(57)【要約】【課題】アバランシェ・フォト・ダイオードを用いて光子検出を行う際に、光子検出後に素子に流れる持続電流を短時間で低減することにより、高周波光パルス列を検出できる光子検出装置を得る。【解決手段】持続電流除去光源駆動回路５２は光子検出回路４の検出結果に基づいて持続電流除去光源５１を駆動することにより、アバランシェ・フォト・ダイオード１に持続電流除去光を照射することができる。持続電流除去光は、アバランシェ・フォト・ダイオード１を構成する結晶中の欠陥に束縛されたキャリアを伝導キャリアへとナノ秒オーダーで励起し、不純物を短時間で電流として除去することができる。これにより欠陥中に束縛されたキャリア密度の大幅な低減が短時間で可能となり、光子検出後の持続電流を短時間で除去することができ、高周波光パルス列を検出することが可能となる。【選択図】        図２
2004325392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子パルスの入力に基づいた電流信号を出力するアバランシェ・フォト・ダイオードと、
前記アバランシェ・フォト・ダイオードを駆動するための電圧を印加するアバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路と、
前記アバランシェ・フォト・ダイオードからの電流信号に基づいて光子パルスの検出を行う光子検出回路と
を備えた光子検出装置において、
前記光子検出回路の検出結果に基づいて前記アバランシェ・フォト・ダイオードに持続電流除去光を照射する持続電流除去光照射手段をさらに備えたことを特徴とする光子検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光子検出装置において、
前記持続電流除去光照射手段は、駆動指令に基づいて前記アバランシェ・フォト・ダイオードに前記持続電流除去光を照射する持続電流除去光源と、
前記光子検出回路からの光子パルスの検出結果に基づいて、前記持続電流除去光源に駆動指令を与える持続電流除去光源駆動回路と
を備えたことを特徴とする光子検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光子検出装置において、
前記アバランシェ・フォト・ダイオードからの電流信号に基づいて、光子パルス検出後の持続電流時間を計測し、あらかじめ設定された持続電流時間上限値との比較により、計測された持続電流時間が前記持続電流時間上限値を超えたことを検出する持続電流時間特性評価回路をさらに備えたことを特徴とする光子検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光子検出装置において、
前記持続電流時間特性評価回路は、持続電流時間の基準時間からの偏差量と、前記偏差量に対応して前記アバランシェ・フォト・ダイオードに印加する電圧値とを関連づけた印加電圧値データをあらかじめ格納するとともに、計測された持続電流時間を経時変化データとして格納するデータ記憶部を有し、格納された経時変化データに基づいて算出された持続電流時間の現在値から基準時間との偏差量を求め、前記偏差量に対応する印加電圧値データを前記データ記憶部から取り出して前記アバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路に出力し、
前記アバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路は、取得した印加電圧値データに基づいて前記アバランシェ・フォト・ダイオードに印加する電圧を変更する
ことを特徴とする光子検出装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光子検出装置において、
前記持続電流時間特性評価回路は、持続電流時間の基準時間からの偏差量と、前記偏差量に対応して前記アバランシェ・フォト・ダイオードに照射する持続電流除去光の光出力強度及び波長とを関連づけた除去光出力データをあらかじめ格納するとともに、計測された持続電流時間を経時変化データとして格納するデータ記憶部を有し、格納された経時変化データに基づいて算出された持続電流時間の現在値から基準時間との偏差量を求め、前記偏差量に対応する除去光出力データを前記データ記憶部から取り出して前記持続電流除去光照射手段に出力し、
前記持続電流除去光照射手段は、取得した除去光出力データにおける光出力強度及び波長に基づいて前記アバランシェ・フォト・ダイオードに照射する持続電流除去光の光出力強度及び波長を変更する
ことを特徴とする光子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アバランシェ・フォト・ダイオードを用いて光子パルスの検出を行う光子検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光子検出装置においては、光ファイバー通信における通信波長帯の光子検出素子として、光通信用のアバランシェ・フォト・ダイオードが用いられている。光子検出を行う場合には、このアバランシェ・フォト・ダイオードに直流バイアス電圧を与え、検出器への光子の到達が予測される一定時間、さらにパルス電圧を印加するという方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，ＶＯＬ．４１（２００２）（第６０１６頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。従来技術では光子検出に伴う電流が光子検出後も約１０μｓ程度に渡って持続して流れ続けるため、この約１０μｓの間は光子検出が不可能となる。このため、検出可能な光子パルスの周波数には、この持続時間によって決まる上限が存在し、これよりも高い周波数を持つ光子パルスを検出できないという問題があった。
【０００５】
このような約１０μｓに渡って持続する電流が生じる原因は、アバランシェ・フォト・ダイオードを形成する結晶中に含まれる欠陥に多数のキャリアが束縛され、このキャリアが光子検出に伴うアバランシェ増倍をきっかけとして次々と熱的に励起し、それが約１０μｓに渡って持続するためである。
【０００６】
このアバランシェ・フォト・ダイオードは、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰなどの半導体材料が有機金属気層成長法などによって成膜された後、熱拡散などのプロセスを経て作製される。したがって、成膜時及びデバイス作製時に、意図しない不純物などが混入する結果、格子欠陥及び転移などが形成される。これらは、半導体中のキャリアのトラップ準位を形成する。
【０００７】
室温では、トラップ中のキャリアは高い熱エネルギを得ることができるため、これらのキャリアは短時間で伝導キャリアとなる。しかし、熱雑音を低減し、高い光子検出効率を得るためにはアバランシェ・フォト・ダイオードを低温環境下で駆動する必要がある。
【０００８】
低温では、トラップに束縛されたキャリアは小さな熱エネルギしか得られないため、トラップに束縛されたキャリアの熱励起による伝導キャリア化には、平均として約１０μｓ程度の時間が必要となる。この約１０μｓ程度の間は、比較的大きな電流が流れる。この電流が、光子検出時に流れる電流と比較して無視できない大きさであるため、このような電流が流れる約１０μｓの間、光子検出が事実上不可能となる。その結果、光パルスの検出速度を高速化できず、高周波光子パルスを検出できないという問題があった。
【０００９】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、アバランシェ・フォト・ダイオードを用いて光子パルスの検出を行う際に、光子検出後に素子に流れる持続電流を短時間で低減させることにより、高周波光パルス列を高速で検出できる光子検出装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光子検出装置は、電流信号を出力するアバランシェ・フォト・ダイオードと、前記アバランシェ・フォト・ダイオードを駆動するために電圧を印加するアバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路と、前記アバランシェ・フォト・ダイオードからの電流信号に基づいて光子パルスの検出を行う光子検出回路とを備えた光子検出装置であって、前記光子検出回路の検出結果に基づいて前記アバランシェ・フォト・ダイオードに持続電流除去光を照射する持続電流除去光照射手段をさらに備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る光子検出装置において持続電流の持続時間を抑制するための原理を説明する図である。持続電流の持続時間のことを以下では持続電流時間と記述する。アバランシェ・フォト・ダイオード１には、光子パルス３が入射し、それに伴って、アバランシェ・フォト・ダイオードに電流が発生する。その電流は、短時間では減衰せず、約１０μｓの間は持続して電流が流れる。この持続電流の原因は、アバランシェ・フォト・ダイオード１に含まれるキャリア増倍層、光吸収層、および、その他の界面に存在する結晶欠陥などによる束縛準位にトラップされたキャリアが、光検出をきっかけとして励起され、伝導キャリアとなるからである。
【００１２】
このような束縛準位にトラップされた多数のキャリアが、伝導キャリアとなる励起過程は、約１０μｓと長い緩和時間を持つため、持続電流が流れることとなる。このような束縛準位にトラップされたキャリアは、外部からの光入射により伝導キャリア化することができ、この結果持続電流時間を抑制することが可能となる。持続電流除去光源５１は、外部から持続電流時間を抑制する光をアバランシェ・フォト・ダイオード１に照射するための手段である。
【００１３】
なお、光子検出を行うためには、入射する光の波長は、アバランシェ・フォト・ダイオード１に含まれる吸収層において、直接遷移による光吸収が生じる最長の波長よりも長波長である必要がある。
【００１４】
図２は本発明の実施の形態１に係る光子検出装置の構成図である。アバランシェ・フォト・ダイオード１には、これを駆動するためのアバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路２、及び光子パルス３の検出を行うための光子検出回路４が電気的に接続されている。また、光子検出回路４と持続電流除去光源５１との間には、持続電流除去光源駆動回路５２が接続されており、光子検出回路４の検出結果に基づいて持続電流除去光源５１を駆動するはたらきをする。本実施の形態における持続電流除去光照射手段５は、持続電流除去光源５１と持続電流除去光源駆動回路５２からなっている。また、持続電流除去光源５１から出力される光は、検出対象である光子パルス３と同様に、アバランシェ・フォト・ダイオード１に入射するように配置されている。
【００１５】
このような構成において、アバランシェ・フォト・ダイオード１には、アバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路２によって、アバランシェ増倍が生じない程度の直流バイアス電圧が常に印加されている。さらに、光子の入射が見込まれる一定時間には、その直流電圧に加えて、付加的なパルス電圧が印加される。これらの合計電圧の印加によって、光子の入射があれば、アバランシェ増倍が生じるように設定されている。
【００１６】
光子パルス３がアバランシェ・フォト・ダイオード１に入射すると、アバランシェ・フォト・ダイオード１の吸収層において、光子の吸収が生じる。吸収された光子によって電子−ホール対が形成され、直流バイアス電圧と一時的に印加されるパルス電圧との合計電圧により、キャリアが加速される結果、アバランシェ・フォト・ダイオード内の増倍層において、アバランシェ増倍が生じる。
【００１７】
これによって、アバランシェ・フォト・ダイオード１に光子検出に伴う電流が流れ始める。光子検出回路４は、アバランシェ・フォト・ダイオード１からこの電流を入力信号として取り込み、あらかじめ設定された電流しきい値と入力された電流値を比較する。比較の結果、電流しきい値以上の電流が流れたことを検出することにより、光子パルス３がアバランシェ・フォト・ダイオード１に入射したと判断することができる。光子検出回路４は、入力された電流値が電流しきい値以上であればＯＮ、電流しきい値未満であればＯＦＦとなるＯＮ／ＯＦＦ信号を生成し、このＯＮ／ＯＦＦ信号を持続電流除去光源駆動回路５２に対して出力する。
【００１８】
持続電流除去光源駆動回路５２は、取得したＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて持続電流除去光源５１を駆動するための光源駆動指令信号を出力する。光源駆動指令信号の生成方法の一例としては、ＯＮ／ＯＦＦ信号に対して一定時間のディレイをかけるものがあげられる。あらかじめＯＮ信号継続時間ΔＴを設定しておき、ＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＮ状態となってからΔＴの間ＯＮ信号が継続したことにより光源駆動指令信号をＯＮし、ＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＦＦ状態になると直ちに光源駆動指令信号をＯＦＦするものである。持続電流除去光源５１は、持続電流除去光源駆動回路５２からの光源駆動指令信号により持続電流除去光を出力する。
【００１９】
その波長は、アバランシェ・フォト・ダイオード１を構成する半導体材料の中で、最も小さなバンドギャップ・エネルギを持つ材料により、バンド間遷移過程を経て光吸収現象が生じる最長の波長よりも大きくなるように設定されている。この為、このような長波長の除去光は、アバランシェ・フォト・ダイオード１における光吸収層では、バンド間遷移によっては吸収が生じず、したがって、結晶中の欠陥などに起因するトラップ順位に束縛されたキャリアのみを選択的に励起する事が可能となる。
【００２０】
束縛されたキャリアは、励起されることによって伝導キャリアとなり、アバランシェ・フォト・ダイオード１に常時印加されている直流バイアス電圧によって、電流となってアバランシェ・フォト・ダイオード１から流れ出る。先に述べたように、この直流バイアス電圧は、アバランシェ増倍を起こさない程度に設定されており、束縛を離れ、励起された伝導キャリアによっては、アバランシェ増倍が生じない。これにより、光子検出回路４に入力される電流はあらかじめ設定された電流しきい値よりも小さく、結果的に、このようなキャリアによってはＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＮとなる状態は生じない。
【００２１】
この束縛キャリアの光励起はナノ秒オーダーの高速で起こる現象であり、また、光強度を高めることによって、１０１６／ｃｍ３程度の密度を持つ不純物を短時間で電流として除去することが可能である。この光源の波長は、アバランシェ・フォト・ダイオード１におけるキャリア増倍層、吸収層及び界面に含まれる欠陥の種類に応じて、複数あることが望ましい。あるいは、この光源は、スペクトル幅の広い光源、例えば、フェムト秒レーザであってもよい。
【００２２】
実施の形態１によれば、持続電流除去光源駆動回路５２は光子検出回路４からのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて持続電流除去光源５１を駆動することにより、アバランシェ・フォト・ダイオードに対して持続電流除去光を出力することができる。出力された持続電流除去光は、アバランシェ・フォト・ダイオード１を構成する結晶中の欠陥に束縛されたキャリアを伝導キャリアへとナノ秒オーダーで励起し、不純物を短時間で電流として除去することができる。これにより欠陥中に束縛されたキャリア密度の大幅な低減が短時間で可能となり、光子検出に伴う持続電流を事実上除去することができるので、高周波光子パルス列を高効率で検出することが可能となる。
【００２３】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１の構成に対してさらに持続電流時間特性評価回路６を付加することにより、持続電流の評価を可能としている。図３は本発明の実施の形態２に係る光子検出装置の構成図である。持続電流時間特性評価回路６は、あらかじめ設定された持続電流時間上限値を持っており、この値は光子検出装置を用いて検出を行いたい光子パルスの周波数に応じて決めることができる。さらに持続電流時間を抽出するために、アバランシェ・フォト・ダイオード１の出力である電流信号から光子検出に伴う電流を識別するための電流しきい値も設定されている。
【００２４】
持続電流時間特性評価回路６は、アバランシェ・フォト・ダイオード１から電流信号を取り込み、あらかじめ設定された電流しきい値と取り込まれた電流値を比較し、入力された電流値が電流しきい値以上であればＯＮ、電流しきい値未満であればＯＦＦとなるＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する。このＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいてＯＮしている期間を抽出することにより、光子検出に伴う持続電流時間を検出できる。なお、本実施の形態２ではＯＮ／ＯＦＦ信号の生成を持続電流時間特性評価回路６内で行っているが、光子検出回路４に設定されているものと同じ電流しきい値を用いるのであれば、実施の形態１で示した光子検出回路４で生成されるＯＮ／ＯＦＦ信号を取り込んでも同様の信号が得られる。
【００２５】
さらに持続電流時間特性評価回路６は、ＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮしている時間とあらかじめ設定された持続電流時間上限値とを比較することにより、光子検出に伴う持続電流時間が上限値を超えてしまったことを検出できる。
【００２６】
実施の形態２によれば、持続電流時間特性評価回路６は光子検出に伴う持続電流時間が上限値を超えてしまったことを検出できる。この状態では光子検出装置で検出可能な光子パルスの周波数が低下していることとなり、この検出結果をアラーム信号として出力することにより、光子検出装置が本来の性能から劣化した状態を知らせることができる。
【００２７】
実施の形態３．
実施の形態３では、さらに持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、アバランシェ・フォト・ダイオードに印加する電圧を変更し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善する方法を説明する。図４は本発明の実施の形態３に係る光子検出装置の構成図である。持続電流時間特性評価回路６はデータ記憶部６１を有しており、光子検出装置の初期性能から一義的に決まる持続電流時間の基準時間が格納されている。さらにデータ記憶部６１には、あらかじめ持続電流時間の基準時間からの偏差量とアバランシェ・フォト・ダイオード１に印加する直流バイアス電圧値及び付加的なパルス電圧値とを関連づけた印加電圧値データが格納されている。
【００２８】
印加電圧値データは、例えば本測定の前に試験的に光子測定装置を駆動して、その際に印加する直流バイアス電圧値及び付加的なパルス電圧値を種々に変えたときの持続電流時間のデータを計測した結果から定めることができる。この印加電圧値データに基づいた直流バイアス電圧値及び付加的なパルス電圧値をアバランシェ・フォト・ダイオード１に印加することができれば、実際にかかっている持続電流時間（持続電流時間の現在値）と基準時間の偏差がなくなる、すなわち実際にかかっている持続電流時間が基準時間に近づく方向に動作し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することができる。
【００２９】
データ記憶部６１は、持続電流時間特性評価回路６で計測された持続電流時間を時系列的に蓄積した経時変化データを格納している。持続電流時間特性評価回路６は格納されている持続電流時間の経時変化データから、持続電流時間の現在値を求める。この持続電流時間の現在値は、単純に経時変化データから最新のデータを採用することもできるし、いくつかの連続したデータの平均値として求まる移動平均値を採用することもでき、その他にも種々の算出方法が考えられる。
【００３０】
持続電流時間特性評価回路６は、算出された持続電流時間の現在値からあらかじめ設定されている基準時間を引いた偏差量を求め、求まった偏差量に対応する印加電圧値データをデータ記憶部６１から取り出す。さらに持続電流時間特性評価回路６は、取り出された印加電圧値データをアバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路２に出力する。
【００３１】
アバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路２は、取得した印加電圧値データに含まれている直流バイアス電圧値及び付加的なパルス電圧値により、アバランシェ・フォト・ダイオード１に対する出力電圧を変更し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することとなる。
【００３２】
実施の形態３によれば、持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、アバランシェ・フォト・ダイオードの素子特性の経時変化を察知できる。あらかじめデータ記憶部６１に印加電圧値データを設定しておくことにより、持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、アバランシェ・フォト・ダイオードに印加する電圧を変更でき、経時変化に対応して駆動条件を変更することにより持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することができる。
【００３３】
実施の形態４．
実施の形態４では、さらに持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、持続電流除去光照射手段５からアバランシェ・フォト・ダイオード１に照射する持続電流除去光の光出力強度及び波長を変更し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善する方法を説明する。図５は本発明の実施の形態４に係る光子検出装置の構成図である。持続電流時間特性評価回路６はデータ記憶部６１を有しており、光子検出装置の初期性能から一義的に決まる持続電流時間の基準時間が格納されている。さらにデータ記憶部６１には、あらかじめ持続電流時間の基準時間からの偏差量とアバランシェ・フォト・ダイオード１に照射する持続電流除去光の光出力強度及び波長とを関連づけた除去光出力データが格納されている。
【００３４】
除去光出力データは、例えば本測定の前に試験的に光子測定装置を駆動して、その際に持続電流除去光の光出力強度及び波長を種々に変えたときの持続電流時間のデータを計測した結果から定めることができる。この除去光出力データに基づいた光出力強度及び波長をもつ持続電流除去光が照射できれば、実際にかかっている持続電流時間（持続電流時間の現在値）と基準時間の偏差がなくなる、すなわち実際にかかっている持続電流時間が基準時間に近づく方向に動作し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することができる。
【００３５】
データ記憶部６１は、持続電流時間特性評価回路６で計測された持続電流時間を時系列的に蓄積した経時変化データを格納している。持続電流時間特性評価回路６は格納されている持続電流時間の経時変化データから、持続電流時間の現在値を求める。この持続電流時間の現在値は、単純に経時変化データから最新のデータを採用することもできるし、いくつかの連続したデータの平均値として求まる移動平均値を採用することもでき、その他にも種々の算出方法が考えられる。
【００３６】
持続電流時間特性評価回路６は、算出された持続電流時間の現在値からあらかじめ設定されている基準時間を引いた偏差量を求め、求まった偏差量に対応する除去光出力データをデータ記憶部６１から取り出す。さらに持続電流時間特性評価回路６は、取り出された除去光出力データを持続電流除去光源駆動回路５２に出力する。
【００３７】
持続電流除去光源駆動回路５２は、取得した除去光出力データに含まれている光出力強度及び波長により、アバランシェ・フォト・ダイオード１に対する持続電流除去光の駆動条件を変更し、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することとなる。
【００３８】
実施の形態４によれば、持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、アバランシェ・フォト・ダイオード１に照射する持続電流除去光の駆動条件を変更できる。あらかじめデータ記憶部６１に除去光出力データを設定しておくことにより、持続電流時間特性評価回路６による持続電流時間の計測結果に基づいて、アバランシェ・フォト・ダイオード１に照射する持続電流除去光の駆動条件を変更でき、持続電流時間が経時変化により長くなった状態を改善することができる。
【００３９】
さらに、実施の形態３と４を組み合わせた機能を持続電流時間特性評価回路６に持たせることもできる。あらかじめ格納しておく印加電圧値データ及び除去光出力データを、相互の影響を加味して作り込んでおくことにより対応できる。また、状況に応じて実施の形態３と実施の形態４の機能を切り換えて使用することも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光子パルスの検出を行った後に、持続電流除去光をアバランシェ・フォト・ダイオードに照射することにより、光子検出後の持続電流を短時間で低減することができ、高周波光パルス列を高速で検出できる光子検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光子検出装置において持続電流の持続時間を抑制するための原理を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光子検出装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る光子検出装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る光子検出装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る光子検出装置の構成図である。
【符号の説明】
１  アバランシェ・フォト・ダイオード、２  アバランシェ・フォト・ダイオード駆動回路、３  光子パルス、４  光子検出回路、５  持続電流除去光照射手段、６  持続電流時間特性評価回路、５１  持続電流除去光源、５２  持続電流除去光源駆動回路、６１  データ記憶部。
【図１】
2004325392.tif 000003
【図２】
2004325392.tif 000004
【図３】
2004325392.tif 000005
【図４】
2004325392.tif 000006
【図５】
2004325392.tif 000007