(57)【要約】【課題】光子検出デバイスの正確な特性を測定する。【解決手段】ＡＰＤ１０２の出力信号から光子入力時とダーク時の波高ヒストグラムを生成し、それぞれの波高ヒストグラムから識別効率ＤPD、ＤDKを生成する。ＡＰＤ出力を識別したカウント値からＡＰＤの所定特性を算出する式に対して、識別効率ＤPD、ＤDKを補正係数として用いることで、識別失敗の確率も考慮に入れた特性計算が可能となり、ＡＰＤの正確な特性を得ることができる。さらに識別効率ＤPD、ＤDKの比あるいは差の極大値から最適識別閾値を決定できる。【選択図】図１
2007147472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子検出デバイスの特性測定のためのデータ処理装置において、
前記光子検出デバイスの出力信号の波高分布から各識別閾値での識別効率を生成する識別効率生成手段と、
前記識別効率を用いて前記光子検出デバイスの特性値を算出する演算手段と、
を有することを特徴とするデータ処理装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記光子検出デバイスの特性測定のための実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する際に前記識別効率を補正係数として用いることを特徴とする請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項３】
前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出するための所定の式に対して、前記識別効率から得られる識別成功率および識別失敗率を補正係数として用いることを特徴とする請求項２に記載のデータ処理装置。
【請求項４】
前記演算手段は、前記識別効率から前記識別閾値の最適値を前記光子検出デバイスの特性値として算出することを特徴とする請求項１に記載のデータ処理装置。
【請求項５】
前記識別効率生成手段が生成する前記識別効率は、光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から得られた波高分布から識別閾値ごとに生成された第１識別効率と、光子遮断時の前記光子検出デバイスの出力信号から得られた波高分布から識別閾値ごとに生成された第２識別効率とからなり、
前記演算手段は、前記第１識別効率および前記第２識別効率からなる所定の関数から前記識別閾値を決定することを特徴とする請求項４に記載のデータ処理装置。
【請求項６】
前記所定の関数は前記第１識別効率と前記第２識別効率との比を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定することを特徴とする請求項５に記載のデータ処理装置。
【請求項７】
前記所定の関数は前記第１識別効率と前記第２識別効率との差を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定することを特徴とする請求項５に記載のデータ処理装置。
【請求項８】
光子検出デバイスの特性を測定する測定装置において、
前記光子検出デバイスに対して光子信号の入力および遮断を制御するスイッチ手段と、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得する実測手段と、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、光子遮断時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成する波高分布生成手段と、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成する識別効率生成手段と、
前記第１識別効率および前記第２識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項９】
前記演算手段は、前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出するための所定の式に前記第１識別効率および前記第２識別効率を補正係数として用いることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記所定の式は、
１）前記光子検出デバイスに対して連続した２つの駆動パルスを印加し、前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスのタイミングで光子入力する時に、連続した２つの前記出力信号が識別される場合、
２）前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスに対してのみ前記出力信号が識別される場合、および
３）前記２つの駆動パルスのうち第２の駆動パルスに対してのみ前記出力信号が識別される場合、
の各々において、前記出力信号が存在するにも拘わらず識別されない場合を前記第１識別効率および前記第２識別効率を用いて補償することを特徴とする請求項１０に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記波高分布生成手段は、さらに、前記光子検出デバイスに対して連続した２つの駆動パルスを印加し前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスのタイミングで光子入力する場合に連続した２つの前記出力信号が現れたときの前記第２の駆動パルスに対する前記出力信号から第３波高分布を生成し、
前記識別効率生成手段は、さらに、前記第３波高分布に基づいて識別閾値ごとに第３識別効率を生成し、
前記演算手段は、前記前記第１識別効率、前記第２識別効率および前記第３識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する、
ことを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記光子検出デバイスの特性値は、光子検出確率、ダークカウント確率およびアフターパルス確率のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項８−１１のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記波高分布生成手段は前記第１波高分布から前記第２波高分布を減算する減算手段を有し、前記識別効率生成手段は前記減算手段の出力に基づいて前記第１識別効率を生成することを特徴とする請求項８−１２のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項１４】
前記演算手段は、さらに、前記第１識別効率および前記第２識別効率からなる所定の関数から定まる前記識別閾値を前記光子検出デバイスの特性値として決定することを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１５】
前記所定の関数は、前記第１識別効率と前記第２識別効率との比を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定するであることを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
【請求項１６】
前記所定の関数は、前記第１識別効率と前記第２識別効率との差を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定するであることを特徴とする請求項１４に記載の測定装置。
【請求項１７】
光子検出デバイスの特性を測定する測定装置において、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得する実測手段と、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から波高分布を生成する波高分布生成手段と、
前記波高分布に基づいて識別閾値ごとに識別効率を生成する識別効率生成手段と、
前記識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項１８】
光子受信器において、
光子検出デバイスと、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別する識別手段と、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、ダーク時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成する波高分布生成手段と、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成する識別効率生成手段と、
前記第１識別効率および前記第２識別効率からなる所定の関数から前記識別閾値を決定する識別閾値決定手段と、
を有することを特徴とする光子受信器。
【請求項１９】
前記所定の関数は、前記第１識別効率と前記第２識別効率との比を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定するであることを特徴とする請求項１８に記載の光子受信器。
【請求項２０】
前記所定の関数は、前記第１識別効率と前記第２識別効率との差を含む関数であり、その極値から前記識別閾値を決定するであることを特徴とする請求項１８に記載の光子受信器。
【請求項２１】
前記光子検出デバイスには、周期的に光子が存在しないダークスロットを含む光子列信号が入力し、前記ダークスロットのタイミングにおける前記光子検出デバイスの出力信号によって前記第２波高分布が生成されることを特徴とする請求項１８に記載の光子受信器。
【請求項２２】
請求項１８−２１のいずれかに記載の光子受信器を受信側に備えた量子暗号鍵配布システム。
【請求項２３】
請求項１８−２１のいずれかに記載の光子受信器を備えた光計測器。
【請求項２４】
光子検出デバイスの特性測定のためのデータ処理方法において、
前記光子検出デバイスの出力信号の波高分布から各識別閾値での識別効率を生成し、
前記識別効率を用いて前記光子検出デバイスの特性値を算出する、
ことを特徴とするデータ処理方法。
【請求項２５】
前記光子検出デバイスの特性測定のための実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する際に前記識別効率を補正係数として用いることを特徴とする請求項２４に記載のデータ処理方法。
【請求項２６】
前記識別効率から前記識別閾値の最適値を前記光子検出デバイスの特性値として算出することを特徴とする請求項２４に記載のデータ処理方法。
【請求項２７】
光子検出デバイスの特性を測定する方法において、
前記光子検出デバイスに対して光子信号の入力および遮断を制御し、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得し、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、光子遮断時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成し、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成し、
前記第１識別効率および前記第２識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する、
ことを特徴とする測定方法。
【請求項２８】
前記光子検出デバイスに対して連続した２つの駆動パルスを印加し前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスのタイミングで光子入力する場合に連続した２つの前記出力信号が現れたときの前記第２の駆動パルスに対する前記出力信号から第３波高分布を生成し、
前記第３波高分布に基づいて識別閾値ごとに第３識別効率を生成し、
前記前記第１識別効率、前記第２識別効率および前記第３識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の測定方法。
【請求項２９】
光子検出デバイスの特性を測定する方法において、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得し、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から波高分布を生成し、
前記波高分布に基づいて識別閾値ごとに識別効率を生成し、
前記識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する、
ことを特徴とする測定方法。
【請求項３０】
光子検出デバイスを用いた受信方法において、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、ダーク時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成し、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成し、
前記第１識別効率および前記第２識別効率からなる所定の関数の極値から前記識別閾値を決定し、
前記光子検出デバイスの出力信号を前記決定された識別閾値により識別する、
ことを特徴とする光子受信方法。
【請求項３１】
コンピュータに、光子検出デバイスの特性測定を実行させるためのプログラムにおいて、
前記光子検出デバイスの出力信号の波高分布から各識別閾値での識別効率を生成するステップと、
前記識別効率を用いて前記光子検出デバイスの特性値を算出するステップと、
を有することを特徴とするプログラム。
【請求項３２】
前記光子検出デバイスの特性測定のための実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する際に前記識別効率を補正係数として用いることを特徴とする請求項３１に記載のプログラム。
【請求項３３】
前記識別効率から前記識別閾値の最適値を前記光子検出デバイスの特性値として算出することを特徴とする請求項３１に記載のプログラム。
【請求項３４】
コンピュータに、光子検出デバイスの特性測定を実行させるためのプログラムにおいて、
前記光子検出デバイスに対して光子信号の入力および遮断を制御するステップと、
前記光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得し、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、光子遮断時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成するステップと、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成するステップと、
前記第１識別効率および前記第２識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出するステップと、
を有することを特徴とするプログラム。
【請求項３５】
前記光子検出デバイスに対して連続した２つの駆動パルスを印加し前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスのタイミングで光子入力する場合に連続した２つの前記出力信号が現れたときの前記第２の駆動パルスに対する前記出力信号から第３波高分布を生成し、
前記第３波高分布に基づいて識別閾値ごとに第３識別効率を生成するステップを更に有し、
前記前記第１識別効率、前記第２識別効率および前記第３識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出することを特徴とする請求項３４に記載のプログラム。
【請求項３６】
コンピュータに、光子検出デバイスを用いた光子受信器の光子受信動作を実行させるプログラムにおいて、
光子入力時の前記光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、ダーク時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成するステップと、
前記第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、前記第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成するステップと、
前記第１識別効率および前記第２識別効率からなる所定の関数の極値から前記識別閾値を決定するステップと、
前記光子検出デバイスの出力信号を前記決定された識別閾値により識別するステップと、
を有することを特徴とするプログラム。
【請求項３７】
請求項２４−２６のいずれかに記載のデータ処理方法を実行する光子受信器を受信側に備えた量子暗号鍵配布システム。
【請求項３８】
請求項２４−２６のいずれかに記載のデータ処理方法を実行する光子受信器を備えた光計測器。
【請求項３９】
請求項３１−３６のいずれかに記載のプログラムを実行する信号処理装置を有する光子受信器を受信側に備えた量子暗号鍵配布システム。
【請求項４０】
請求項３１−３６のいずれかに記載のプログラムを実行する信号処理装置を有する光子受信器を備えた光計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光子検出デバイスの特性を測定するための技術に係り、特に正確な測定値を得るためのデータ処理方法および装置と、それを用いた光子受信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
１．光子検出デバイス
光子受信器において、単一光子あるいはそれに近い状態の微弱光を検出可能なデバイスとしては、一般にアバランシェ・フォトダイオード（以下ＡＰＤと記す。）が用いられている。基本的な光子受信技術では、ＡＰＤに対してそのブレークダウン電圧(ＶＢｄ)以上の逆バイアス電圧を印加し、ＡＰＤの増倍率を極めて大きくするガイガーモードが採用されている。これにより光子１個から生成する光電流が十分に大きな信号振幅まで増幅され、外部回路で処理可能となる。具体的には、ＡＰＤの受光層に単一光子が入射すると、量子効率ηに従って光電効果により電子１個が生成し、続く増倍層において雪崩(アバランシェ)効果により多数の電子に増倍して外部回路で検出可能な十分な信号強度となる。
【０００３】
周知のように、ガイガーモードで駆動されるＡＰＤは、光子信号かダークノイズかに依らず、一旦ブレークダウンして増倍電流が流れるとブレークダウン状態が継続する。そこで、一般には、光子がＡＰＤへ到達するタイミングで、ＡＰＤにＶＢｄ以上の逆バイアス電圧をパルス状に印加するＧＧＭ(Gated Geiger Mode)方式が採用されている。明らかに光子信号が到達しない時間では逆バイアス電圧がＶＢｄ以下になるので、ブレークダウン状態を停止させることができるからである。
【０００４】
特に通信用光ファイバの最低損失波長帯が１．５５μｍ帯の場合、その波長帯域に感度を持つInGaAs/InP-ＡＰＤが光源として用いられるが、このInGaAs/InP-ＡＰＤは、他の波長帯に感度を有するＡＰＤ、たとえば可視光用のSi-ＡＰＤと比較して、非常にダークカウントの発生が多い。この種のＡＰＤは、ＶＢｄ以上の逆バイアスが印加されると、ＡＰＤ素子内部で発生する熱雑音などに起因する暗電流も増幅するため、光子受信をせずとも確率的な頻度で信号電流が生じ、これがダークノイズとなる。このためにＧＧＭ方式は１．５５μｍ帯での光子受信器に必須な技術である。
【０００５】
また、ＡＰＤの増倍層におけるアバランシェ効果による電子増倍過程も確率的な効果が大きく、このためにＡＰＤの出力信号の振幅は広い分布を有することが知られている。たとえば非特許文献１および２には、ＡＰＤの雑音指数（ＮＦ）の値が２で、出力信号の振幅の分布が零から単調に減少することが述べられている。このことは、僅か電子１個の信号源から雪崩増幅する過程に不確実性が高く、出力信号の振幅が十分に得られない確率が大きいことを示している。
【０００６】
２．従来のＡＰＤ特性測定
上述したようなＡＰＤを光子通信の受光素子として使用する場合、その特性に適した駆動あるいは制御を行うために、その受光特性を正確に測定しておく必要がある。以下、従来の測定方法を簡単に説明する。
【０００７】
図１７は一般的な光子受信器の概略的構成を示すブロック図である。ＡＰＤ１は、光子到達タイミングに合わせてＧＧＭドライバ２によりＧＧＭ方式で駆動される。光子あるいはダークノイズによりＡＰＤ１がブレークダウンして増倍電流が流れると、その電流がＴＩＡ(Trans-impedance amplifier)３により電圧変換され、識別回路４へ出力される。識別回路４は、入力した電圧とある一定の閾値電圧とを比較し、その大小により符号識別を行い、識別された論理的な信号１／０を論理回路５へ出力する。論理回路５はマイクロプロセッサ等であり、識別回路４からの識別信号により光子数の計数や光子伝送信号の処理などを行う。
【０００８】
ここで、ＡＰＤの特性を表す物理量としては、一般に、光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPが用いられ、これらの特性値は識別回路４により識別された検出信号のカウント値を用いて算出される。
【０００９】
特に、ＧＧＭモードで駆動されるＡＰＤでは、多光子受信のＡＰＤと異なる特徴的な現象として、アフターパルスノイズの発生がある（非特許文献３）。これは、光子検出あるいはダークノイズなどでブレークダウンした時に、ＡＰＤの内部にキャリアが残留し、続くＧＧＭパルスの印加によりキャリアが再放出され、光子受信が無いにも関わらずブレークダウンするノイズ現象である。このアフターパルスノイズは、ダークカウントノイズと共に、光子受信器のＳＮ比を劣化させる原因である。
【００１０】
従来の素子評価では、単純に、識別回路４の閾値以上の波高が得られた信号の検出率を計数し、その計数値に占める光子検出、ダークカウントノイズおよびアフターパルスノイズの割合を算出していた。
【００１１】
図１８は、光子検出、ダークカウントノイズおよびアフターパルスノイズの割合を求めるためのＧＧＭ駆動タイミングとＡＰＤの検出信号の出力パタンとを示す波形図である。図１８において、十分に長い繰り返し周期で、２つの連続するＧＧＭパルスをＡＰＤに印加する。光子信号は１つ目のＧＧＭパルスに対してのみＡＰＤに入射し、２つ目のＧＧＭパルスに対しては光子入力が無いものとする。この評価系は、光子受信直後の第２ＧＧＭパルスにおけるアフターパルス確率を得るための一般的な手法である。ＡＰＤから得られた検出信号の出力パタンは次のように分類される。
【００１２】
ｍＰAP：連続２パルスに対して信号出力がある場合の確率、
ｍＰ1st：１つ目のＧＧＭパルスにのみ信号出力がある場合の確率、および、
ｍＰ2nd：２つ目のＧＧＭパルスにのみ信号出力がある場合の確率。
【００１３】
このような分類に従って、光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPの識別カウントに対する関与を分析すると、表１のようになる。
【００１４】
【表１】
2007147472.tif 000003
この表１から次の式を得ることができる。
【００１５】
【数１】
2007147472.tif 000004
【００１６】
これらの式（１−１）〜（１−３）から光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPは次のように計算される。
【００１７】
【数２】
2007147472.tif 000005
【００１８】
以上の処理により、光子検出確率、ダークカウント確率、アフターパルス確率というＡＰＤの特性値を求めることができる。
【００１９】
【非特許文献１】J. Kim, S. Somani, Y. Yamamoto: "Nonclassical Light from Semiconductor Lasers and LEDs"(Springer Series in Photonics, 5), Springer Verlag, 2001, pp 193-194.
【非特許文献２】R. J. McIntyre, "Multiplication Noise in Uniform Avalanche Diodes", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-13, No. 1, January 1996, pp. 164-168
【非特許文献３】S. Cova et al, "Trapping phenomena in avalanche photodiodes on nanosecond scale", Elec. Dev. Lett., vol. 12, No. 12, December 1991, pp. 685-687
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記従来のＡＰＤ測定方法には、ＡＰＤからの出力信号の振幅が十分に得られないことに起因する符号識別の失敗の影響が何ら考慮されていない。このために、従来の方法では、それぞれの現象の正確な発生確率を得ることができない。また、識別回路４における符号識別のための閾値の問題もある。
【００２１】
一般に、ＡＰＤの性能としては、光子検出信号として識別される信号数が多く、反対に、ノイズ成分、つまり、回路のバックグラウンドのノイズおよびダークカウントノイズを光子検出信号として誤識別した信号数が少ないことが理想である。すなわち、誤識別を防止するためには、識別回路４の閾値電圧を回路のノイズレベルよりも十分に高い値に設定する必要がある。
【００２２】
しかしながら、非特許文献１および２に記載されているように、ＡＰＤの出力信号の振幅は零から単調に減少するように分布することが知られている。したがって、識別回路４の閾値電圧を高く設定することは、本来信号として検出されていながら識別されない事態、すなわち符号識別の失敗が多く発生することを意味する。
【００２３】
図１９は、符号識別の失敗の例を示すものであり、図１８のように駆動したとき符号識別により第２ＧＧＭパルスが印加された時だけ出力されたと判定された検出信号のみをサンプリングし重ね描きした波形図である。ここでは、第１ＧＧＭパルス(1st pulse)印加時に弱い信号が、第２のＧＧＭパルス(2nd pulse)印加時に大きな信号が出力されている。第１のＧＧＭパルス印加時において、小さいながらも信号波形として出力される程の雪崩増倍が発生したために、ＡＰＤの内部にはキャリアが滞留している可能性が非常に高い。それに続く第２のＧＧＭパルス印加時では、滞留キャリア起源の雪崩増倍が発生すると思われる。
【００２４】
しかしながら、この場合、第１のＧＧＭパルス印加時の出力信号は、識別閾値Ｖｔｈに届かずに検出されない。したがって、この事象は従来の測定方法では第２のＧＧＭパルスにのみ信号出力がある場合の確率ｍＰ2ndにカウントされてしまう。すなわち、従来の手法では、ＡＰＤの正確な特性を把握することができなかった。デバイス本来の特性とは異なる誤差を含む値を用いることは、結果的に、ＡＰＤの周辺回路の最適制御やＡＰＤ素子の特性改善を困難にする。
【００２５】
また、この符号識別の失敗が信号検出とダークカウントノイズの双方に対して影響するにも関わらず、その効果は考慮されていなかったために、従来では、識別回路の閾値電圧を最適に設定する手法が存在しなかった。その結果、従来の光子受信器では、識別回路での最適な識別が不可能であり、最適なＳＮ比での受信であるか否かの確認をすることすら出来なかった。
【００２６】
これは、従来の光子受信器が多光子受信回路と同等の回路方式を用いているためである。多光子受信回路では、受信光子数が十分に多いことと、ＧＧＭモードを用いないために、比較的リニアな雪崩増倍過程が適用される。そのためにＡＰＤ出力信号には符号と対応する明確な波高の差が期待出来た。つまり、アイパタンと呼ばれる波形表示の上で、符号０／１と信号振幅の大小との対応が明確であり、最適な閾値電圧Ｖｔｈの選択が容易に実現されている。また、符号誤り率の測定により、最適な閾値電圧の確認をするに問題は生じなかった。
【００２７】
それに対して、単一光子伝送系の光子受信器では、伝送する光信号が単一光子あるいはそれに近い微弱光であること、ＧＧＭモードを用いることから、次の２つの理由で従来の多光子受信とは異なり符号誤り率から単純な識別閾値の設定を行うことができない。
【００２８】
第一の理由は、送信された信号の全ビットが受信器へ到達する保証がないため、単純な符号誤り率測定が適用できないからである。送信光子数が単一光子かそれに近い状態であり、光子数がポアソン分布に支配される場合には、送信時に既に無光子のビットが存在する。また、送信光子数が極めて少ないために、伝送路の損失により、光子が消滅する場合がある。したがって、送信ビットと受信ビットとの単純な比較による受信誤り率の評価が非常に困難である。さらに、ＧＧＭモードでの受信は、光電効果により生成された電子が１〜数個と極めて少なく、その後の雪崩増倍に至らずに消滅してしまう場合がある。これらの現象により送信信号と受信信号の符号比較が出来ない。
【００２９】
第二の理由は、ＡＰＤの受信信号のアイパタンに明確な符号と信号波高との対応が無いからである。それは、上述した非特許文献１および２に記載されているように、ＡＰＤのＮＦが悪いためであり、信号入力に対して振幅が零から連続する波高を取り得るためである。
【００３０】
これら２つの理由により、従来技術では光子受信器の最適な識別閾値の設定が不可能であり、その結果ＡＰＤを最適状態で動作させることができなかった。
【００３１】
本発明の目的は、光子検出デバイスが有する正確な特性を得るためのデータ処理方法および装置ならびに測定装置および方法を提供することにある。
【００３２】
本発明の他の目的は、光子検出デバイスが有する正確な特性に従って動作する光子受信器を提供することにある。
【００３３】
本発明のさらに別の目的は、光子検出デバイスの出力信号を識別する識別閾値を最適化する光子受信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明によれば、光子検出デバイスの出力信号の波高分布から識別効率を生成し、この識別効率の導入によって光子検出デバイスの正確な特性を得ることができる。本発明の１つの側面によれば、識別効率は、出力信号の波高分布の波高を識別閾値とした場合、各識別閾値より大きい波高が出現する割合として算出されうる。ある識別閾値での識別効率をＤとすれば、光子検出デバイスの出力信号がその識別閾値で識別に成功する割合はＤ、失敗する割合１−Ｄとなるので、識別効率は識別成功率と識別失敗率とを含む概念である。従って、識別効率を導入することで識別に失敗した場合を含めた計算が可能となり、より正確な特性測定が可能となる。
【００３５】
本発明の別の側面によれば、識別効率から光子検出デバイスの出力信号を識別するための識別閾値を最適化することができる。具体的には、光子入力時の光子検出デバイスの出力信号から得られた波高分布から識別閾値ごとに生成された第１識別効率を生成し、光子遮断時の光子検出デバイスの出力信号から得られた波高分布から識別閾値ごとに生成された第２識別効率を生成する。これら第１および第２識別効率からなる所定の関数から識別閾値を決定する。所定の関数としては、第１識別効率と第２識別効率との比あるいは差を含む式を用いることができ、その式の値が示す極値から識別閾値を決定することができる。
【００３６】
本発明の一実施形態による測定装置は、光子検出デバイスに対して光子信号の入力および遮断を制御するスイッチ手段と、光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得する実測手段と、光子入力時の光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、光子遮断時の光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成する波高分布生成手段と、第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成する識別効率生成手段と、第１識別効率および第２識別効率を補正係数として用いることで実測データから光子検出デバイスの特性値を算出する演算手段と、を有する。
【００３７】
前記波高分布生成手段は、さらに、前記光子検出デバイスに対して連続した２つの駆動パルスを印加し前記２つの駆動パルスのうち第１の駆動パルスのタイミングで光子入力する場合に連続した２つの前記出力信号が現れたときの前記第２の駆動パルスに対する前記出力信号から第３波高分布を生成し、前記識別効率生成手段は、さらに、前記第３波高分布に基づいて識別閾値ごとに第３識別効率を生成し、前記演算手段は、前記前記第１識別効率、前記第２識別効率および前記第３識別効率を補正係数として用いることで前記実測データから前記光子検出デバイスの特性値を算出する、も可能である。
【００３８】
本発明の他の実施形態による測定装置は、光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別することで実測データを取得する実測手段と、光子入力時の光子検出デバイスの出力信号から波高分布を生成する波高分布生成手段と、波高分布に基づいて識別閾値ごとに識別効率を生成する識別効率生成手段と、識別効率を補正係数として用いることで実測データから光子検出デバイスの特性値を算出する演算手段と、を有する。
【００３９】
本発明の更に別の実施形態による光子受信器は、単一光子あるいはそれに近い状態の微弱光を検出可能な光子検出デバイスと、光子検出デバイスの出力信号を識別閾値により識別する識別手段と、光子入力時の光子検出デバイスの出力信号から第１波高分布を、ダーク時の前記光子検出デバイスの出力信号から第２波高分布をそれぞれ生成する波高分布生成手段と、第１波高分布に基づいて識別閾値ごとに第１識別効率を、第２波高分布に基づいて識別閾値ごとに第２識別効率をそれぞれ生成する識別効率生成手段と、第１識別効率および第２識別効率からなる所定の関数から識別閾値を決定する識別閾値決定手段と、を有する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、識別効率の概念を導入することにより光子検出デバイスの正確な特性を得ることができ、光子検出デバイスを正しく評価することが可能となる。従来の技術では、既に述べたようにＡＰＤの不完全な雪崩増倍からＡＰＤ出力が振幅不足になることに起因する識別の失敗が考慮されていなかった。本発明では識別効率の概念を導入することで、実測データから光子検出デバイスの特性を算出する式を補正することができ、正確な特性を得ることができる。また、識別効率から光子検出デバイスの出力信号を最も良く識別するための識別閾値を決定することができ、この最適識別閾値によって光子検出デバイスを評価することが可能となる。
【００４１】
本発明によれば、識別効率から光子検出デバイスの出力信号を識別するための識別閾値を最適化することができ、光子受信器のＳＮ比に対する最適識別閾値の設定が可能となる。光子受信器では、単一光子あるいはそれに近い状態の微弱光を受信する場合、既に述べたように単純な符号誤り率の測定ができない、送信信号と受信信号との符号比較ができないなどの理由で、光子受信器のＳＮ比に対して最適な識別値設定が不可能であった。本発明は、上述したように比較的簡便な方法により最適な識別閾値を決定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、光子検出デバイスとして典型的なアバランシェ・フォトダイオードＡＰＤを用い、その諸特性を測定する測定装置および測定手法、並びに光子受信器の構成および動作について詳細に説明する。ただしＡＰＤに限定されるものではない。
【００４３】
１．第１実施形態
１．１）回路構成
図１は本発明の第１実施形態によるデータ処理装置を用いた光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。本実施形態による測定装置には、光子信号を通過あるいは遮断可能な光スイッチ１０１が設けられ、光スイッチ１０１を通過した光子信号がＡＰＤ１０２により検出される。ＡＰＤ１０２はＧＧＭドライバ１０３により既に述べたようにＧＧＭ駆動される。ここではＧＧＭパルスに同期した光子信号が入力するものとする。
【００４４】
ＧＧＭ駆動されたＡＰＤ１０２の出力電流はＴＩＡ１０４により電圧に変換されて識別回路１０５へ出力される。識別回路１０５は、ＴＩＡ１０４からのＡＰＤ出力信号と予め設定された閾値電圧とを比較することで符号識別を行い、ＡＰＤ出力信号が閾値電圧以上の場合に検出信号をカウンタ１０６へ出力する。カウンタ１０６は検出信号をカウントし、後述する特性測定のためのデータを提供する。
【００４５】
さらに、ＴＩＡ１０４により電圧変換されたＡＰＤ出力信号は、ピーク検出部１０７へ出力され、そこで検出されたＡＰＤ出力信号のピーク値がセレクタ１０８へ出力される。セレクタ１０８は、光スイッチ１０１の光子通過／遮断切替に同期してＡＰＤ出力ピーク値を光子信号波高ヒストグラム生成部１０９あるいはダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０のいずれかへ転送する。
【００４６】
光子信号波高ヒストグラム生成部１０９は、ＡＰＤ１０２に光子入力時のＡＰＤ出力ピーク値を波高値としてカウントし蓄積することで波高分布（ヒストグラム）を生成する。同様に、ダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０は、ＡＰＤ１０２に光子遮断時のＡＰＤ出力ピーク値を波高値としてカウントし蓄積することで波高分布を生成する。詳しくは後述する。
【００４７】
識別効率生成部１１１は、上記光子入力時の光子信号ヒストグラムから識別効率ＤPDを生成し、光子遮断時のダークノイズヒストグラムから識別効率ＤDKを生成する。詳しくは後述する。
【００４８】
ＡＰＤ特性測定制御部１１２は、光スイッチ１０１の光子通過／遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）制御とセレクタ１０８の選択制御とを同期して行うための制御信号を光スイッチ１０１およびセレクタ１０８へ出力する。またＡＰＤ特性測定制御部１１２は、カウンタ１０６からのカウント値と識別効率生成部１１１からの識別効率ＤPDおよびＤDKとをデータとして用い、ＡＰＤ出力パタン分類テーブル１１３に従ってＡＰＤ１０２の特性であるパラメータ（ここでは、光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAP）を算出する。これら特性値の算出および分類テーブル１１３については後述する。
【００４９】
上記構成において、ピーク検出部１０７、セレクタ１０８、光子信号波高ヒストグラム生成部１０９、ダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０および識別効率生成部１１１からなるデータ処理部とＡＰＤ特性測定制御部１１２とは、ＣＰＵなどのプログラム制御プロセッサによりソフトウエア的に実現することができる。
【００５０】
１．２）波高分布
図２（ａ）は光子入力時の光子信号ヒストグラムの一例を示すグラフであり、（ｂ）は光子遮断時のダークノイズヒストグラムの一例を示すグラフである。図２（ａ）に示すように光子が入力している場合には波高分布にピークが現れ、光子遮断時には図２（ｂ）に示すように波高値の上昇に伴って頻度が零の方向へ減少している。このように、光子検出事象とダークノイズ事象とでは、波高分布の形状が明らかに異なっている。
【００５１】
なお、図２（ａ）および（ｂ）に示す波高分布では、波高の零の方向へ分布が急増しているが、これは、光子検出しない場合つまり無信号のレベルに測定系のノイズが分布している影響である。したがって、これはＡＰＤの振る舞いとは無関係であるため無視する。
【００５２】
これら実測された波高分布はＡＰＤ１０２に固有の特性を反映している。本実施形態は、これらの波高分布から後述する識別効率をそれぞれ求め、それらを補正係数として利用することにより、後述するように符号識別が失敗したケースを織り込んで正確な特性測定を可能にする。
【００５３】
１．２）識別効率
図３（ａ）は光子入力時の光子受信識別効率ＤPDの一例を示すグラフであり、（ｂ）は光子遮断時のダークカウントノイズ識別効率ＤDKの一例を示すグラフである。ここでは、図３（ａ）の光子受信識別効率ＤPDが図２（ａ）の光子信号ヒストグラムから得られ、図３（ｂ）のダークカウントノイズ識別効率ＤDKが図２（ｂ）のダークノイズヒストグラムから得られる。
【００５４】
識別効率とは、識別閾値より大きな波高が出現する確率をいう。図２（ａ）および（ｂ）の波高分布において、ある波高値（たとえば０．２）を識別閾値としたときに、その波高値より大きい波高値が出現する頻度は、図２の横軸０．２より大きい側の波高頻度の総数に相当する。したがって、識別効率は、波高の度数分布の識別閾値電圧より大振幅側の面積に相当する値である。識別閾値より大きい波高であるから、識別効率は符号識別に失敗しない確率を意味する。
【００５５】
具体的には、図２（ａ）および（ｂ）の波高分布に対して一つ以上の正規分布の重ね合わせによりフィッティングを行い、その積算確率（集積確率）を識別効率として用いることができる。その結果が図３（ａ）および（ｂ）である。一例として、識別閾値を０．１Ｖとすると、図３（ａ）の光子検出事象の場合、識別効率ＤPDは９３％となる。それに対して、図３（ｂ）のダークカウントノイズ事象の場合は、同じ識別閾値で識別効率ＤDKは３６％となる。なお、フィッティングを用いないで、波高分布の計数値の集積を用いて識別効率を得ることもできる（後述の７項を参照）。
【００５６】
繰り返しになるが、光子受信やダークカウントノイズによりＡＰＤがブレークダウンした場合、ＡＰＤの雪崩増倍の過程が確率的であるために、必ずしも大きなブレークダウンが得られず、小さな出力振幅となる場合がある。このことは、図２のＡＰＤ出力信号の波高分布が波高の零に向かって増加傾向があることからも分かる。
【００５７】
しかしながら、識別回路１０５では、回路のＳＮ比などの制約により、識別閾値をある程度の波高以上の高い値に設定する必要がある。その結果、図１８で説明したように、連続する２つのＧＧＭパルスに対して、１つ目のＧＧＭパルスで不十分なブレークダウンをし、後続のＧＧＭパルスにおいてアフターパルスが出現したにもかかわらず、識別回路１０５では、第１のＧＧＭパルスは無信号で、第２のＧＧＭパルスに対してダークカウントの発生と誤認識することになってしまう。
【００５８】
本実施形態によれば、識別閾値より大きな波高が出現する確率を識別効率ＤPDおよびＤDKとして定義することにより、識別閾値以下の波高のＡＰＤ出力が発生する確率を（１−ＤPD）および（１−ＤDK）として扱うことが可能となる。
【００５９】
１．３）分類テーブル
本実施形態では、ＡＰＤ１０２の測定されるべき特性は、光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPの３パラメータからなるが、これに限定されるものではない。測定目的に依存して、いずれか１つあるいは２つのパラメータであってもよい。ここで、ダークノイズは全てのＧＧＭパルス印加に際して確率的に発生しうるので、図１７に示した測定手法を用いた場合、光子検出とダークカウント、アフターパルスとダークカウントが混在する。したがって、カウンタ１０６によってカウントされる数値は、次の４通りの場合を考慮する。
【００６０】
１）連続した２つのＧＧＭパルスに対して、連続した２つのＡＰＤ出力が識別される場合（ｍＰAP）
２）第１ＧＧＭパルスに対してのみＡＰＤ出力が識別される場合（ｍＰ1st）
３）第２ＧＧＭパルスに対してのみＡＰＤ出力が識別される場合（ｍＰ2nd）および
４）ＡＰＤ出力無しの場合。
【００６１】
これらの場合のそれぞれについて、さらに、識別されない光子検出、識別されないダークカウント、識別されないアフターパルスが混在しているので、その影響を光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを用いて補正する。以上の補正を含めた場合分けをＡＰＤへの光子入力時（上付きの○で表す。）と光子遮断時（上付きの●で表す。）とでそれぞれ分類整理した一例を表２および表３にそれぞれ示す。
【００６２】
【表２】
2007147472.tif 000006
【００６３】
【表３】
2007147472.tif 000007
一例として、表２のmPAP○、すなわち光子入射時の２連ＧＧＭパルスの両方に対してＡＰＤ出力が識別された場合について説明する。
【００６４】
光子入力のある第１ＧＧＭパルスに対するＡＰＤ出力は、光子検出が成功した場合（1st-gate ＰＤ）と、光子検出せずにダークカウントノイズが発生した場合（1st-gate ＤＫ）の２通りの場合がありうる。光子検出が成功した場合（1st-gate ＰＤ）には、第２ＧＧＭパルスに対しては、アフターパルス（2nd-gate ＡＰ）と、アフターパルスではなくランダムに発生するダークカウント（2nd-gate ＤＫ）の２通りがある。第１ＧＧＭパルスに対するＡＰＤ出力がダークカウントの場合（1st-gate ＤＫ）も同様に、第２ＧＧＭパルスに対してアフターパルス（2nd-gate ＡＰ）とダークカウント（2nd-gate ＤＫ）の２通りがある。したがって、２連ＧＧＭパルスに対してＡＰＤ出力は４通りの組み合わせがあり得る。
【００６５】
これら各事象に対して、光子受信識別効率ＤPDあるいはダークカウントノイズ識別効率ＤDKを掛けることで、数え落としの効果を勘案する。たとえば、光子検出が成功した場合（1st-gate ＰＤ）であって、第２ＧＧＭパルスに対してアフターパルス（2nd-gate ＡＰ）が識別される確率は、光子検出確率PPDに光子受信識別効率ＤPDを乗じた確率に対して、アフターパルス確率PAPに光子受信識別効率ＤPDを乗じた確率を乗じた値（＝PPD・DPD×PAP・DPD）となる。ただし、ここではアフターパルスに関する識別効率は光子受信識別効率ＤPDで近似した（詳しくは後述する）。
【００６６】
次に、表２のmP1st○、すなわち光子入射時の第１ＧＧＭパルスに対してのみＡＰＤ出力が識別される場合について説明する。mP1st○の場合には識別されない事象が混在する。光子入力がある状態で、第１ＧＧＭパルスに対しては、光子検出によるＡＰＤ出力（1st-gate ＰＤ）と、ダークノイズによるＡＰＤ出力（1st-gate ＤＫ）とが混在する。さらに、第２ＧＧＭパルスに対しては、全くブレークダウンしない場合（2nd-gate none）と、アフターパルスのＡＰＤ出力が識別されなかった（アフターパルス不発の）場合（2nd-gate APmf）と、ダークカウントのＡＰＤ出力が識別されなかった（ダークカウント不発の）場合（2nd-gate DKmf）という３通りの場合があり得る。
【００６７】
アフターパルス不発（2nd-gate APmf）およびダークカウント不発（2nd-gate DKmf）に関しては、ＡＰＤがブレークダウンしたにも拘わらず識別出来なかった確率なので、光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを用いて、それぞれPAP(1-DPD)、PDK(1-DDK)と表すことが出来る。
【００６８】
また、全くブレークダウンしないケース（2nd-gate none）とは、mP1st○の中では、第２ＧＧＭパルスに対してＡＰＤブレークダウンが識別出来なかった場合であり、かつ、第２ＧＧＭパルスに対して発生しうるブレークダウンの事象の全ての可能性を除外した確率となるので、(1-PAP-PDK)と表すことができる。
【００６９】
以上表２のmPAP○、mP1st○の場合を説明したが、mP2nd○（第２ＧＧＭパルスに対してのみＡＰＤ出力が識別される場合）も同様に場合分けして考えることができる。さらに光子入力が遮断された場合分けを示す表３についても同様に、mPAP●、mP1st●およびmP2nd●の場合について分類することができる。
【００７０】
なお、ここでは、図１７に示す測定手法の場合を説明したが、パルス間隔は図１７に示す例に限定されるものではない。等間隔の駆動タイミングＣＬＫに対して１つ置きに光スイッチ１０１を遮断（ＯＦＦ）することで、第１駆動パルスのタイミングで光子が入力し、第２駆動パルスのタイミングでは光子が遮断されるという動作を繰り返すことができ、簡単な制御で同様の測定を行うこともできる。
【００７１】
本実施形態において、アフターパルスに関する識別効率（以下、アフターパルス識別効率ＤAPと記す。）として光子受信識別効率ＤPDを近似させて用いた理由は、光子検出時のＡＰＤ内のキャリア増倍過程と、トラップされたキャリアが差異放出されることで発生するアフターパルスのキャリア増倍過程とがＡＰＤの増倍層における同じ現象と考えることも可能だからである。なお、後述する第３実施形態で述べるように、アフターパルスの波高分布を求めることでアフターパルス識別効率ＤAPを求めることも可能である。
【００７２】
これに対して、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、光子検出とダークノイズとは増倍過程が本質的に異なるメカニズムであり、光子信号の波高分布とダークカウントノイズの波高分布との間には明らかな相違が見られる。
【００７３】
１．４）ＡＰＤ特性の測定
光子入力時の表２に記載された測定値に関する分類から次に示す式（２−１）〜（２−３）の関係式が得られる。同様に光子遮断時の表３に記載された測定値に関する分類から次に示す式（２−４）〜（２−６）の関係式が得られる。
【００７４】
【数３】
2007147472.tif 000008
【００７５】
これらの式（２−１）〜（２−６）を光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPについて解いたものが次式（２−７）〜（２−１１）である。
【００７６】
【数４】
2007147472.tif 000009
【００７７】
したがって、ＡＰＤ特性測定制御部１１２は、分類テーブル１１３に従って、光スイッチ１０１を通過（ＯＮ）状態にしたときのカウンタ１０６による観測値からmPAP○、mP1st○、mP2nd○を、光スイッチ１０１を遮断（ＯＦＦ）状態にしたときの観測値からmPAP●、mP1st●およびmP2nd●をそれぞれ算出し、光子入力時および光子遮断時のヒストグラムに基づいて識別効率生成部１１１によりそれぞれ生成された光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを補正係数として、上式（２−７）〜（２−１１）からＡＰＤの特性値である光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPを求めることができる。
【００７８】
１．５）効果
図４は光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを用いて補正した光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPの実測例を示すグラフである。図中の点線が従来の値、実線が本発明により補正した値である。ここでは、識別閾値の電圧が１５０ｍＶの場合を例示した。図３に示すように、識別閾値＝１５０ｍＶの場合、光子受信識別効率ＤPDは０．８５、ダークカウントノイズ識別効率ＤDKは０．２１である。符号識別の失敗を考慮した補正の効果は図４に示すように明白である。
【００７９】
１．６）第１変形例
上述したように、本実施形態ではアフターパルスに関する識別効率を光子受信識別効率ＤPDに近似させたが、場合によっては、アフターパルスに関する識別効率をダークカウントノイズ識別効率ＤDKに近似させた方が適切なこともある。
【００８０】
ダークノイズの原因となる熱雑音起因のキャリアの生成位置や増倍過程に入る経路はＡＰＤ素子の内部構造により異なる。そのために、ダークノイズの主たる生成位置がたとえばアフターパルスの生成領域と同じ場合には、表２および表３において、アフターパルス確率PAPにダークカウントノイズ識別効率ＤDKを乗じて補正するのが望ましい。
【００８１】
１．７）第２変形例
図２（ａ）および（ｂ）に示す波高分布のグラフでは、縦軸を任意単位（A.U.）としているが、図２（ｂ）に示すダークカウントノイズの波高分布は極めて大きく誇張されている。したがって、たとえば絶対値で比較すれば、図２（ｂ）に示すダークカウントノイズの波高分布は図２（ａ）に示す光子信号の波高分布に比べてはるかに小さい。言い換えれば、実際には、図２（ａ）に示す光子信号の波高分布は、図２（ｂ）に示すダークカウントノイズの波高分布を含んでいる。
【００８２】
そこで、図２（ａ）および（ｂ）に示す波高分布の縦軸を相対的な大小比較可能な単位とし、図２（ａ）に示す光子信号の波高分布から図２（ｂ）に示すダークカウントノイズの波高分布を差し引く。これにより、光子信号の波高分布をより正確にして光子受信識別効率ＤPDを求めることができる。
【００８３】
図５は本実施形態の第２変形例による測定装置を示すブロック図である。図１の示すブロック図と異なるのは、光子信号波高ヒストグラム生成部１０９と識別効率生成部１１１との間に減算器１１４を設け、光子信号の波高分布からダークカウントノイズの波高分布を差し引いて光子受信識別効率ＤPDを求める点である。その他の構成および動作は、図１の示す測定装置と同様であるから説明は省略する。
【００８４】
なお、上述した第１実施形態による測定装置において、カウンタ１０６、ピーク検出部１０７、セレクタ１０８、光子信号波高ヒストグラム生成部１０９、ダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０、識別効率生成部１１１、および、ＡＰＤ特性測定制御部１１２は、上述した第２変形例では減算器１１４も含めて、プログラム制御プロセッサ上で各機能を実現するためのプログラムを実行することにより実現することもできる。
【００８５】
２．第２実施形態
図４に示す第１実施形態による補正結果から、光子検出確率PPDおよびアフターパルス確率PAPの変化はほぼ１／ＤPD倍、ダークカウント確率PDKの変化はほぼ１／ＤDK倍であることがわかる。
【００８６】
本発明の第２実施形態によれば、図４に示す補正結果から、図３に示す受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを用いて、次式（３−１）〜（３−３）で示すように、特性値をある程度の精度で簡単に求めることが可能である。
【００８７】
【数５】
2007147472.tif 000010
【００８８】
この式から分かるように、本実施形態によれば、ＡＰＤの特性値である光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPを光子入力時の観測値のみから算出することができ、光子遮断状態での計測が不要となり、測定時間の短縮が可能となる。
【００８９】
３．第３実施形態
３．１）回路構成
上述したように、第１実施形態ではアフターパルス識別効率ＤAPの代わりに光子受信識別効率ＤPDを近似させて用い、数式（２−１）〜（２−６）において光子受信識別効率ＤPDにより光子検出確率PPDおよびアフターパルス確率PAPの補正を行い、ダークカウントノイズ識別効率ＤDKによりダークカウント確率PDKの補正を行った。
【００９０】
本発明は上記第１実施形態に限定されるものではなく、次に述べるようにアフターパルスの波高分布からアフターパルス識別効率ＤAPを直接求めてアフターパルス確率PAPの補正を行うこともできる。
【００９１】
図６は本発明の第４実施形態による光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。ただし、図１に示す第１実施形態と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して説明は省略するが、本実施形態に関係する機能を有するブロックについては詳細に説明する。
【００９２】
図６において、ＡＰＤ特性測定制御部１１２は、等間隔の駆動タイミングＣＬＫに対して１つおきのタイミングで光スイッチ１０１を遮断（ＯＦＦ）する。これによって第１の駆動パルスのタイミングで光子が入力し、第２の駆動パルスのタイミングでは光子が遮断されるという動作を繰り返す。この動作を行っている間、ＡＰＤ特性測定制御部１１２はピーク検出部１０７からのピーク値をモニタし、第１および第２の駆動パルスの双方の（２連続の）タイミングでＡＰＤ出力信号が発生したかどうかを監視する。
【００９３】
２連続タイミングでＡＰＤ出力信号が発生した時、ＡＰＤ特性測定制御部１１２はセレクタ１０８を制御してピーク検出部１０７から出力された第２の駆動パルスのタイミングでのＡＰＤ出力ピーク値をアフターパルス波高ヒストグラム（ＡＰ波高分布）生成部１１５へ転送する。
【００９４】
ＡＰ波高分布生成部１１５は、第２の駆動パルスのタイミングでのＡＰＤ出力ピーク値を波高値としてカウントし蓄積することで波高分布（ヒストグラム）を生成する。なお、上記第１実施形態と同様に、光子信号波高ヒストグラム（ＰＤ波高分布）生成部１０９は、ＡＰＤ１０２に光子入力時のＡＰＤ出力ピーク値を波高値としてカウントし蓄積することで波高分布（ヒストグラム）を生成し、ダークノイズ波高ヒストグラム（ＤＫ波高分布）生成部１１０は、ＡＰＤ１０２に光子遮断時のＡＰＤ出力ピーク値を波高値としてカウントし蓄積することで波高分布を生成する。
【００９５】
識別効率生成部１１１は、第１実施形態で説明したように、上記光子入力時の光子信号ヒストグラムから識別効率ＤPDを、光子遮断時のダークノイズヒストグラムから識別効率ＤDKをそれぞれ生成し、同様にしてアフターパルス波高ヒストグラムからアフターパルス識別効率ＤAPを生成する。
【００９６】
ＡＰＤ特性測定制御部１１２は、カウンタ１０６からのカウント値を実測データとし、識別効率生成部１１１からの識別効率ＤPD、ＤDKおよびＤAPとを補正係数として用いることで、ＡＰＤ出力パタン分類テーブル１１３に従ってＡＰＤ１０２の特性であるパラメータ（ここでは、光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAP）を算出する。
【００９７】
本実施形態ではアフターパルス識別効率ＤAPが求められているので、上述した表２および表３のアフターパルス確率PAPに関する項はＤAPを用いて補正される。たとえば、表２で光子検出が成功した場合（1st-gate ＰＤ）であって、第２ＧＧＭパルスに対してアフターパルス（2nd-gate ＡＰ）が識別される確率は、光子検出確率PPDに光子受信識別効率ＤPDを乗じた確率に対して、アフターパルス確率PAPにアフターパルス識別効率ＤAPを乗じた確率を乗じた値（＝PPD・DPD×PAP・DAP）となる。以下同様に書き換えることで、数式（２−１）〜（２−６）にそれぞれ対応する第３実施形態の数式を得ることができる。
【００９８】
このようにＡＰＤ特性測定制御部１１２は、分類テーブル１１３に従って、光スイッチ１０１を通過（ＯＮ）状態にしたときのカウンタ１０６による観測値からmPAP○、mP1st○、mP2nd○を、光スイッチ１０１を遮断（ＯＦＦ）状態にしたときの観測値からmPAP●、mP1st●およびmP2nd●をそれぞれ算出し、光子入力時、光子遮断時および１つおきの光子遮断制御時のヒストグラムに基づいてそれぞれ生成された光子受信識別効率ＤPD、ダークカウントノイズ識別効率ＤDKおよびアフターパルス識別効率ＤAPを補正係数としてＡＰＤの特性値である光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPを求めることができる。
【００９９】
４．第４実施形態
４．１）回路構成
図７は本発明の第４実施形態による光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。ただし、図１に示す第１実施形態の構成と同じ機能を有するブロックには同一の参照番号を付して説明は省略する。
【０１００】
本実施形態では、識別閾値決定部２０１が光子信号識別効率ＤPDおよびダークノイズ識別効率ＤDKを用いて識別回路１０５の最適閾値電圧をＡＰＤ素子特性として決定する。第１実施形態ではＡＰＤ特性として光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPを生成したが、本実施形態では、これらに加えて識別回路１０５の閾値電圧をＡＰＤ素子の特性を表す量として生成する。最適閾値電圧は、当該ＡＰＤ１０２の特性を示す１つの指標となりうる。たとえば、最適閾値電圧が低いＡＰＤはＡＰＤ出力の数え落としが少なくなるので良好なＡＰＤであると判定することができ、ＡＰＤの評価基準となりうる。
【０１０１】
図７において、本実施形態による測定装置には、光子信号、ＧＧＭドライバ１０３を駆動する駆動タイミングクロックＣＬＫ、および、光子信号のダークスロットのタイミングを示すフレームパルスが入力する。ＡＰＤ１０２はＧＧＭドライバ１０３により既に述べたようにＧＧＭ駆動される。フレームパルスはセレクタ１０８の選択制御信号となる。
【０１０２】
上述したように、ＴＩＡ１０４により電圧変換されたＡＰＤ出力信号は、ピーク検出部１０７へ出力され、そこで検出されたＡＰＤ出力信号のピーク値がセレクタ１０８へ出力される。セレクタ１０８は、フレームパルスのタイミングでＡＰＤ出力ピーク値をダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０へ転送し、その他のタイミングでは光子信号波高ヒストグラム生成部１０９へ転送する。
【０１０３】
光子信号波高ヒストグラム生成部１０９およびダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０は、既に説明したように、光子入力時および光子遮断時の波高分布をそれぞれ生成する。識別効率生成部１１１は、光子入力時の光子信号ヒストグラムから識別効率ＤPDを生成し、光子遮断時のダークノイズヒストグラムから識別効率ＤDKを生成する。いずれも既に説明したとおりである。
【０１０４】
識別閾値決定部２０１は、次に述べるように、光子信号識別効率ＤPDおよびダークノイズ識別効率ＤDKから識別回路１０５の最適閾値電圧をＡＰＤ素子特性として決定する。
【０１０５】
なお、上記構成において、ピーク検出部１０７、セレクタ１０８、光子信号波高ヒストグラム生成部１０９、ダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０および識別効率生成部１１１からなるデータ処理部と識別閾値決定部２０１とは、ＣＰＵなどのプログラム制御プロセッサによりソフトウエア的に実現することができる。
【０１０６】
４．２）最適識別閾値の決定方法Ｉ
図８は識別閾値の決定方法の第１例を説明するための集積確率グラフである。図８における曲線ＤPDは光子入力時の光子受信識別効率であり、例えば図３（ａ）に示すものである。また、図８における曲線ＤDKは光子遮断時のダークカウントノイズ識別効率であり、例えば図３（ｂ）に示すものである。識別効率ＤPDおよびＤDKについては、１．２項で詳細に説明したのでここでは繰り返さない。
【０１０７】
曲線ＤPDおよび曲線ＤDKに示すように、光子受信に対する符号識別が成功する確率と、ダークカウントノイズを識別する確率とは識別電圧により異なる曲線を描くので、両者の比ＤPD／ＤDKには極大値が存在することが分かる。図８の例では、識別閾値電圧０．２４Ｖの近傍で、ＤPD／ＤDKが最大値６．４を示している。識別効率ＤPDおよびＤDKは最大値１で規格化されているので、この場合、識別閾値０．２４Ｖの近傍では６．４倍のＳＮ比が得られることを示している。
【０１０８】
この関係を利用することで最適閾値電圧を決定することができ、最もダークカウントノイズの影響を小さくして光子検出を行うことが可能となる。
【０１０９】
４．３）最適識別閾値の決定方法II
図９は識別閾値の決定方法の第２例を説明するための集積確率グラフである。図９における曲線ＤPDおよび曲線ＤDKは、図８と同様に、それぞれ光子入力時の光子受信識別効率および光子遮断時のダークカウントノイズ識別効率である。
【０１１０】
曲線ＤPDおよび曲線ＤDKに示すように、光子入力時の光子受信識別効率と光子遮断時のダークカウントノイズ識別効率との差（ＤPD−ＤDK）には極大値が存在することが分かる。図９の例では、ＤPDが変曲するあたり（ＤPD＝０．８近傍）で、ＤPD−ＤDKが最大値を示している。この関係を利用することで最適閾値電圧を決定することができ、最もダークカウントノイズの影響を小さくして光子検出を行うことが可能となる。
【０１１１】
最適閾値電圧を決定するために、比ＤPD／ＤDKおよび差（ＤPD−ＤDK）のいずれを用いるかは実測結果である曲線ＤPDおよび曲線ＤDKの形状に依存する。ただし、比ＤPD／ＤDKを用いる方式はＳＮ比が良くとも光子受信の識別効率が低下する場合がある。図８の例ではＤPD／ＤDKが最大値を示す識別閾値で光子受信の識別効率が０．４６まで低下する。光子受信の識別効率を維持しつつ、ダークカウントノイズの識別効率の上昇を避けるためには、識別効率の差（ＤPD−ＤDK）を用いる。
【０１１２】
識別効率の差（ＤPD−ＤDK）を用いる方式では、図９に示すように、識別閾値０．１５Ｖの時、光子受信の識別効率は０．８６と高い値を維持しうる。このとき、ダークカウントノイズの識別効率は０．２１であり、ＳＮ比は約４である。比ＤPD／ＤDKを用いる方式で得られる最大ＳＮ比６には劣るが、高いＳＮ比と光子受信の高い識別効率を両立させることが可能となる。
【０１１３】
４．４）最適識別閾値の決定方法III
最適識別閾値の決定には、比ＤPD／ＤDKや差（ＤPD−ＤDK）だけでなく、これらの演算を含む関数であって極値を有する適当なものを用いることができる。
【０１１４】
たとえば、図５に示した第１実施形態の第２変形例のように減算器１１４を設けることで、（ＤPD−ＤDK）／ＤDKという関数を構成することができる。ダークカウントノイズが除去されるために、より正確な識別閾値を決定することができる。またＤPD−２ＤDKという関数を構成することが適している場合もある。
【０１１５】
５．第５実施形態
５．１）回路構成
図１０は本発明の第５実施形態による光子受信器を示す概略的なブロック図であり、図１１は図１０に示す信号処理回路の機能的な構成を示すブロック図である。基本的構成は図７に示すものと同じであるから同一の参照番号を付す。ただし、第５実施形態ではＡＰＤ１０２に入力する光子信号が光スイッチ２０２を通してＯＮ／ＯＦＦ制御される。また信号処理回路のデータ処理系はハードウエアにより、あるいは、マイクロプロセッサ上でプログラムを実行することにより、実現されうる。以下、図１１を参照しながら本実施形態による光子受信器の構成を説明するが、図１や図７ですでに説明した部分は簡略化するかあるいは省略する。
【０１１６】
図１１において、信号処理回路２０３内のスイッチ制御部２０は光スイッチ２０２を制御して光子信号を通過させるかあるいは遮断する。ＴＩＡ１０４により電圧に変換されたＡＰＤ出力信号ｓ４は、信号処理回路２０３内部のアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１２でサンプリングされデジタル値に変換される。このデジタル値からピーク検出回路１３により最大値が検出され、これを波高値としてメモリ１４ｐｄおよび１４ｄｋの選択された一方に保存する。
【０１１７】
既に説明したように、メモリ１４ｐｄおよび１４ｄｋには、波高値とその出現頻度の関係が図２（ａ）および（ｂ）のようなヒストグラムとして保存される。具体的には、取り得る波高値を任意の間隔で区切り、波高を観測する毎に、対応する波高値のカウントをインクリメントする。これは、波高分布のヒストグラムを作成することに同等である。観測された波高値をメモリ１４ｐｄおよび１４ｄｋのいずれに蓄積するかはスイッチ制御部２０が光スイッチ２０２を通過／遮断のいずれに設定するかに依存する。こうしてメモリ１４ｐｄには光子信号の波高ヒストグラムが生成され、メモリ１４ｄｋにはダークカウントノイズの波高ヒストグラムが生成される。
【０１１８】
このように光スイッチ２０２を切り替えることでメモリ１４ｐｄおよび１４ｄｋに十分な精度の波高ヒストグラムが蓄積された後に、識別効率計算回路１５ｐｄおよび１５ｄｋはそれぞれ対応するヒストグラムに対して一つ以上の正規分布の重ね合わせによりフィッティングを行う。フィッティングにより、尤もらしい分布のパラメータが決定された後に、その分布の集積確率を求め識別効率とする。こうして図３（ａ）および（ｂ）に示すような識別閾値と識別効率ＤPDおよびＤDKとの関係がメモリ１６ｐｄおよび１６ｄｋにそれぞれ格納される。
【０１１９】
続いて、識別閾値算出部１７は各識別閾値での識別効率の比を算出し、ピーク検出器１８は波高の全幅の中で比が最大となる識別閾値を決定する。閾値電圧制御部１９は、得られた最適閾値電圧を閾値制御信号ｓ６として識別回路１０５へ出力し、閾値電圧を設定する。識別回路１０５は、ＴＩＡ１０４からのＡＰＤ出力信号ｓ４を設定された閾値で識別した結果をカウンタ１１へ出力する。
【０１２０】
なお、この例では、Ａ／Ｄ変換器１２によりデジタル変換した後に、デジタル信号処理によるピーク検出回路１３を配置したが、ＴＩＡ１０４のアナログ出力をピークホールド回路に入力させ最大値を検出した後で、Ａ／Ｄ変換器１２によるサンプリングを行っても良い。
【０１２１】
５．２）最適識別閾値の設定
図１２は図１１に示す光子受信器の閾値設定動作を説明するためのフローチャートである。まず、信号処理回路２０３内のスイッチ制御部２０は光スイッチ２０２をＯＮにして光子信号をＡＰＤ１０２へ入力させ、ＡＰＤ１０２は光子受信に同期してＧＧＭ駆動される（ステップＳ１１）。こうして観測された光子信号の波高値はメモリ１４ｐｄに蓄積され、光子信号の波高分布が得られる（ステップＳ１２）。続いて、識別効率計算回路１５ｐｄが光子信号の波高分布から識別効率ＤPDを算出しメモリ１６ｐｄに格納する（ステップＳ１３）。
【０１２２】
こうして光子入力時の識別効率が求まると、スイッチ制御部２０は光スイッチ２０２をＯＦＦにして光子が入力しない状態でＡＰＤ１０２をＧＧＭ駆動する（ステップＳ１４）。こうして観測されたダークカウントノイズの波高値はメモリ１４ｄｋに蓄積され、ダークカウントノイズの波高分布が得られる（ステップＳ１５）。続いて、識別効率計算回路１５ｄｋがダークカウントノイズの波高分布から識別効率ＤDKを算出しメモリ１６ｄｋに格納する（ステップＳ１６）。
【０１２３】
続いて、閾値算出部１７はメモリ１６ｐｄおよび１６ｄｋにそれぞれ格納された識別効率ＤPDおよびＤDKの比（ＤPD／ＤDK）を算出し（ステップＳ１７）、ピーク検出器１８はその比が最大となる識別閾値電圧Ｖｔｈを決定する（ステップＳ１８）。こうして決定された最適識別閾値Ｖｔｈが識別回路１０５に設定される（ステップＳ１９）。
【０１２４】
なお、本実施形態では閾値算出部１７で識別効率ＤPDおよびＤDKの比（ＤPD／ＤDK）を算出したが、上記４．３および４．４項で説明したように差（ＤPD−ＤDK）等の適当な関数により最適閾値電圧を決定してもよい。
【０１２５】
６．第６実施形態
上記第５実施形態では、図１２に示すように、光スイッチ２０２を用いて光子信号の入力／遮断を決定し、光子信号の波高あるいはダークカウントノイズの波高をそれぞれ採取した。すなわち、この例の場合、ダークカウントノイズの波高分布を生成するために光スイッチ２０２を連続的に断(ＯＦＦ)にしている。
【０１２６】
しかしながら、ダークカウントノイズの波高分布の採取に長時間を要する可能性あり、その場合には本機構を組み込んだ光子受信器が光子を受信出来ない時間が連続することになる。また、最適な識別閾値の設定が断続的にしか実行されないために、外部要因や素子劣化などによる識別閾値の最適値の変化に対応することが困難となる可能性がある。光子受信器の利便性を高めるためには、光子受信を実行しつつダークカウントノイズの波高採取も行うことが望ましい。
【０１２７】
そこで、本実施形態では、受信する光子信号列の中に、固定パタンとして光子が無いスロットを確保することで、光子信号を受信しながらダークカウントノイズ波形分布の採取を可能にした。たとえば光子伝送システムにおける光子送信器が、固定されたタイムスロットからなる周期的なフレーム構造を有する光子信号を送信する場合を想定する。ここでは、１タイムスロットが１ビットに相当し、その中には１個の光子が伝送されるものとする。このフレームの中の特定の一つ以上のタイムスロットをダークスロットとして無光子状態にしておく。
【０１２８】
６．１）フレーム構成
図１３は光子送信器の送信フレーム構造の一例を示すフォーマット図である。ここでは、８タイムスロット（８ビット）を１フレームとした固定フレーム長の光子信号列の場合を例示する。伝送信号の符号に対応して、任意のタイムスロットに光子が存在する。この中で、フレームの先頭１ビットのみは送信時に必ず無光子状態となるように送信器で制御する。ただし、実際には光子が伝送途中で消滅したりするので、全ての光子が光子受信器に到達するわけではない。
【０１２９】
光子受信器では、ダークスロットに同期してダークカウントノイズの波高を採取する。ダークスロット１ビットのみではアフターパルスの影響を受ける場合には、複数の連続するダークスロットを確保する。このようにすることで、光子受信とダークカウントノイズの波高とを分離することなくフレーム内で連続して実行することができ、最適な識別閾値を常に維持することが可能となる。次に、このような光子受信器の一実施例を詳細に説明する。
【０１３０】
６．２）光子受信器
図１４は本発明の第６実施形態による光子受信器の一例を示すブロック図である。この光子受信器の基本的な構成は図７に示す第４実施形態による測定装置と同様であるから、同一の機能を有するブロックには同一の参照番号を付して詳細な説明は省略する。ただし、図１４では、図７に示すデータ処理系、すなわちピーク検出部１０７、セレクタ１０８、光子信号波高ヒストグラム生成部１０９、ダークノイズ波高ヒストグラム生成部１１０および識別効率生成部１１１を「識別効率算出部１０７−１１１」としてまとめている。
【０１３１】
図１４において、ＡＰＤ１０２には図１２に示すフレーム構成の光子信号が光ファイバ３０１を通して入射しているものとする。また、光送受信器３０２は光ファイバを通して光子送信器との間で通常の光通信により制御情報を送受信し、ここでは光子送信器との間でタイミング同期をとる。タイミング生成部３０３は、光子送信器からの同期信号に従ってＧＧＭ駆動のためのタイミングクロックＣＬＫとダークスロットを示すフレームパルスとを生成し、駆動タイミングＣＬＫをＧＧＭドライバ１０３へ、フレームパルスを識別効率算出部のセレクタ１０８へそれぞれ供給する。
【０１３２】
また、光子受信器のＴＩＡ１０４により電圧変換されたＡＰＤ出力信号はＡ／Ｄ変換器３０５によりデジタル信号に変換され、識別回路１０５および識別効率算出部のピーク検出部１０７へそれぞれ出力される。識別効率算出部１０７−１１１は、既に説明した通り光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを生成して識別閾値決定部２０１へ出力する。識別閾値決定部２０１により決定された識別閾値ＶTHによって識別回路１０５の閾値電圧が設定される。
【０１３３】
光子受信器の通信制御部３０４は、タイミング生成部３０３、識別効率算出部１０７−１１１および識別閾値決定部２０１を制御することで、ＡＰＤ１０２の特性に最適な識別閾値を識別回路１０５に設定し、それを更新することができるために、精度の良い光子受信を継続することができる。したがって、量子暗号鍵配布システムなどの光子受信器に適用した場合、システムの信頼性を向上させることができる。また比較的簡単な構成により最適識別閾値を設定できるために、光子受信器の小型化に適している。
【０１３４】
７．応用例
図１５は本発明により測定されたＡＰＤ特性値を利用した光子受信器の一例を示すブロック図である。この光子受信器の基本的な構成は図１４に示す第６実施形態による光子受信器と同様であるが、識別効率算出部１０７−１１１の代わりにＡＰＤ特性データメモリ４０１を設けた点が異なる。従って、その他の構成は図１４と同一の参照番号を付して詳細な説明は省略する。
【０１３５】
図１５の光子受信器は、光子通信システムに実装される前に、上述した第１〜第４実施形態のＡＰＤ特性測定によりＡＰＤの特性値である光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDK、アフターパルス確率PAP、および、最適閾値電圧ＶTHを求めてメモリ４０１に記憶しておく。通信制御部３０４は、これらの特性データを参照することで最適状態の光子受信を行うことができる。
【０１３６】
７．変形例
上述した各実施形態では、識別効率を得るために波高分布を１以上の正規分布でフィッティングする操作を行ったが、フィッティングを用いず、波高分布の計数値の集積を用いてもよい。
【０１３７】
図１６（ａ）は、光子信号の波高分布における計数値の集積を用いて得られた識別効率のグラフであり、（ｂ）はダークカウントノイズの波高分布における計数値の集積を用いて得られた識別効率のグラフである。図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、計数値を集積した後に適当に規格化することで、図３（ａ）および（ｂ）の識別効率とほぼ同等の形状を得ることができる。したがって、フィッティング操作ではなく、より簡単な計数操作により識別効率ＤPDおよびＤDKを求め、上述したＡＰＤ特性の測定や最適閾値電圧の決定を行うことが可能である。
【０１３８】
また、光検出デバイスとしてはアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）に限定されるものではない。本発明は、光子検出やダークノイズなどの事象が確率的に生じうる光電変換デバイスについての測定およびそれを用いた光子受信器に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明による光子検出デバイスの測定方法および光子受信器は、量子暗号通信の光子受信器に適用される他に、光通信全般や光計測の光子受信器にも適用可能である。光計測としては、Optical Time Domain Reflectmeter (OTDR)や、フォトルミネッセンスの分光計測器などに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第１実施形態によるデータ処理装置を用いた光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は光子入力時の光子信号ヒストグラムの一例を示すグラフであり、（ｂ）は光子遮断時のダークノイズヒストグラムの一例を示すグラフである。
【図３】（ａ）は光子入力時の光子受信識別効率ＤPDの一例を示すグラフであり、（ｂ）は光子遮断時のダークカウントノイズ識別効率ＤDKの一例を示すグラフである。
【図４】光子受信識別効率ＤPDおよびダークカウントノイズ識別効率ＤDKを用いて補正した光子検出確率PPD、ダークカウント確率PDKおよびアフターパルス確率PAPの実測例を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の第２変形例による測定装置を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施形態によるデータ処理装置を用いた光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施形態による光子検出デバイス特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】識別閾値の決定方法の第１例を説明するための集積確率グラフである。
【図９】識別閾値の決定方法の第２例を説明するための集積確率グラフである。
【図１０】本発明の第５実施形態による光子受信器を示す概略的なブロック図である。
【図１１】図１０に示す信号処理回路の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す光子受信器の閾値設定動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】光子送信器の送信フレーム構造の一例を示すフォーマット図である。
【図１４】本発明の第６実施形態による光子受信器の一例を示すブロック図である。
【図１５】本発明により測定されたＡＰＤ特性値を利用した光子受信器の一例を示すブロック図である。
【図１６】（ａ）は、光子信号の波高分布における計数値の集積を用いて得られた識別効率のグラフであり、（ｂ）はダークカウントノイズの波高分布における計数値の集積を用いて得られた識別効率のグラフである。
【図１７】一般的な光子受信器の概略的構成を示すブロック図である。
【図１８】光子検出、ダークカウントノイズおよびアフターパルスノイズの割合を求めるためのＧＧＭ駆動タイミングとＡＰＤの検出信号の出力パタンとを示す波形図である。
【図１９】符号識別の失敗の例を示すものであり、図１８のように駆動したとき符号識別により第２ＧＧＭパルスが印加された時だけ出力されたと判定された検出信号のみをサンプリングし重ね描きした波形図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０１  光スイッチ
１０２  光子検出デバイス（ＡＰＤ）
１０３  ＧＧＭドライバ
１０４  電流電圧変換器（ＴＩＡ）
１０５  識別回路
１０６  カウンタ
１０７  ピーク検出部
１０８  セレクタ
１０９  光子信号波高ヒストグラム生成部
１１０  ダークノイズ信号波高ヒストグラム生成部
１１１  識別効率生成部
１１２  ＡＰＤ特性測定制御部
１１３  ＡＰＤ出力パタン分類テーブル
１１４  減算器
１１５  アフターパルス波高ヒストグラム生成部
２０１  識別閾値決定部
２０２  光スイッチ
２０３  信号処理回路
３０１  光ファイバ
３０２  光送受信器
３０３  タイミング生成部
３０４  通信制御部
【図１】
2007147472.tif 000011
【図２】
2007147472.tif 000012
【図３】
2007147472.tif 000013
【図４】
2007147472.tif 000014
【図５】
2007147472.tif 000015
【図６】
2007147472.tif 000016
【図７】
2007147472.tif 000017
【図８】
2007147472.tif 000018
【図９】
2007147472.tif 000019
【図１０】
2007147472.tif 000020
【図１１】
2007147472.tif 000021
【図１２】
2007147472.tif 000022
【図１３】
2007147472.tif 000023
【図１４】
2007147472.tif 000024
【図１５】
2007147472.tif 000025
【図１６】
2007147472.tif 000026
【図１７】
2007147472.tif 000027
【図１８】
2007147472.tif 000028
【図１９】
2007147472.tif 000029