電気的漏話を最小限にするために、濃くドープされた領域１０５間に含められ得る。あるいは、電気的および光学的漏話をなくすために、濃くドープされた領域１０５間にトレンチがエッチングされ得る。
【０１３２】
ゲート光子検出器では、時間変動する電圧が、バイアスＴ回路を通じて印加され得る。ＡＣ電圧成分ＶACとＤＣ電圧成分ＶDCとが、バイアスＴ回路を使用して組み合わされる。バイアスＴ回路は、Ｔの第１のアーム上の、ＡＣ電圧源に接続されたコンデンサと、Ｔの第２のアーム上の、ＤＣ電圧源に接続されたインダクタとを備える。バイアスＴ回路は、ＡＰＤのカソード接点、すなわち金属接点１１０に接続される。したがって、ＡＰＤに印加されるバイアス電圧は、ＤＣ成分とＡＣ成分の両方を備える。ＡＰＤに印加されるバイアス電圧は、その最高値では破壊電圧より上であり、その最低値では破壊電圧より下である。バイアス電圧が破壊電圧を超えるとき、検出器が「オン」にゲーティングされ、バイアス電圧が破壊電圧より下であるとき、検出器が「オフ」にゲーティングされる。したがって、ＡＣ電圧成分の周波数はゲーティング周波数である。ゲーティング周波数は、たとえばＱＫＤシステム内の光子源の駆動周波数と同期され得る。
【０１３３】
ＤＣ成分は、破壊電圧より下に設定され得る。あるいは、ＤＣバイアスは、大きさが逆破壊電圧よりも大きくなり得る。
【０１３４】
代替実施形態では、光子検出デバイスはゲーティングされず、連続モードで動作する。破壊電圧を超えるＤＣ電圧が印加される。
【０１３５】
動作温度およびデバイス構造に応じて、ＡＰＤについての破壊電圧は、使用される材料に応じて、数ボルトから数百ボルトまで変動し得る。ＳｉＣなどの大きいバンドギャップ材料は、非常に大きい破壊電圧を有し得る。
【０１３６】
ＡＰＤの出力は、グランドに接続される抵抗器で測定される。アノード接点１０８は抵抗器に接続される。光子が入射するとき、アバランシェ光電流は誘導され、出力電圧Ｖoutに対応する抵抗器の両端間の電圧となる。
【０１３７】
濃くドープされた層１０５および１０７の深度は第１の層１０３の深度未満であり、４μｍ未満であり得、それによって、ＡＰＤが対応する低い破壊電圧を有する状態で、浅い空乏領域を有する薄い接合が達成される。接合深度はまた、これよりも大きくなり得、たとえば３０μｍ以上であり得、それによって深接合デバイスが大きい破壊電圧で適合される。
【０１３８】
一実施形態では、出力は自己差分回路に接続される。自己差分動作モードでは、出力信号のバックグラウンドが、信号の一部を信号の前の一部と比較することによって除去される。
【０１３９】
さらなる実施形態では、回路が、アバランシェイベントの測定値を複数の所定のレベルと比較するように構成された弁別器を備える。
【０１４０】
濃くドープされた領域１０５およびｎ型層１０７の相接する部分が、デバイスのアクティブアバランシェ領域を形成し、これらの領域のサイズ、幾何形状、および配置が、中間低電界領域に関連して、マルチコアファイバ内のコアのサイズ、幾何形状、および配置に従ってｐ−ｎ接合の平面内の２Ｄドーピングプロファイルを操作することによって制御され得る。
【０１４１】
図３（ｂ）は、濃くドープされたｐ型層１０５とｎ型層１０７との間の半導体接合によって形成されるアクティブ領域がマルチコアファイバの構成と合致する構成で配置される、図３（ａ）のＡＰＤの対応する平面図を示す。
【０１４２】
濃くドープされた領域１０５が円形アイランドを形成する。高電界ゾーンは、原則的には、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、マルチコアファイバ内のコアに合致する。
【０１４３】
一実施形態では、高電界ゾーンは、少なくとも１０16ｃｍ-3のドーピング濃度を有し、さらなる実施形態では、少なくとも１０17ｃｍ-3または１０18ｃｍ-3を有することになる。より低い電界ゾーンのドーピング濃度は高電界ゾーンについてのドーピング濃度の少なくとも１０分の１であり、さらなる実施形態では、１００分の１である。
【０１４４】
図４は、一実施形態による光子検出デバイス１と、マルチコア光ファイバ２との概略的な例示である。
【０１４５】
光子検出デバイス１は、マルチコア光ファイバ２に結合するように構成される。光子検出デバイス１は複数の検出領域を備える。この実施形態では、光子検出デバイス１は１３個の検出領域を備える。マルチコア光ファイバは１３個のコアを備える。検出領域は、光子検出デバイス１がマルチコア光ファイバ２に結合されるとき、各検出領域がマルチコア光ファイバ２の単一のコアだけと位置合せされるように配置される。
【０１４６】
検出領域は、さらなる検出領域のリングによって取り囲まれる単一の検出領域があるように配置される。さらなる検出領域は、中心検出領域の周囲に厳密に円形の形で配置されないことがあり、円形リングからオフセットされ得る。さらなる検出領域は、中心検出領域から実質的に等しく離間され得る。別の検出領域は、互いに実質的に等しく離間され得る。
【０１４７】
このケースでは、１２個のさらなる検出領域のリングによって取り囲まれる単一の検出領域がある。検出領域は最密構造を形成しない。一実施形態では、位置合せがそれについて十分である、ファイバに対する光子検出デバイス１の単一の向きだけがあり得る。
【０１４８】
検出領域は、半導体基板上に集積されたアバランシェ増倍領域を備える。
【０１４９】
検出領域は、平面図で見られると円形形状を有する。あるいは、検出領域は、多角形および丸形を含む任意の形状であり得、全体の幾何形状は、マルチコアファイバの対応するコアの断面形状に合致する。
【０１５０】
金属接触領域２０８は各検出領域を取り囲む。各金属接触領域２０８は、検出領域の外部周囲に配置されたリング形状の領域である。
【０１５１】
各検出領域について、対応する接点がある。このケースでは、接点はアノード接点であるが、代替として接点はカソード接点であり得ることを理解されよう。各アノード接点は金属接触領域２０８に接続される。
【０１５２】
各検出領域は、対応するガードリング２０６を有し得る。
【０１５３】
光子検出デバイス１は、他の方法によって製作された光子検出領域、たとえば超伝導体またはナノワイヤを備える光子検出領域を備え得る。そのような検出領域はまた、集積回路製造方法を使用して製造され得るが、使用時に、極低温、たとえば４Ｋまで冷却することを要求する。
【０１５４】
図５（ａ）は、一実施形態による、光子検出デバイス１と、光子検出デバイス１に結合されたマルチコアファイバ２とを備えるアセンブリの概略的な例示である。光子検出デバイス１は検出器パッケージング内に含まれる。検出デバイス用の駆動電子回路などのさらなる構成要素、たとえば自己差分回路も検出器パッケージング内に含まれ得る。
【０１５５】
一実施形態では、光子検出デバイスは、「ピグテール」構成要素を使用してマルチコアファイバに接続される。ピグテール構成要素は、一端に光ファイバコネクタを有するマルチコアファイバを備え得る。光ファイバコネクタは、光子検出デバイスに接続するように構成される。光ファイバコネクタは機械的コネクタであり得、たとえば光ファイバコネクタは雄型または雌型機械的コネクタであり得る。光子検出デバイスは、対応する対合コネクタを備える。ピグテール構成要素の他端は、たとえば溶融または機械的スプライシングによって、マルチコアファイバに永続的に結合され得る。
【０１５６】
代替実施形態では、光ファイバコネクタは、マルチコア光ファイバの端部に直接的に取り付けられ、どのピグテールデバイスも使用されない。さらなる代替実施形態では、マルチコア光ファイバ２は、溶融または機械的スプライシングによって光子検出デバイス１に結合される。
【０１５７】
図５（ｂ）は、断面図で示される、一実施形態による、光子検出デバイス１と、マルチコア光ファイバとを備えるアセンブリの概略的な例示である。このケースでは、マルチコアファイバ２は、スナップ型結合を介して光子検出デバイス１に接続される。ピグテール構成要素３００は、地点３０１で、たとえば溶融または機械的スプライシングによって、一端でマルチコアファイバ２に結合される。ピグテール構成要素の他端は、スナップ型光ファイバコネクタ３０３を備える。
【０１５８】
代替実施形態では、光ファイバコネクタ３０３は、ねじ型コネクタ、クリップ型コネクタ、プッシュプル型コネクタ、差込み型コネクタ、または別の型の機械的コネクタであり得る。
【０１５９】
このケースでは、ピグテール構成要素３００は雄型光ファイバコネクタ３０３を備える。光子検出デバイス１は、対応する雌型光ファイバコネクタを備える。しかし、ピグテール構成要素３００は雌型コネクタを、光子検出１デバイスは雄型コネクタを備え得る。
【０１６０】
一実施形態では、コネクタは、接続されたとき、検出領域がマルチコアファイバ内のコアと位置合せするように構成される。
【０１６１】
図６（ａ）は、一実施形態による量子通信システムの概略的な例示である。
【０１６２】
システムは、第１の導波路５１−１から５１−Ｎにそれぞれ光学的に結合された複数の量子通信デバイス５０−１から５０−Ｎを備える。第１の導波路５１−１から５１−Ｎの各々は、ファイバファンアウト５３に接続される。マルチコア光ファイバ５４は、ファイバファンアウト５３の反対側に光学的に結合される。
【０１６３】
示されているシステムでは、量子通信デバイスは量子送信機を備えるが、デバイスのいくつかまたはすべては量子受信機を備え得る。
【０１６４】
ファイバファンアウト５３は、複数の光ファイバを備えるファイババンドルを備え得、ファイババンドル内の各光ファイバの第１の端部でのクラッディングの外径が、マルチコア光ファイバ５４内のコア間の最小距離以下であり、ファイババンドル内の第１の光ファイバが、第１の端部でマルチコア光ファイバ５４内の第１のコアに、他端で第１の導波路５１−１に光学的に結合され、ファイババンドル内の第２の光ファイバが、第１の端部でマルチコア光ファイバ５４内の第２のコアに、他端で第２の導波路５１−２に光学的に結合され、以下同様である。
【０１６５】
あるいは、ファイバファンアウト５３は、複数の導波路を備えるフォトニックチップを備え得、第１の端部でのフォトニックチップ上の導波路間の間隔が、マルチコア光ファイバ５４内のコア間の距離に実質的に等しく、フォトニックチップ上の第１の導波路が、第１の端部でマルチコア光ファイバ５４内の第１のコアに、他端で第１の導波路５１−１に光学的に結合され、フォトニックチップ上の第２の導波路が、第１の端部でマルチコア光ファイバ５４内の第２のコアに、他端で第２の導波路５１−２に光学的に結合され、以下同様である。
【０１６６】
ファイバファンアウト５３は、導波路５１−１から送信された信号をマルチコア導波路５４の第１のコア内に向け、第２の導波路５１−２から送信された信号をマルチコアファイバ５４の第２のコア内に向け、以下同様である。ファイバファンアウト５３は、いくつかのファイバ５１−１から５１−Ｎをマルチコアファイバ５４に接続する。マルチコアファイバ５４内の各コアは、ファイバファンアウト５３を通じて導波路５１−１から５１−ｎに光学的に結合される。
【０１６７】
したがって、マルチコアファイバ５４は、（コアを分離するために）ファイバファンアウト５３に、次いで複数の導波路５１−１から５１−Ｎに結合され、複数の導波路５１−１から５１−Ｎの各々は、量子送信機５０−１から５０−Ｎに光学的に結合される。
【０１６８】
量子および古典的送信機と受信機との異なる組合せが可能である。
【０１６９】
以下の説明では、量子送信機５０−１から５０−Ｎは、非対称マッハ−ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）に基づく。選ばれた位相差を有するコヒーレント２重パルスを生成するための他の構成が使用され得る。あるいは、情報が、光子の偏光、エネルギー／時間、角運動量などの、光子の異なる特性に関して符号化され得る。
【０１７０】
量子送信機５０−１から５０−Ｎと量子受信機５５とは、ファイバ５１−１から５１−Ｎ、ファイバファンアウト５３、およびマルチコア光ファイバ５４を通じて光学的に結合される。ファイバ５４は少なくとも２つのコアを備える。量子送信機５０−１と量子受信機５５とは、第１のコアを通じて光学的に結合される。量子送信機５０−２と量子受信機５５とは、第２のコアを通じて光学的に結合され、以下同様である。
【０１７１】
ファイバファンアウト５３は、マルチコアファイバ５４内の第１のコアに導波路５１−１を、マルチコアファイバ５４内の第２のコアに導波路５１−２を光学的に結合するように構成され、以下同様である。
【０１７２】
量子送信機５０−１内部の光子源８３８が、光のパルスを備える量子信号を生成する。次いで、パルスは、非対称的ＭＺＩ８３９を使用して符号化される。パルスはビームスプリッタ８１２内に向けられる。ビームスプリッタ８１２の一方の出力が、位相変調器８１６に光学的に結合される。位相変調器８１６の出力が、偏光ビームコンバイナ８１７に光学的に結合される。これが干渉計のショートアーム８１３を形成する。ビームスプリッタ８１２の他方の出力が、ファイバループまたは固定もしくは可変遅延線であり得る遅延構成要素８１５に光学的に結合され、今度は遅延構成要素８１５が、偏光ビームコンバイナ８１７に光学的に結合される。これが干渉計のロングアーム８１４を形成する。ロングアーム８１４を移動する光パルスは、ショートアーム８１３を移動する光パルスに対して遅延する。
【０１７３】
量子送信機５０−１はまた、光パルスの強度（intensity）を変更するように構成された強度変調器をも備え得る。強度変調器は、デコイ状態ＱＫＤプロトコルを実現するように構成され得、デコイ状態ＱＫＤプロトコルでは、異なる強度のパルスが送られ、それが、異なる強度で安全に受信されたパルス数を測定することによって送信側と受信側が傍受者の存在を決定することを可能にする。量子送信機５０−１は１つよりも多い強度変調器を備え得る。
【０１７４】
位相変調器８１６は、ショートアーム８１３を移動する光パルスの位相に変調を適用するように構成される。位相変調器は、屈折率が電界強度の関数である、ＬｉＮｂＯ3結晶などの結晶を備え得る。あるいは、位相変調は、受動手段、たとえば、異なる固定位相差を適用するようにそれぞれ構成される複数の固定位相素子と、前記構成要素の各々を選択するように構成されたスイッチとによって提供され得る。
【０１７５】
干渉計のショートアーム８１３からの光パルスの偏光は、偏光ビームコンバイナ８１７によって、第１の偏光から、第１の偏光と直交する第２の偏光に反転される。したがって、量子送信機５０−１は、ファイバ５１−１に下るように移動する、選ばれた位相差および直交する偏光を有するコヒーレント２重パルスを生成する。
【０１７６】
これらのパルスは量子送信機５０−１を出て、ファイバ５１−１を介してファイバファンアウト５３に送られる。ファイバファンアウト５３は、ファイバ５１−１から入力された信号をマルチコアファイバ５４内に第１のコア内で送る。したがって、第１の送信機５０−１からの量子信号は、ファイバ２の第１のコアを介して送られる。各量子送信機５０−１から５０−Ｎと、ファイバファンアウト５３との間に偏光コントローラが含まれ得る。
【０１７７】
選ばれた位相差および直交する偏光を有するコヒーレント２重パルスを備える量子信号が、各量子送信機で生成され、同様の方式で、または異なる構成を使用して生成され得る。各量子送信機５０−１から５０−Ｎの量子信号が、マルチコアファイバ５４の別々のコアを介して受信機５５に送られる。したがって、いくつかの量子送信機の出力が、マルチコアファイバ５４上に多重化される。送信機は、アクセスネットワークシナリオにあるように、異なる位置にあり得、または送信機は同一の位置にあり得る。後者のシナリオでは、ＱＫＤ伝送帯域幅が空間多重化を通じて増大される。このケースでは、量子送信機５０−１から５０−Ｎの各々が、単一のＱＫＤシステムとして見られ得る。
【０１７８】
２つ以上の量子送信機５０からの出力は、ファイバファンアウト５３を介してマルチコア光ファイバ５４に結合される。各送信機からの出力は、マルチコアファイバ５４内の別々のコアに結合される。いくつかの量子送信機の出力は、マルチコアファイバ５４上に多重化される。
【０１７９】
受信機５５の詳細が図６（ｂ）に示されている。受信機５５は多重化構成要素を備え、多重化構成要素は第１のファイバファンアウト６３１であり得る。第１のファイバファンアウト６３１は、マルチコアファイバ５４内の第１のコアを第１の導波路に、マルチコアファイバ５４内の第２のコアを第２の導波路に光学的に結合するように構成され、以下同様である。第１のファイバファンアウト６３１は、マルチコア導波路５４内の各コアを別々の単一のコア導波路に結合し、それによって各送信機からのパルスが、別々の導波路内に多重化される。あるいは、各送信機５０からの信号が、別々の導波路上で受信機に送られ得、そのケースでは、ファイバファンアウト６３１が含まれず、各導波路が、対応する復号ユニット６３３に直接的に結合される。
【０１８０】
次いで、各送信機に対応する非対称ＭＺＩ８２１を使用して、パルスが受信機で復号される。受信機５５は、各送信機に対応する復号ユニット６３３を備える。ファイバファンアウト６３１からの各送信機から信号を移送する単一の導波路が、対応する復号ユニット６３３に結合される。光子とともに送られた情報を復号するために、各復号ユニットは少なくとも２つの出力を備える。各復号ユニット６３３は、１つのアームで位相変調器を有する非対称マッハ−ツェンダ干渉計を備え得る。次いで、すべての復号ユニット６３３からの出力が、１つまたは複数の多重化構成要素によって、単一またはいくつかのマルチコアファイバ上に多重化され、マルチコアファイバは、上記で図１から図５に関連して説明したように、１つまたは複数の光子検出デバイスに接続される。このシステムでは、ただ１つの多重化ステップが使用される。
【０１８１】
各復号ユニット６３３は偏光ビームスプリッタ８２５２を備える。復号ユニット６３３では、ファイバファンアウト６３１からの送信機から信号を移送する単一の導波路が、偏光ビームスプリッタ８２２に光学的に結合される。偏光ビームスプリッタ８２２の一方の出力が、マルチコア光ファイバによって位相変調器８２６に光学的に結合される。位相変調器８２６の出力は、別のマルチコア光ファイバによってビームスプリッタ８２７の入力のうちの一方に光学的に結合される。これが干渉計８２１のショートアーム８２４を形成する。変更ビームスプリッタ８２２の他方の出力が、遅延構成要素８２５、たとえばファイバループまたは固定もしくは可変遅延線を備えるマルチコア光ファイバに光学的に結合される。遅延構成要素８２５の出力は、ビームスプリッタ８２７の他方の入力に光学的に結合される。これが干渉計のロングアーム８２３を形成する。遅延構成要素８２５によって提供される遅延は、対応する送信機内の遅延構成要素８１５に厳密に合致する。
【０１８２】
偏光ビームスプリッタ８２２は、第２の偏光で入る光パルスを干渉計のロングアーム８２３を下るように送り、第１の偏光で偏光ビームスプリッタ８２２に入る光パルスをショートアーム８２４を下るように送る。第２の偏光で偏光ビームスプリッタ８２２を通じて移動するパルスの偏光が、第１の偏光に反転される。
【０１８３】
ビームスプリッタ８２７の出力はそれぞれ、第１のファイバ６３５および第２のファイバ６３７に接続される。
【０１８４】
各復号ユニット６３３について、第１の出力ファイバ６３５が多重化構成要素に結合され、多重化構成要素は第２のファイバファンアウト６３９であり得る。第２のファイバファンアウト６３９は、復号ユニット６３３からの第１の出力の各々をマルチコアファイバ２ａのコア内に結合する。ファイバファンアウトは、複数の光ファイバを備えるファイババンドルを備え得、ファイババンドル内の各光ファイバの第１の端部でのクラッディングの外径が、マルチコア光ファイバ２ａ内のコア間の最小距離以下である。あるいは、ファイバファンアウトは、複数の導波路を備えるフォトニックチップを備え得、第１の端部でのフォトニックチップ上の導波路間の間隔が、マルチコア光ファイバ２ａ内のコア間の距離に実質的に等しい。
【０１８５】
第２の出力ファイバ６３７は別の多重化構成要素に結合され、別の多重化構成要素は第３のファイバファンアウト６４１であり得る。第３のファイバファンアウト６４１は、復号ユニット６３３からの第２の出力の各々をマルチコアファイバ２ｂのコア内に結合する。
【０１８６】
マルチコア光ファイバ２ａは光子検出器８２９に接続され、マルチコアファイバ２ｂは光子検出器８２９に接続される。光子検出器８２９は、マルチコア光ファイバ２ａに結合するように構成され、光子検出器８２８は、マルチコア光ファイバ２ｂに結合するように構成される。光子検出器８２９および８２８はそれぞれ、複数の検出領域を備える。各検出領域は、接続されたとき、対応するマルチコア光ファイバの単一のコアだけと位置合せする。光子検出器８２９および８２８は、たとえば図１から図５に関連して説明したような光子検出デバイスである。
【０１８７】
量子送信機５０−１から５０−Ｎからの信号について、送信機および受信機５５で適用される位相変調に応じて、信号は、光子検出器８２８または光子検出器８２９のどちらかで検出されることになる。光子検出器８２８および８２９は、たとえば図１から図５に関連して説明されたような光子検出デバイスである。
【０１８８】
各送信機について、対応する復号ユニット６３３内の位相変調器８１６および位相変調器８２６を使用して、ＢＢ８４などの量子鍵配送プロトコルが実現され得る。ＢＢ８４プロトコルでは、各光パルスについて、（送信機５０−１における）アリスが、４つの等しく離間された位相値から無作為に位相値を選択する。たとえば、アリスは、位相ずれ０、π／２、π、および３π／２に対応する４つの異なる値のうちの１つに位相変調器８１６を無作為に設定し得る。０およびπが、第１の符号化原則でビット０および１に関連付けられる一方で、π／２および３π／２は、第２の符号化原則で０および１に関連付けられる。
【０１８９】
各送信機で放出される各光パルスについて、送信機内の位相変調器が、４つの異なる値のうちの１つに無作為に設定される。一般には、各送信機で放出される各光パルスについて、光パルスの特性を使用して、光パルス上で情報が符号化される。各送信機について同じ特性が使用されなければならないが、符号化は、各光パルスについて各送信機でランダムに実施される。
【０１９０】
（受信機５５における）ボブが、各復号ユニット６３３について第１の測定原理と第２の測定原理との間で無作為に選択し得る。
【０１９１】
このケースでは、各復号ユニットについて、ボブは、位相ずれ０またはπ／２に対応する２つの値の一方に位相変調器８２６を無作為に設定する。これは、それぞれ第１の測定原理と第２の測定原理との間で選択することになる。このケースでは、アリスの０およびπ値が、ボブの０値と適合し（第１の原理）、アリスのπ／２および３π／２値が、ボブのπ／２値と適合する（第２の原理）。
【０１９２】
各復号ユニットについて、位相差０（すなわち、アリスによって適用された位相ずれが０であり、ボブによって適用された位相ずれが０であるか、またはアリスによって適用された位相ずれがπ／２であり、ボブによって適用された位相ずれがπ／２である）が、検出器８２８での検出となる。一方、位相差π（すなわち、アリスによって適用された位相ずれがπであり、ボブによって適用された位相ずれが０であるか、またはアリスによって適用された位相ずれが３π／２であり、ボブによって適用された位相ずれがπ／２である）がある場合、検出器８２９での検出があることになる。２つの位相変調器で適用された位相変調間の差の任意の他の値について、光子が検出器８２８または検出器８２９で出力し得る有限の確率があることになる。
【０１９３】
各量子送信機５０−１から５０−Ｎからの信号は、検出器８２８または８２９のどちらかでの別々の検出に繋がる。次いで、各量子送信機５０−１から５０−Ｎについての測定結果が記録される。
【０１９４】
量子送信機５０−１から５０−Ｎまたは受信機５５のいずれも、他がそれらの値を選ぶときに何の値を選ぶか、または何の値を選ぶことになるかを知らない。送信機５０−１から５０−Ｎが同一の原則を使用したかどうかを、受信機５５が各送信機５０−１から５０−Ｎと別々に比較するのは後になってからだけである。同一の原理が使用された最終鍵についての値だけが保たれる。異なる原理を使用して実施された任意の測定からの結果は廃棄される。このプロセスはふるい分け（shifting）と呼ばれる。
【０１９５】
鍵を形成するために、量子送信機５０−１での古典的通信デバイスと、受信機５５での古典的通信デバイスとの間の時刻到着および復号原理の通信によって、ふるい分けプロセスが開始される。各々の検出された光子についてこのプロセスを反復して、第１の量子送信機５０−１について、たとえば少なくとも数千ビットの長さのふるい分けされた鍵シーケンスが形成される。次いで、特定の送信機および受信機対の間の完璧に秘密の鍵を抽出するために、誤り訂正およびプライバシー増幅プロセスが使用される。誤り訂正およびプライバシー増幅はまた、古典的チャネルを介する通信も使用する。これが各量子送信機５０−１から５０−Ｎについて実施され、それによって各量子送信機５０−１から５０−Ｎについて鍵が形成される。
【０１９６】
各量子送信機５０−１から５０−Ｎについて送信および検出が同時に実施され得るので、単一の受信機と、２つの光子検出デバイス８２９および８２８のみとを使用して、多数の送信機について鍵が同時に生成され得る。
【０１９７】
図６（ａ）および図６（ｂ）のシステムは、ＢＢ８４プロトコルを使用してＱＫＤネットワークをどのように実装するかの一例である。たとえばコヒーレント一方向プロトコルまたは差分位相ずれプロトコルなどの、他の量子通信プロトコルおよび光学的セットアップも、説明されているような光子検出器を使用して実装され得る。２方向ＱＫＤシステム（ここでレーザパルスがボブによって発射され、アリスで変調および減衰され、ボブに送り戻され、そこでレーザパルスが検出される）も、本明細書で説明されるような光子検出デバイスを使用して実装され得る。
【０１９８】
複数の量子送信機、量子受信機、および古典的通信デバイスが、マルチコアファイバによって接続され得る。しかし、簡略化のために、量子送信機および１つの量子受信機のみが示される。
【０１９９】
システムは、単一クロック周波数で動作し得る。各送信機５０−１から５０−Ｎと受信機５５との間の同期チャネルは、古典的チャネルを通じて実現され得る。同期信号（たとえば、クロック信号）が、たとえば受信機から各同期チャネルに沿って送られ得る。
【０２００】
一実施形態では、受信機５５内のタイミング制御モジュール（図示せず）が、量子送信機５０−１から５０−Ｎの各々の中の１つまたは複数の構成要素を量子受信機５５内の１つまたは複数の構成要素に同期するために使用されるマスタクロック信号を提供する。
【０２０１】
検出器８２８および８２９がマルチコアファイバの各コアからの信号を別々に検出することができるので、各量子送信機からの信号が同時に検出され得、量子送信機５０−１から５０−Ｎ間の送信を同期するための要件はないことを意味する。
【０２０２】
光子検出器８２８および８２９の各検出エリアがマルチコアファイバの別々のコア、したがって異なる量子送信機からの信号に対応するので、受信機は、光子検出器８２８および８２９上の検出の位置から受信された各パルスをどの送信機が送信したかを識別し得る。
【０２０３】
受信機内のタイミング制御モジュール（図示せず）がシステムマスタクロックを供給し得る。量子受信機５５内の位相変調器８２６ならびにゲート検出器８２９および８２８が、マスタクロックに同期され得る。マスタクロック信号はまた、各送信機５０−１から５０−Ｎに送信され、量子送信機５０−１５０−Ｎ内の光子源８３８および位相変調器８１６を駆動するために使用され得る。
【０２０４】
光子検出器８２８および８２９内の各検出領域は、別々のクロック信号によって駆動され、対応する送信機と別々に同期され得る。あるいは、検出領域および量子送信機５０−１から５０−Ｎのすべてが、単一のクロック信号と同期され得る。
【０２０５】
マスタクロックは、量子受信機５５内の単一の光子検出器の速度によって決定され得る。たとえば、自己差分ＩｎＧａＡｓ  ＡＰＤベースの単一の光子検出器では、マスタクロックは１ＧＨｚ以上で動作し得る。マスタクロックは、送信機および検出器と同一の周波数である必要はないが、より低く、たとえば２５０ＭＨｚまたは１０ＭＨｚであり得る。
【０２０６】
トリガ信号が、送信機ユニット内の制御ユニットでマスタクロック信号から生成され、各量子送信機５０−１から５０−Ｎ内の光子源８３８を駆動するために使用され得る。光子源は、同一の周波数または異なる周波数で駆動され得る。各トリガパルスの間、各光子源８３８は１つの光パルスを出力する。強度変調器が、各パルスの強度をパルスごとに変調し得る。あるいは、光子源８３８に適用される駆動信号の振幅を変動させることによって直接変調が実現され得る。
【０２０７】
次いで、光パルスはマッハ−ツェンダ干渉計８３９内に供給される。マッハ−ツェンダ干渉計８３９の２つのアーム間の長さの違いは、光伝播遅延ｔdelayに対応する。ロングアーム８１４を通じて移動する光子は、干渉計８３９の出口で、ショートアーム８１３を通じて移動する光子よりも時間ｔdelayだけ遅れることになる。
【０２０８】
送信機ユニット内の制御ユニットからのトリガ信号はまた、位相変調器８１６を制御するために使用され得、それによって、光パルスが存在するとき、位相変調が適用される。
【０２０９】
次いで、量子光パルスが量子受信機５５に送信される。信号パルスは復号ユニット６３３内に供給される。偏光ビームスプリッタ８２２は、直交する偏光を有する入射パルスを分割する。位相変調器８２６はまた、マスタクロック信号を使用して光子の到着時刻と同期され得る。
【０２１０】
複数の送信機からの複数のパルスが、同時に受信機システムを通じて移動する。
【０２１１】
偏光構成要素の使用に起因して、理想的なケースでは、符号化干渉計８１１の入口から復号干渉計８２１の出口まで信号パルスが移動するために２つのルートだけがある。
【０２１２】
ｉ．ロングアーム８１４−ショートアーム８２４（Ｌ−Ｓ）および
ｉｉ．ショートアーム８１３−ロングアーム８２３（Ｓ−Ｌ）
初期調節のために、可変遅延線が各送信機干渉計８３９内に含まれ、各送信機５０−１から５０−Ｎについて経路（ｉ）および（ｉｉ）に沿った伝播時間を、数ピコ秒であり得る信号レーザコヒーレンス時間内でほぼ等しくするように調節され得る。これは、各送信機５０−１から５０−Ｎについての２つの経路の干渉を保証することになる。
【０２１３】
マスタクロック信号はまた、検出器８２８および８２９を制御するように使用され得、それによって検出器は、干渉を受ける光子、すなわち一方の干渉計のショートアームおよび他方の干渉計のロングアームを通じて移動する光子の到着の間、オンにゲーティングされる。
【０２１４】
非理想偏光に起因して、いくつかの光子は、両方のショートアームまたは両方のロングアームを移動し、したがって干渉光子とともにそれぞれ時間遅延±ｔdelayで検出器８２８および８２９に到着する。これらの非干渉光子は、鍵生成または鍵レートに寄与しない。したがって、これらの光子の検出結果は廃棄されるべきである。
【０２１５】
干渉光子の汚染を回避するために、（１）ｔdelayが検出器時間分解能よりも長く、（２）ｔdelayが受信機のシステムクロック周期よりも短いことを保証するように適切なｔdelayが選ばれ得る。一実施形態では、ｔdelayはシステムクロック周期の半分である。たとえば、１ＧＨｚ受信機では、ｔdelayは５００ピコ秒である。
【０２１６】
量子通信の間、非対称マッハ−ツェンダ干渉計間のアーム長整合と、光子偏光と、光子到着時刻とを含むいくつかの物理パラメータがアクティブに安定化され得る。
【０２１７】
アクティブな安定化は、各量子送信機５０−１から５０−Ｎに対応する別々のフィードバック信号を生成するように構成された、量子受信機５５におけるフィードバック制御ユニットによって実現され得る。次いで、各フィードバック信号が、古典的チャネルを通じて、対応する量子送信機５０−１から５０−Ｎに送信される。次いで、各量子送信機５０−１から５０−Ｎ内の制御ユニット（図示せず）が、フィードバック信号に基づいて量子送信機の１つの構成要素または複数の構成要素を制御する。
【０２１８】
たとえばアーム長整合による、２つのパルス間の遅延のアクティブな安定化は、たとえば受信機５４から古典的チャネルを通じて送信されるフィードバック信号に基づいて送信機干渉計８３９内のチューナブル位相遅延をアクティブに調節することによって実現され得る。フィードバック信号は、特定の送信機からの送信についての量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）であり得る。これは、チューナブル位相遅延を同調することによって最小限にされ得る。言い換えれば、制御ユニットは、ＱＢＥＲを最小限にするために、ＱＢＥＲフィードバック信号が受信されるごとにチューナブル位相遅延を調節する。ＱＢＥＲは、各誤り訂正プロセスの後にのみ送信機に送るように利用可能である。ＱＢＥＲを決定する際の待ち時間は、アーム長の低速な変動のみの補償を可能にする。
【０２１９】
代替実施形態では、各送信機から量子チャネルを通じて強い基準パルスを送り、信号／デコイパルスの小部分を置換することによって、より高速な補償を達成することが可能である。これらの基準パルスは位相で変調されず、したがって基準パルスの干渉の度合は、アーム長整合のステータスを示すことになる。特定の送信機からの基準パルスの検出結果が、チューナブル位相遅延を調節するためのフィードバックとして使用されるようによって、古典的チャネルを通じて送信機に送信され得る。
【０２２０】
チューナブル位相遅延は制御要素として働く。チューナブル位相遅延は、たとえば圧電アクチュエータによって駆動される、ファイバストレッチャであり得る。
【０２２１】
あるいは、２つの干渉計内のファイバの長さを注意深く制御することによって２つの遅延の平衡が取られ得る。送信機内の位相変調器内のＤＣバイアスを同調するか、または位相変調器に印加される駆動信号にＡＣオフセットを追加することのどちらかを通じて、２つの光路の位相長の細密調整が達成され得る。
【０２２２】
一実施形態では、各量子送信機５０−１から５０−Ｎ内の偏光コントローラを使用して、偏光ドリフトがアクティブに安定化され得る。理想的には、エンコーダおよびデコーダを通過するすべての光子が、ビームスプリッタ８２７で干渉を受け、鍵形成に寄与する。しかし、ファイバ５１−１から５１−Ｎおよびマルチコアファイバ５４内の偏光ドリフトは、光子が２つの干渉計の両方のロングアームまたはショートアームのどちらかを通過するなど、光子が非干渉経路に経路指定されることを引き起こす。これらの非干渉光子は鍵形成に寄与しない。これらの非干渉光子は、ゲート光子検出器を用いるケースでは自動的に退けられるか、または自走単一光子検出器を有する検出器サブシステム内のタイミング弁別ウィンドウを使用して退けられ得る。どちらのケースでも、偏光ドリフトは、干渉光子の光子カウントレートを低減する。このカウントレートを最適化することによって、たとえば送信機内の偏光コントローラを調節することによって、このドリフトは補正され得る。各送信機内の偏光コントローラが、カウントレートを最大にするために、その送信機に対応するカウントレートに基づいて調節される。対応するカウントレートは、古典的チャネルを介して受信機から各送信機に送られ得る。
【０２２３】
検出器８２９および８２８での光子到着時刻も、特定の送信機についての光子検出結果に基づいて、送信機で光子源８３８のトリガ時刻を同調することによって補正され得る。
【０２２４】
図６（ｃ）は、代替実施形態による受信機の概略的な例示である。
【０２２５】
この受信機では、各復号ユニット６３３について、第１の出力ファイバ６３５および第２の出力ファイバ６３７が、同一の多重化構成要素に結合される。たとえば、各復号ユニット６３３について、第１の出力ファイバ６３５が第２のファイバファンアウト６３９に結合される。第２のファイバファンアウト６３９は、復号ユニット６３３からの第１の出力の各々をマルチコアファイバ２ａのコア内に結合する。第２の出力ファイバ６３７も第２のファイバファンアウト６３９に結合される。第２のファイバファンアウト６３９は、復号ユニット６３３からの第２の出力の各々をマルチコアファイバ２ａのコア内に結合する。
【０２２６】
この受信機５５では、各復号ユニット６３３からの各出力が、同一のマルチコアファイバ２ａのコア内に結合される。復号ユニット６３３からの信号のすべてを検出するために、単一の光子検出デバイス８２９が使用される。
【０２２７】
各復号ユニットについて、位相差０（すなわち、アリスによって適用された位相ずれが０であり、ボブによって適用された位相ずれが０であるか、またはアリスによって適用された位相ずれがπ／２であり、ボブによって適用された位相ずれがπ／２である）は、光子検出デバイス８２９内の１つの検出領域での検出に繋がる。一方、位相差π（すなわち、アリスによって適用された位相ずれがπであり、ボブによって適用された位相ずれが０であるか、またはアリスによって適用された位相ずれが３π／２であり、ボブによって適用された位相ずれがπ／２である）がある場合、光子検出デバイス８２９における異なる検出領域での検出があることになる。２つの位相変調器で適用される位相変調間の差の任意の他の値について、光子が各検出領域で出力し得る有限の確率があることになる。
【０２２８】
上で説明された光子検出デバイス内の検出領域は、単一の光子検出器のアレイを形成し得る。検出領域はフォトニックチップ上に集積され得る。検出領域の空間分布は、各々の個々の感知素子、または検出領域がマルチコア光ファイバ内の単一の光コアと実質的に位置合せされるようなものである。
【０２２９】
検出領域は、各検出領域が単一の光子に感応するように半導体基板または積層半導体構造上に製作され得る。
【０２３０】
各検出領域は、電気信号によって独立に、または同時に活性化され得る。
【０２３１】
個々の検出領域間の最小距離は、リソグラフィック精度によって限定される。
【０２３２】
上で説明された光子検出デバイスは、ＱＫＤシステム、多重化コンパクト光センサ、または低光レベル検出デバイスで使用され得る。
【０２３３】
上で説明された光子検出デバイスは、光ファイバを使用する位置センサで使用され得る。
【０２３４】
いくつかの配置が説明されてきたが、これらの配置は例としてのみ提示されたものであり、本発明の範囲を限定するように意図されていない。実際には、本明細書で説明されている装置および方法は、様々な他の形式で具現化され得、さらに、本明細書で説明されている装置の形式の様々な省略、置換、および変更が行われ得る。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図１（ｄ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図２（ｃ）】
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【図２（ｄ）−１】
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【図２（ｄ）−２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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