(57)【要約】【課題】アバランシュフォトダイオードを利用する単一光子検出装置及び光子数分解検出装置が提供される。【解決手段】発明によるアバランシュフォトダイオードを利用する単一光子検出装置及び光子数分解検出装置は補助信号発生部、受光素子、合成部及び判別部を含む。前記補助信号発生部は補助信号を発生させ、前記受光素子は光子を受信して電気的な信号を出力し、前記合成部は前記受光素子の出力信号及び前記補助信号を合成し、前記判別部は前記光子の受信可否或いは受信した前記光子の数を判別する。本発明の実施形態による単一光子検出装置或いは光子数分解検出装置は、静電容量性応答の振幅より小さい振幅のアバランシュを検出することができる。また、アフターパルスが発生される確率が減少され、光子を検出する速度が向上される。また、ゲート信号の波形に影響が小さく、ゲート信号周波数の連続的な変化が可能である。【選択図】図１
2012084877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助信号を発生させる補助信号発生部と、
光子を受信して電気的な信号を出力する受光素子と、
前記受光素子の出力信号及び前記補助信号を受信して合成する合成部と、
前記合成部の合成信号を受信して前記光子の受信可否を判別する判別部と、を含む単一光子検出装置。
【請求項２】
前記受光素子はアバランシュフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）であり、
前記電気的な信号はアバランシュ信号を含む請求項１に記載の単一光子検出装置。
【請求項３】
前記判別部はアバランシュ発生可否を判別するアバランシュ判別器を含む請求項２に記載の単一光子検出装置。
【請求項４】
前記アバランシュ判別器の閾値は少なくとも前記アバランシュフォトダイオードの静電容量性応答の所定の振幅より高く設定される請求項３に記載の単一光子検出装置。
【請求項５】
前記アバランシュフォトダイオードはゲーティッドガイガーモード（Ｇａｔｅｄ  Ｇｅｉｇｅｒ  Ｍｏｄｅ）で動作する請求項４に記載の単一光子検出装置。
【請求項６】
ゲート信号を発生させ、前記ゲート信号を前記アバランシュフォトダイオードに伝達するゲート信号発生部をさらに含む請求項５に記載の単一光子検出装置。
【請求項７】
前記アバランシュ信号或いは前記補助信号を時間的に整列する時間遅延部をさらに含む請求項６に記載の単一光子検出装置。
【請求項８】
前記アバランシュ信号或いは前記補助信号の波形と振幅を調節する調節部をさらに含む請求項６に記載の単一光子検出装置。
【請求項９】
補助信号を発生させる補助信号発生部と、
光子を受信して電気的な信号を出力する受光素子と、
前記受光素子の出力信号及び前記補助信号を受信して合成する合成部と、
前記合成部の合成信号を受信して前記受光素子が受信した前記光子の数を判別する光子数判別部と、を含む光子数分解検出装置。
【請求項１０】
前記光子数判別部は前記合成信号を強さにしたがって区分して前記受信した光子の数を判別する請求項９に記載の光子数分解検出装置。
【請求項１１】
前記光子数判別部は複数の閾値を有し、前記閾値の各々は少なくとも前記受光素子の静電容量性応答の所定の振幅より高く設定されまたＮ個（Ｎは自然数）の光子によって発生された前記合成信号を強さにしたがって区分できるように設定される請求項１０に記載の光子数分解検出装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は光子検出装置に関し、より詳細にはアバランシュフォトダイオードを利用する単一光子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信を始めて情報通信技術の発達と共に光子を検出する技術の重要性が増加している。特に、１．３μｍ乃至１．５μｍのような通信波長帯域（Ｔｅｌｅｃｏｍ  Ｂａｎｄ）で利用され、単一光子水準のように信号の強さが微弱な光信号を検出できる単一光子検出装置（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）では大部分ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰタイプのアバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）が利用される。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰタイプのアバランシュフォトダイオードは大部分ゲーティッドガイガーモード（Ｇａｔｅｄ  Ｇｅｉｇｅｒ  Ｍｏｄｅ）で利用される。
【０００３】
アバランシュフォトダイオードがゲーティッドガイガーモードで動作される場合、アバランシュ（電子沙汰）発生過程で生成された電荷キャリヤー（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃａｒｒｉｅｒｓ）の中で一部は直ちに消滅されない。完全に消滅されない電荷キャリヤーはアバランシュフォトダイオードの内部に残っているし、アバランシュフォトダイオードに次のゲート信号が印加されるとき、残っている電荷キャリヤーはアバランシュを発生させる。このような現状をアフターパルス効果（Ａｆｔｅｒ−ｐｕｌｓｉｎｇ  Ｅｆｆｅｃｔ）と称し、アフターパルス効果は光子検出のとき、誤謬を生じる重要な原因の中で１つである。
【０００４】
光子検出のとき、アフターパルス効果による誤謬を減らすための方法として、アバランシュが発生された後にアバランシュフォトダイオード内部に消滅されなく残っている電荷キャリヤーが消滅されるのに充分なデッドタイム（Ｄｅａｄ  Ｔｉｍｅ）を設定する方法がある。即ち、アバランシュが発生された後に一定な時間の間に、アバランシュフォトダイオードにゲート信号を印加しないデッドタイムが設定される。
【０００５】
しかし、一般的な光子検出装置は比較的に大きいアバランシュを検出するのでこれに消滅されなく残っている電荷キャリヤーもやはり比較的に多い。これにしたがって、これらが消滅されるのに充分なデッドタイムも長く設定しなければならない。結局、このようなアフターパルス効果及びデッドタイムはゲート信号の周波数（Ｇａｔｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）及び光子検出速度（Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔ  Ｒａｔｅ）の限界を決定する重要な要因になり、これに一般的な単一光子検出装置は約１０ＭＨｚ以下のゲート周波数で動作されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際特許公開第ＷＯ２００９／０８４７４４号公報
【特許文献２】国際特許公開第ＷＯ２００７／１０２４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする技術的課題は、静電容量性応答の振幅より小さい振幅のアバランシュを検出できる単一光子検出装置及び光子数分解検出装置を提供することである。
【０００８】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、アフターパルスが発生される確率が減少される単一光子検出装置及び光子数分解検出装置を提供することである。
【０００９】
本発明が解決しようとするその他の技術的課題は、光子を検出する速度が向上された単一光子検出装置及び光子数分解検出装置を提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとするその他の技術的課題は、ゲート信号の波形に影響が少ない単一光子検出装置及び光子数分解検出装置を提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとするその他の技術的課題は、ゲート信号周波数の連続的な変化が可能である単一光子検出装置及び光子数分解検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態による単一光子検出装置は、補助信号を発生させる補助信号発生部と、光子を受信して電気的である信号を出力する受光素子と、前記受光素子の出力信号及び前記補助信号を受信して合成する合成部と、前記合成部の合成信号を受信して前記光子の受信可否を判別する判別部と、を含む。
【００１３】
実施形態において、前記受光素子はアバランシュフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）であり、前記電気的な信号はアバランシュ信号を含む。
【００１４】
実施形態において、前記判別部はアバランシュ発生の可否を判別するアバランシュ判別器を含む。
【００１５】
実施形態において、前記アバランシュ判別器の閾値は少なくとも前記アバランシュフォトダイオードの静電容量性応答の所定の振幅より高く設定される。
【００１６】
実施形態において、前記アバランシュフォトダイオードはゲーティッドガイガーモード（Ｇａｔｅｄ  Ｇｅｉｇｅｒ  Ｍｏｄｅ）で動作する。
【００１７】
実施形態において、ゲート信号を発生させ、前記ゲート信号を前記アバランシュフォトダイオードに伝達するゲート信号発生部をさらに含む。
【００１８】
実施形態において、前記アバランシュ信号或いは前記補助信号を時間的に整列する時間遅延部をさらに含む。
【００１９】
実施形態において、前記アバランシュ信号、或いは前記補助信号の波形と振幅とを調節する調節部をさらに含む。
【００２０】
本発明の実施形態による光子数分解検出装置は、補助信号を発生させる補助信号発生部と、光子を受信して電気的な信号を出力する受光素子と、前記受光素子の出力信号及び前記補助信号を受信して合成する合成部と、及び前記合成部の合成信号を受信して前記受光素子が受信した前記光子の数を判別する光子数判別部を含む。
【００２１】
実施形態において、前記光子数判別部は前記合成信号を強さにしたがって区分して前記受信した光子の数を判別する。
【００２２】
実施形態において、前記光子数判別部は複数の閾値を有し、前記閾値の各々は少なくとも前記受光素子の静電容量性応答の所定の振幅より高く設定されまたＮ個（Ｎは自然数）の光子によって発生された前記合成信号を強さにしたがって区分できるように設定される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の実施形態による単一光子検出装置或いは光子数分解検出装置は、静電容量性応答の振幅より小さい振幅のアバランシュを検出できる。
また、アフターパルスが発生される確率が減少される。
また、光子を検出する速度が向上される。
また、ゲート信号の波形に影響が少ない。
また、ゲート信号周波数が連続的な変化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態による単一光子検出装置を示した図面である。
【図２】アバランシュが発生しない場合に合成部に入／出力される信号を示す図面である。
【図３】静電容量性応答の振幅より小さい振幅のアバランシュが発生した場合に合成部に入／出力される信号を示す図面である。
【図４】本発明の第１実施形態による単一光子検出装置の合成信号及びアバランシュ信号を判別する概念を示す図面である。
【図５】本発明の第２実施形態による単一光子検出装置を示す図面である。
【図６】本発明の第３実施形態による単一光子検出装置を示す図面である。
【図７】本発明の第４実施形態による単一光子検出装置を示す図面である。
【図８】本発明の第１実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。
【図９】光子数分解検出装置の合成信号及び光子数を判別する概念を示す図面である。
【図１０】本発明の第２実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。
【図１１】本発明の第３実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。
【図１２】本発明の第４実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施できるように本発明の実施形態を添付された図面を参照して説明する。
【００２６】
アバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）をゲーティッドガイガーモードに動作させるためにゲート信号を印加すれば、アバランシュフォトダイオード固有の静電容量性応答（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が発生する。したがって、アバランシュフォトダイオードに光子が入力されてアバランシュ（電子沙汰、Ａｖａｌａｎｃｈｅ）が発生する場合、アバランシュフォトダイオードの出力は静電容量性応答及びアバランシュ信号が合わせた信号になる。
【００２７】
一般的なアバランシュフォトダイオードの静電容量性応答信号は周期的に振動（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）する形態を示し、その振動の振幅は時間にしたがって段々減殺し、充分な時間が過ぎた後には消滅される。
【００２８】
一般的に光子検出装置はアバランシュフォトダイオードを含むので、光子検出の時、このような静電容量性応答を考慮しなければならない。したがって、光子検出装置に含まれるアバランシュの発生可否を判別する装置は静電容量性応答の最大振幅より高く設定された閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｌｅｖｅｌ）を有するようになる。結局、このような光子検出装置は光子の入力によって発生されるアバランシュ信号の中で、設定された閾値より高い振幅のアバランシュ信号が発生される場合のみを感知して光子の検出可否を決定する。即ち、一般的な光子検出装置は静電容量性応答の振幅より振幅が大きいアバランシュが発生する場合のみに光子検出及び光子計数（Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｉｎｇ）が可能である。
【００２９】
しかし、振幅が大きいアバランシュはアフターパルスの発生確率を増加させ、これにしたがってデッドタイムも長く設定されなければならない。結局、振幅が大きいアバランシュはゲーティッドガイガーモードに動作されるアバランシュフォトダイオードを利用する光子検出装置が高速に光子を検出できない原因になる。光子検出装置が高速に光子を検出するためにアフターパルスの発生確率及びデッドタイムを減らすことが必要である。
【００３０】
一般的な光子検出装置でアフターパルスの発生確率及びデッドタイムを発生は減らすためにはアバランシュフォトダイオードに印加するＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）バイアス（Ｂｉａｓ）電圧及びゲート信号の大きさと幅等とを調整して振幅が小さいアバランシュが発生されなければならない。しかし、このような場合に静電容量性応答より振幅が小さいアバランシュは一般的な光子検出装置では検出するのが非常に難しい。一方、ゲーティッドガイガーモードでアバランシュフォトダイオードを高速に動作させるためにゲート信号の幅を非常に短くした場合、発生されるアバランシュの振幅が小さいので、アフターパルスが発生される確率が減る効果があるが、振幅が小さいアバランシュ信号は上述したように一般的な光子検出装置には検出するのが難しいので、結局、光子検出装置の高速動作が不可能である。
【００３１】
一般的な光子検出装置が有する上のような問題を解決するためにアバランシュフォトダイオードに印加されるゲート信号をサイン波形態に入力し、光検出装置の出力端に帯域除去フィルターを利用して出力信号に含まれた静電容量性応答を除去する方法がある。しかし、この方法はゲート信号がサイン波形態であるため、光子検出装置が低速に動作する場合、ゲート幅が非常に広くなり、これに光子検出の正確な時間測定が難しい短所があり、超高速に動作する場合帯域除去フィルターを通じて出力信号で静電容量性応答を分離するのが難しい短所がある。また、ゲート信号の周波数を連続的に変化させながら光子を検出するためには変化される周波数に対応して適当な帯域除去フィルターを実時間に取替えしなければならない短所がある。
【００３２】
一般的な光子検出装置が有する上のような問題を解決するためのその他の方法として、周期的に入力される連続された２つのゲート信号に対するアバランシュフォトダイオードの出力端を２つで分岐し、分岐された２つの信号との間に時間差異をおき、これらを差動回路（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｉｎｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）に入力して２つの信号の差でアバランシュ信号を検出する方法がある。しかし、この方法で分岐された信号の間の時間遅延の調節は一般的に電線の長さに依存するためゲート信号の周波数を連続的に変化させる場合、時間遅延の調節が難しい。また、２つのゲート信号で同時にアバランシュが発生する場合には光子検出誤謬が発生できる。
【００３３】
（単一光子検出装置）
【００３４】
図１は本発明の第１実施形態による単一光子検出装置を示す図面である。図１を参照すれば、単一光子検出装置１００はアバランシュフォトダイオードＡＰＤ、１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、及びアバランシュ判別器１０４を含む。
【００３５】
アバランシュフォトダイオード１０１は光子を受信して電気的な信号を出力する受光素子（Ｌｉｇｈｔ  Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。光子が受信されて出力される電気的な信号ＰＳはアバランシュ信号を含み、アバランシュフォトダイオード１０１は出力信号ＰＳを合成部１０２に伝達する。
【００３６】
補助信号発生部１０３はアバランシュフォトダイオード１０１の静電容量性応答より振幅が小さい微弱なアバランシュ信号を効果的に検出するために補助信号ＡＳを発生させ、発生された補助信号ＡＳを合成部１０２に伝達する。
【００３７】
合成部１０２はアバランシュフォトダイオード１０１から出力される出力信号ＰＳを受信し、補助信号発生部１０３から出力される補助信号ＡＳを受信する。合成部１０２はアバランシュフォトダイオードＡＰＤの出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを合成し、合成信号ＭＳをアバランシュ判別器１０４に伝達する。光子の入力によって、アバランシュが発生された場合に、合成信号ＭＳの振幅はアバランシュが発生された部分で最大になる。
【００３８】
アバランシュ判別器１０４は合成部１０２から合成信号ＭＳを受信して受光素子であるアバランシュフォトダイオード１０１が光子を受信したか否かを判別する。
【００３９】
図２はアバランシュが発生しない場合に、本発明の実施形態による単一光子検出装置１００の合成部１０２に入／出力される信号を示す図面である。図２を参照すれば、アバランシュフォトダイオード１０１（図１参照）の出力信号ＰＳは静電容量性応答のみを示し、上述したように静電容量性応答は周期的に振動する形態を示し、静電容量性応答の振幅が最も大きい地点は最初ピーク２０１地点になる。補助信号ＡＳは補助信号発生部１０３で発生される信号であり、合成部１０２でアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳと合成される。合成信号ＭＳは上の２つの信号ＰＳ、ＡＳを合成した信号であり、合成信号ＭＳの振幅が最大になる地点２０２は静電容量性応答の振幅が最大になる最初ピーク２０１地点と同一である。
【００４０】
図３は静電容量性応答の振幅より小さい振幅のアバランシュが発生した場合に本発明の実施形態による単一光子検出装置１００の合成部１０２に入／出力される信号を示す図面である。
【００４１】
図３を参照すれば、アバランシュフォトダイオード１０１（図１参照）の出力信号ＰＳは静電容量性応答及び光子の入力で発生したアバランシュ信号が合わせた信号である。上述したように静電容量性応答は周期的に振動する形態を示し、光子の入力で発生したアバランシュ信号が合わせている。アバランシュフォトダイオード出力信号ＰＳの振幅が最も大きい地点は静電容量性応答の最初ピーク３０２地点になる。光子の入力で発生されたアバランシュ信号の振幅３０１は静電容量性応答の最大振幅より小さい。
【００４２】
図２と異なりに、合成信号ＭＳの振幅が最大になる地点３０３はアバランシュが発生された地点と同一であり、その時の振幅は静電容量性応答の最大振幅３０２より大きい。したがって、本発明の実施形態による光子検出装置は光子の入力で発生されるアバランシュ信号の振幅３０１が静電容量性応答の最大振幅３０２より小さい場合でも、アバランシュの発生可否を検出し、これに光子の入力可否を検出することができる。
【００４３】
一般的な光子検出装置は、静電容量性応答の最大振幅より高く設定された閾値を有することによって微弱なアバランシュの発生可否を検出するのが難しい。
【００４４】
反面に、本発明の実施形態による単一光子検出装置１００は、図３に示したように補助信号ＡＳを利用して合成信号ＭＳを発生し、発生された合成信号ＭＳからアバランシュピーク３０３検出することができる。このため、本発明による単一光子検出装置１００は静電容量性応答の最大振幅より高く設定された閾値を有しても微弱なアバランシュの発生可否を検出することができる。
【００４５】
図４は本発明の実施形態による単一光子検出装置１００の合成信号ＭＳ及びアバランシュ信号を判別する概念を示す図面である。図４を参照すれば、合成信号ＭＳは時間によって連続的であり、アバランシュ判別器１０４の閾値４０２は一定である。
【００４６】
合成信号ＭＳはアバランシュ判別器１０４に入力される信号であり、アバランシュ判別器１０４は設定された閾値４０２より振幅が大きい信号が入力される場合を感知する。アバランシュ判別器１０４の閾値４０２は入力される光子がないのでアバランシュが発生されない場合の合成信号ＭＳが有する最大振幅４０３、４０４より高く設定される。
【００４７】
図４の合成部１０２の合成信号ＭＳは図２及び図３で説明したように補助信号ＡＳ及びアバランシュフォトダイオード出力信号ＰＳが合成された信号である。図４で合成信号ＭＳは３つの振動形態の波形を含み、波形の各々の振幅は時間にしたがって段々減殺する。光子の入力がない場合である第１番目波形の最大振幅４０３はアバランシュ判別器１０４の閾値４０２より小さく、光子の入力がある場合である第２番目波形の最大振幅４０１はアバランシュ判別器１０４の閾値４０２より大きく、光子の入力がない場合である第３番目波形の最大振幅４０４はアバランシュ判別器１０４の閾値４０２より小さい。
【００４８】
図４で光子の入力で静電容量性応答の最大振幅より小さい微弱なアバランシュが発生した場合である第２番目波形の最大振幅４０１はアバランシュ判別器１０４の閾値４０２より大きいので、結局アバランシュ判別器１０４は第２番目波形の入力で光子の入力によるアバランシュが発生されたことを判別し、これに光子検出装置は光子の存在を検出するようになる。そして、残りの第１番目及び第３番目波形の最大振幅４０３、４０４はアバランシュ判別器１０４の閾値４０２より小さいので、アバランシュ判別器１０４は光子の入力によるアバランシュの発生が無いことと判別し、これに光子検出装置は光子の存在しないことを検出するようになる。
【００４９】
図５は本発明の第２実施形態による単一光子検出装置５００を示す図面である。図５を参照すれば、単一光子検出装置５００はアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、アバランシュ判別器１０４及びゲート信号発生部５０１を含む。
【００５０】
図５の単一光子検出装置５００は図１の単一光子検出装置１００を含み、ゲート信号発生部５０１をさらに含む。ゲート信号発生部５０１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、及びアバランシュ判別器１０４は図１と同一であり、先に図１で説明したので具体的な説明は省略する。
【００５１】
アバランシュフォトダイオード１０１は量子効率（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低く、アフターパルスが発生する確率が高いので、一般的にゲーティッドガイガーモードに利用される。
【００５２】
ゲート信号発生部５０１はアバランシュフォトダイオード１０１をゲーティッドガイガーモードで動作させるためのゲート信号を発生させ、発生されたゲート信号をアバランシュフォトダイオード１０１に伝達する。
【００５３】
ゲーティッドガイガーモードで動作する一般的な光子検出装置では先に説明したアフターパルス及びデッドタイムによってゲート信号の周波数及び光子を検出する速度が低く制限される。しかし、本発明の第２実施形態による光子検出装置５００ではアバランシュフォトダイオード１０１をゲーティッドガイガーモードに動作させても、補助信号ＡＳを利用して微弱なアバランシュ信号を検出できるので、先に説明したアフターパルス及びデッドタイムによって、アバランシュフォトダイオード１０１に印加されるゲート信号の周波数が低く制限されない。即ち、静電容量性応答より小さい振幅を有する微弱なアバランシュが発生した場合にもアバランシュ発生可否を判別して光子を検出できるので、ゲーティッドガイガーモードでも本発明の光子検出装置５００は高速に動作できる。
【００５４】
図６は本発明の第３実施形態による単一光子検出装置６００を示す図面である。図６を参照すれば、単一光子検出装置６００はアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、アバランシュ判別器１０４、ゲート信号発生部５０１及び時間遅延部６０１を含む。
【００５５】
図６の単一光子検出装置６００は図５の単一光子検出装置５００を含み、時間遅延部６０１をさらに含む。時間遅延部６０１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、アバランシュ判別器１０４、及びゲート信号発生部５０１は図５と同一であり、先に図１及び図５で説明したので、具体的な説明は省略する。
【００５６】
合成部１０２はアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを受信し、２つの信号を合成して合成信号ＭＳを出力する。合成信号ＭＳの振幅がアバランシュ信号のピーク地点で最大になる場合、アバランシュの発生可否を判別することがさらに容易である。したがって、２つの信号が合成されるとき、アバランシュ信号が存在する位置（アバランシュ発生位置）或いは補助信号ＡＳの位置が時間的に整列される必要がある。
【００５７】
時間遅延部６０１はアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳが時間的に整列されて合成されるように合成部１０２を制御する。時間遅延部６０１の制御によって合成信号ＭＳはアバランシュが発生された地点で最大振幅を有するようになり、アバランシュ判別器１０４は合成信号ＭＳを受信して設定された閾値より大きい振幅を有する合成信号ＭＳを判別する。したがって、光子検出装置６００はアバランシュの発生及び光子の入力を検出するようになる。また、光子検出装置６００は図５の光子検出装置５００と同様にゲーティッドガイガーモードでゲート信号の周波数が低く制限されないため、高速に光子を検出することができる。
【００５８】
図７は本発明の第４実施形態による単一光子検出装置７００を示す図面である。図７を参照すれば、単一光子検出装置７００はアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、アバランシュ判別器１０４、ゲート信号発生部５０１、時間遅延部６０１及び調節部７０１を含む。
【００５９】
図７の単一光子検出装置７００は図６の単一光子検出装置６００を含み、調節部７０１をさらに含む。調節部７０１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード１０１、合成部１０２、補助信号発生部１０３、アバランシュ判別器１０４、ゲート信号発生部５０１及び時間遅延部６０１は図６と同一であり、先に図１、図５及び図６で説明したので、具体的な説明は省略する。
【００６０】
合成部１０２はアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを受信し、２つの信号ＰＳ、ＡＳを合成して出力ＭＳする。合成信号ＭＳの振幅がアバランシュ信号のピーク地点で最大になる場合、アバランシュの発生可否を判別することがさらに容易である。したがって、２つの信号ＰＳ、ＡＳが合成されるとき、アバランシュ信号が存在する位置（アバランシュ発生位置）、或いは補助信号ＡＳの位置が時間的に整列される必要があり、これと共に２つの信号ＰＳ、ＡＳの時間的な整列のみでなくアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳの模様及び振幅が調節される必要がある。
【００６１】
調節部７０１はアバランシュフォトダイオード１０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳの模様及び振幅が調節されて合成されるように合成部１０２を制御する。調節部７０１及び時間遅延部６０１の制御に合成信号ＭＳはアバランシュが発生された地点で最大振幅を有し、アバランシュ判別器１０４は合成信号ＭＳを受信して設定された閾値より大きい振幅を有する合成信号ＭＳを判別する。したがって、光子検出装置７００はアバランシュの発生及び光子の入力を検出するようになる。また、光子検出装置７００は図５及び図６の光子検出装置５００、６００と同様にゲーティッドガイガーモードでゲート信号の周波数が低く制限されないため、高速に光子を検出することができる。
【００６２】
（光子数分解検出装置）
【００６３】
図８は本発明の第１実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。図８を参照すれば、光子数分解検出装置８００はアバランシュフォトダイオードＡＰＤ、８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、及び光子数判別部８０４を含む。
【００６４】
アバランシュフォトダイオード８０１は光子を受信して電気的な信号を出力する受光素子を含む。光子の受信にしたがって発生された出力信号ＰＳはアバランシュ信号を含み、アバランシュフォトダイオード８０１は出力信号ＰＳを合成部８０２に伝達する。
【００６５】
補助信号発生部８０３は補助信号ＡＳを発生させ、発生された補助信号ＡＳを合成部８０２に伝達する。
【００６６】
合成部８０２はアバランシュフォトダイオード８０１から出力された信号ＰＳを受信し、補助信号発生部８０３から出力された補助信号ＡＳを受信する。合成部８０２は受信された出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを合成し、合成信号ＭＳを光子数判別部８０４に伝達する。光子の入力によってアバランシュが発生された場合に合成信号ＭＳの振幅はアバランシュが発生された部分で最大になる。
【００６７】
光子数判別部８０４は合成信号ＭＳを受信して受光素子であるアバランシュフォトダイオード８０１が受信した光子の数を判別する。光子数判別部８０４は合成信号ＭＳの強さにしたがってアバランシュフォトダイオード８０１が受信した光子の数を判別でき、合成信号ＭＳの強さにしたがう区分方法として合成信号ＭＳの最大振幅にしたがって区分する方法が利用され得る。
【００６８】
図９は本発明の実施形態による光子数分解検出装置の合成信号及び光子数を判別する概念を示す図面である。図９を参照すれば、合成信号ＭＳは補助信号ＡＳ及びアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳを合成した信号であり、光子数判別部８０４は３つの閾値９０１ａ、９０２ａ、９０３ａを有する。
【００６９】
微弱なアバランシュ信号の振幅は不連続的な特性を有し、このような不連続的な特性はアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数と直接的な関連がある。即ち、アバランシュ信号の振幅はアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数に比例し、結局アバランシュ信号を含むアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳの振幅もアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数に比例する。したがって、最終的にアバランシュフォトダイオード出力ＰＳを含む合成信号ＭＳの最大振幅９０１、９０２、９０３もアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数に比例する。
【００７０】
図９で、３つの閾値９０１ａ、９０２ａ、９０３ａはアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数に比例する合成信号ＭＳの最大振幅にしたがって区分できるように設定される。合成信号ＭＳの最大振幅が最も低い場合、９０３はアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数が１個である場合であり、合成信号ＭＳの最大振幅が中間の高さである場合、９０２はアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数が２個である場合であり、合成信号ＭＳの最大振幅が最も高い場合、９０１はアバランシュフォトダイオード８０１に入力される光子の個数が３個である場合である。
【００７１】
合成信号ＭＳの最大振幅にしたがって区分して光子の個数を分解検出する装置で光子を計数する（ｃｏｕｎｔｉｎｇ）単位個数は必要によって２個、３個等に調整可能である。単位個数を調整して光子数を分解検出するためには光子数判別部８０４の閾値を調整すれば十分である。
【００７２】
光子の個数を分解して検出する光子数分解検出装置は静電容量性応答より振幅が小さい微弱なアバランシュの発生を検出できなければならない。したがって、本発明の実施形態による光子数分解検出装置はアバランシュフォトダイオード８０１に任意の個数（自然数）の光子が入力される場合、光子が入力されたことだけでなく、入力された光子が何個であるかも容易に検出が可能である。
【００７３】
図１０は本発明の第２実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。図１０を参照すれば、光子数分解検出装置１０００はアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、光子数判別部８０４及びゲート信号発生部１００１を含む。
【００７４】
図１０の光子数分解検出装置１０００は図８の光子数分解検出装置８００を含み、ゲート信号発生部１００１をさらに含む。ゲート信号発生部１００１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、及び光子数判別部８０４は図８と同一であり、先に図８で説明したので、具体的な説明は省略する。
【００７５】
アバランシュフォトダイオード８０１は量子効率が低く、アフターパルスが発生する確率が高いので、一般的にゲーティッドガイガーモードで利用される。
【００７６】
ゲート信号発生部１００１はアバランシュフォトダイオード８０１をゲーティッドガイガーモードに動作させるためのゲート信号を発生させ、発生されたゲート信号をアバランシュフォトダイオード８０１に伝達する。
【００７７】
ゲーティッドガイガーモードで動作する一般的な光子数分解検出装置では先に説明したアフターパルス及びデッドタイムによってゲート信号の周波数及び光子を検出する速度が低く制限される。しかし、本発明の第２実施形態による光子数分解検出装置１０００ではアバランシュフォトダイオード８０１をゲーティッドガイガーモードに動作させても、補助信号ＡＳを利用して微弱なアバランシュ信号を検出できるので、先に説明したアフターパルス及びデッドタイムによってアバランシュフォトダイオード８０１に印加されるゲート信号の周波数が低く制限されない。即ち、静電容量性応答より小さい振幅を有する微弱なアバランシュが発生した場合にもアバランシュ発生可否を判別して光子の入力及び入力された光子の個数を検出できるので、ゲーティッドガイガーモードでも本発明の光子数分解検出装置１０００は高速に動作できる。
【００７８】
図１１は本発明の第３実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。図１１を参照すれば、光子数分解検出装置１１００はアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、光子数判別部８０４、ゲート信号発生部１００１及び時間遅延部１１０１を含む。
【００７９】
図１１の光子数分解検出装置１１００は図１０の光子数分解検出装置１１００を含み、時間遅延部１１０１をさらに含む。時間遅延部１１０１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、光子数判別部８０４及びゲート信号発生部１００１は図１０と同一であり、先に図８及び図１０で説明したので具体的な説明は省略する。
【００８０】
合成部８０２はアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを受信し、２つの信号を合成して合成信号ＭＳを出力する。合成信号ＭＳの振幅がアバランシュ信号のピーク地点で最大になる場合、アバランシュの発生可否を判別することがさらに容易である。したがって、２つの信号が合成されるとき、アバランシュ信号が存在する位置（アバランシュ発生位置）或いは補助信号ＡＳの位置が時間的に整列される必要がある。
【００８１】
時間遅延部１１０１はアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳが時間的に整列されて合成されるように合成部８０２を制御する。時間遅延部１１０１の制御によって合成信号ＭＳはアバランシュが発生された地点で最大振幅を有し、光子数判別部８０４は合成信号ＭＳを受信して設定された閾値より大きい振幅を有する合成信号ＭＳを判別する。したがって、光子数分解検出装置１１００はアバランシュの発生、光子の入力及び入力された光子の個数検出するようになる。
【００８２】
また、光子数分解検出装置１１００は図１０の光子数分解検出装置１０００と同様にゲーティッドガイガーモードでゲート信号の周波数が低く制限されないため、高速に光子を検出することができる。
【００８３】
図１２は本発明の第４実施形態による光子数分解検出装置を示す図面である。図１２を参照すれば、光子数分解検出装置１２００はアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、光子数判別部８０４、ゲート信号発生部１００１、時間遅延部１１０１及び調節部１２０１を含む。
【００８４】
図１２の光子数分解検出装置１２００は図１１の光子数分解検出装置１１００を含み、調節部１２０１をさらに含む。調節部１２０１を除外した残りの構成要素であるアバランシュフォトダイオード８０１、合成部８０２、補助信号発生部８０３、光子数判別部８０４、ゲート信号発生部１００１、及び時間遅延部１１０１は図１１と同一であり、先に図８、図１０及び図１１で説明したので、具体的な説明は省略する。
【００８５】
合成部８０２はアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳ及び補助信号ＡＳを受信し、２つの信号を合成して合成信号ＭＳを出力する。合成信号ＭＳの振幅がアバランシュ信号のピーク地点で最大になる場合、アバランシュの発生可否を判別することがさらに容易である。したがって、２つの信号が合成されるとき、アバランシュ信号が存在する位置（アバランシュ発生位置）或いは補助信号ＡＳの位置が時間的に整列される必要があり、これと共に２つの信号の時間的な整列のみでなくアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳの模様及び振幅が調節される必要がある。
【００８６】
調節部１２０１はアバランシュフォトダイオード８０１の出力信号ＰＳ或いは補助信号ＡＳの模様及び振幅が調節されて合成されるように合成部８０２を制御する。調節部１２０１及び時間遅延部１１０１の制御による合成信号ＭＳはアバランシュが発生された地点で最大振幅を有し、光子数判別部８０４は合成信号ＭＳを受信して設定された閾値より大きい振幅を有する合成信号ＭＳを判別する。したがって、光子数分解検出装置１２００はアバランシュの発生、光子の入力及び入力された光子の個数を検出するようになる。また、光子数分解検出装置１２００は図１０及び図１１の光子数分解検出装置１０００、１１００と同様にゲーティッドガイガーモードでゲート信号の周波数が低く制限されないため、高速に光子を検出することができる。
【００８７】
一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲で逸脱しない限度内で様々に変形できる。例えば、アバランシュフォトダイオード、合成部、補助信号発生部、及びアバランシュ判別器及び光子数判別部等の細部的な回路構成や前後端の連結関係は利用環境や用度にしたがって多様に変化或いは変形できる。したがって、本発明の範囲は上述した実施形態に限定されて定まれてはならないし、後述する特許請求の範囲のみでなくこの発明の特許請求の範囲と均等なもの等によって定まれるべきである。
【符号の説明】
【００８８】
１０２，８０２    合成部
１０３，８０３    補助信号発生部
１０４            アバランシュ判別器
５０１、１００１  ゲート信号発生部
７０１、１２０１  調節部
８０４            光子数判別部
１１０１          時間遅延部
ＰＳ              ＡＰＤ出力信号
ＡＳ              補助信号
ＭＳ              合成信号 
【図１】
2012084877.tif 000003
【図２】
2012084877.tif 000004
【図３】
2012084877.tif 000005
【図４】
2012084877.tif 000006
【図５】
2012084877.tif 000007
【図６】
2012084877.tif 000008
【図７】
2012084877.tif 000009
【図８】
2012084877.tif 000010
【図９】
2012084877.tif 000011
【図１０】
2012084877.tif 000012
【図１１】
2012084877.tif 000013
【図１２】
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