(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出手段が光子を検出するステップ、制御手段が、すべての光子及びアフターパルスを記録できる任意時間間隔の検出時刻を記憶し、直前の光子検出時刻との時間差を単一光子検出手段の動作条件や素子特性に応じて任意に調整する基準値よりも長い検出時刻のみを有効と判断するステップから構成されることを特徴とするアフターパルス除去方法。
【請求項２】
請求項１記載のアフターパルス除去方法において、制御手段が、検出予定時刻を予め設定し、検出予定時刻でのみ前記単一光子検出器を動作させるように設定するステップから構成されることを特徴とするアフターパルス除去方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のアフターパルス除去方法において、計時手段が、単一光子検出手段の検出時刻を計時するステップから構成されることを特徴とするアフターパルス除去方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のアフターパルス除去方法において、制御手段が、基準値をアフターパルスの発生が無視できる時間程度に設定するステップから構成されることを特徴とするアフターパルス除去方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のアフターパルス除去法において、制御手段が、前記基準値を検出時刻とともに設定し、直前の検出時刻との時間差が基準値以上となる検出時刻のみを有効と判断して、そのときの光子検出値を記憶手段に格納するステップから構成されることを特徴とするアフターパルス除去方法。
【請求項６】
光子及びアフターパルスを記録できる任意時間間隔の検出時刻を設定し、該検出時刻に基づいて光子を検出した光子検出時刻を記録し、直前の検出時刻との時間差を単一光子検出手段の動作条件や素子特性に応じて任意に調整する基準値よりも長い検出時刻のみを有効と判断する制御手段を備えたことを特徴とするアバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出器を備えた単一光子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子検出を必要とする光通信・情報処理分野（量子暗号等）、レーザーライダー等の極微弱光検出を必要とする光応用計測分野、等で必要となる単一光子検出装置およびその出力処理方法に関し、特に、単一光子検出装置およびそのアフターパルス除去方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
アフターパルスは、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出器に顕著な雑音で、出力検出の誤動作の原因になる。アフターパルスは光子検出直後に発生する確率が高く、時間の経過とともに発生確率は低下する。光子検出直後からアフターパルスが発生し時間の経過とともに漸減して行くが、この間に、単一光子検出器は、光子が存在しない時刻に誤ってアフターパルスを検出し、光子検出時刻として記録してしまう。
【０００３】
簡単のため、光子パルス列が通信路（光ファイバー等）を経由して光子検出器に入射する場合を考える。予め設定した検出予定時刻に単一光子検出器を動作させると、通信路が透明で、且つ、単一光子検出器の量子効率が１の場合、単一光子検出器は全ての光子を検出する。従って、検出予定時刻と検出時刻は一致する。
しかしながら、一般に、通信路には損失があり、この場合、光子が単一光子検出器に入射する前に損失を受けて消えてしまうこともある。更に、現状の技術レベルでは量子効率を１とすることは非常に困難であり、光子が入射したにもかかわらず単一光子検出器が検出時刻を記録しないことも度々ある。
【０００４】
図１に検出予定時刻をＴｉ、ｉ  ＝  １、２、３、…、１２として、１２本のパルス列に対して２個の光子が検出された場合を考える。但し、どのパルスに光子が含まれるかは確率的で、検出前に２個の光子の検出時刻を正確に予言することはできない。
図１（ａ）は検出予定時刻を示す図であり、所定周期のＴ０〜Ｔ１２が検出予定時刻である。図１（ａ）では、一例として、Ｔ３とＴ９を検出時刻とした。黒丸は光子を表す。
【０００５】
検出は、理想的には、光子が単一光子検出器に入射するタイミング、即ち、図１（ｂ）に示す検出時刻Ｔ３とＴ９に検出することである。
しかし、アフターパルスの発生確率は光子検出直後が最も高く、図１（ｃ）に示すように、検出予定時刻Ｔ３およびＴ９の後のタイミングＴ４とＴ１１でアフターパルスが発生すると単一光子検出器が誤って検出して結局誤動作することがある。このため、アフターパルス発生により単一光子検出器は、本来、光子が存在しない時刻を誤って検出時刻として記録してしまうので、アフターパルスの発生を未然に防止、又は、発生したアフターパルスを除去して検出時刻を修正するための手法が必要になる。
【０００６】
従来の技術を示す学術論文  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  ３５、  Ｎｕｍｂｅｒ  １２、  ｐ．  １９５６  （発行年１９９６）は、図２（ａ）に示すように光子検出後、予め設定した時間（休止時間）、単一光子検出器を休止させて、アフターパルスの発生頻度が十分に低くなった時点から動作を再開させることによりアフターパルスの発生を防止するものであった。ここで、「休止時間」と本発明で使用する「基準値」は、共に、「アフターパルスの発生が無視できる程度の時間」に相当する量であるが、本発明では単一光子検出器を休止させることがないため「休止時間」の代わりに「基準値」とした。
【０００７】
尚、後記する本発明で提案するアフターパルス除去方法は「発生したアフターパルスを除去する手法」であり、従来技術の電子回路のように「アフターパルスの発生を防止する手法」（所定時間検出を行わない手法）ではない。また、本発明は除去のための計算アルゴリズムを対象としており、電子回路でアフターパルスの発生を未然に防止する手法とは原理的に異なる。
【０００８】
【本発明が解決しようとする問題】
図３は従来の単一光子検出器の休止・再開を実現する電子回路の一例である。但し、休止時間の調整は時定数回路Ｒｓ１、Ｒｓ２において遅延線等の電子部品で行われるため、一度設定すると再調整は難しい。また、休止時間を電子回路が持つ固有の信号遅延時間よりも短く設定することもできない。
これに対して、アフターパルス発生確率の時間依存性は受光素子であるアバランシェフォトダイオードの動作温度や動作電圧に大きく依存するため休止時間は常に調整できる方が望ましい。
【０００９】
更に、アバランシェフォトダイオードは素子間でも微妙に特性が異なるため、図３中のコンデンサーの容量や抵抗値を個々の素子に対して最適化する必要があり、電子回路によるアフターパルス発生防止法は非常に煩雑である。
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、休止時間に相当する基準値の設定変更、発生したアフターパルスの除去を簡単、容易に行うことができる単一光子検出器およびそのアフターパルス除去方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）アフターパルス除去方法において、 アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出手段が光子を検出するステップ、制御手段が、すべての光子及びアフターパルスを記録できる任意時間間隔の検出時刻を記憶し、直前の光子検出時刻との時間差を単一光子検出手段の動作条件や素子特性に応じて任意に調整する基準値よりも長い検出時刻のみを有効と判断するステップから構成されることを特徴とする。
（２）上記（１）記載のアフターパルス除去方法において、制御手段が、検出予定時刻を予め設定し、検出予定時刻でのみ前記単一光子検出器を動作させるように設定するステップから構成されることを特徴とする。
【００１１】
（３）上記（１）または（２）記載のアフターパルス除去方法において、請求項１または２記載のアフターパルス除去方法において、計時手段が、単一光子検出手段の検出時刻を計時するステップから構成されることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）記載のアフターパルス除去方法において、制御手段が、基準値をアフターパルスの発生が無視できる時間程度に設定するステップから構成されることを特徴とする。
【００１２】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載のアフターパルス除去方法において、制御手段が、前記基準値を検出時刻とともに設定し、直前の検出時刻との時間差が基準値以上となる検出時刻のみを有効と判断して、そのときの光子検出値を記憶手段に格納するステップから構成されることを特徴とする。
（６）アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出器を備えた単一光子検出装置において、光子及びアフターパルスを記録できる任意時間間隔の検出時刻を設定し、該検出時刻に基づいて光子を検出した光子検出時刻を記録し、直前の検出時刻との時間差を単一光子検出手段の動作条件や素子特性に応じて任意に調整する基準値よりも長い検出時刻のみを有効と判断する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な実施の形態について以下詳細に説明する。
本発明の単一光子検出装置は、アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出手段を設け、該単一光子検出器のアフターパルス除去のための計算アルゴリズムを実行しその演算結果をもとに所定の制御を行い所定の入出力機器（Ｉ／Ｏ）に出力するマイクロコンピュータからなる制御手段を設け、該制御手段はＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏインターフェースを備え、検出予定時刻が該制御手段の記憶手段に予め格納され、検出予定時刻でのみ該単一光子検出手段が動作するように設定され、検出予定時刻に光子が間違えなく検出されたことを確認するために検出時刻の計時手段を設けて構成する。
【００１４】
アフターパルス除去のための計算アルゴリズムは、検出時刻を光子およびアフターパルスも含めて全て記録した後、直前の光子検出時刻との時間差が予め設定した基準値よりも長い検出時刻のみを記憶装置に再格納する。これは、最初に光子が検出され、次にアフターパルスが検出されるという順番になっているので、測定期間内の最初の光子時刻の次の検出時刻がアフターパルスの発生と極めて深い関係にあるためである。そこで前記基準値をアフターパルスの発生が無視できる時間程度遅れた時刻に設定する。
【００１５】
（実施例）
図４は本発明の単一光子検出手段を備えた単一光子検出装置の構成図である。図４の装置は、光子検出を行う単一光子検出器からなる単一光子検出手段１、計時手段として用いる時計２、単一光子検出器のアフターパルス除去のための計算アルゴリズムを実行しその演算結果をもとに所定の制御を行い所定の入出力機器（Ｉ／Ｏ）に出力するマイクロコンピュータからなる制御手段３からなり、該制御手段は（図示しない）ＣＰＵ、メモリからなる記憶手段４、（図示しない）Ｉ／Ｏインターフェースを備える。前記記憶手段４には検出予定時刻、及び、基準値が予め格納されている。
【００１６】
（動作）
制御手段３は記憶手段４に格納された検出予定時刻を参照して、単一光子検出手段１を検出予定時刻でのみ動作させる。検出予定時刻に光子が間違えなく検出されたことを確認するために単一光子検出手段１の出力を計時手段２で計測した検出時刻を記憶手段４に格納する。全ての測定が終了するまで、検出時刻を記憶手段４に格納し続ける。測定終了後、アフターパルス除去のための計算アルゴリズムを制御手段３で実行し、アフターパルスの発生ではないと判断した検出時刻を記憶手段４に再格納する。
【００１７】
（計算アルゴリズム）
図５は計算アルゴリズムのフローチャートである。
（ステップ１）計算アルゴリズムを開始する。
（ステップ２）基準値Ｔａｐを入力する。基準値はアフターパルスの発生が無視できる程度の時間であるが、動作条件や素子特性に応じて任意に調整することができる。
（ステップ３）記憶手段４に格納されたｎ個の検出時刻データに対してＴｉ、ｉ  ＝  １、２、３、…、ｎを割り当てる作業を行う。尚、検出時刻データは検出時刻の早いものからＴｉに割り当てられる。
【００１８】
（ステップ４）使用する変数ｉ、ｊに零を代入して初期化を行う。
（ステップ５）変数ｉを１増加する。
（ステップ６）検出時刻Ｔｉ＋１に対して直前の検出時刻Ｔｉとの時間差がステップ２で設定した基準値Ｔａｐよりも長い場合、ＹＥＳ、短い場合ＮＯとする条件文を実行する。ＹＥＳの場合、直前の検出時刻との時間差が予め設定した基準値Ｔａｐよりも長い検出時刻となり有効となる。
（ステップ７）変数ｊを１増加してステップ６で有効とされた検出時刻Ｔｉ＋１をＴｊに代入する。
【００１９】
（ステップ８）変数ｉ＋１が検出時刻データの総数ｎと一致するか否かを判定する。一致する場合（ＹＥＳ）、検出時刻データはこれ以上ないのでステップ９へ移動する。一致しない場合（ＮＯ）、検出時刻データがまだ残っているのでステップ５へ戻って一連の作業を繰り返す。
（ステップ９）ステップ６で直前の検出時刻との時間差が予め設定した基準値よりも長い検出時刻のみがＴｉ、ｉ  ＝  １、２、３、…、ｊに代入されているのでこれを記憶手段４に再格納させる。このとき、ｊはステップ６で有効とされた検出時刻の総数である。
（ステップ１０）全ての作業が終了し、計算アルゴリズムを終了する。
【００２０】
図１に示したアフターパルスを除去するために上記アルゴリズムを適用した結果を図６に示す。
図６（ａ）は検出予定時刻を示し、図６（ｂ）はアフターパルスを含む検出信号を示し、図６（ｃ）はアフターパルスの除去に成功した本発明の検出信号を示す図である。
本発明のアフターパルス除去方法を適用すれば図６（ｃ）に示すようにアフターパルスは完全に除去される。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、アバランシェフォトダイオードを受光素子とするアフターパルス除去方法として、発生したアフターパルスの除去を簡単、容易に行うことができる。また、電子回路による従来例の休止時間に相当する基準値の設定変更も容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アフターパルスの説明図である。
【図２】従来の電子回路によるアフターパルス発生防止の説明図である。
【図３】従来の電子回路の構成図である。
【図４】本発明のアフターパルス除去装置の構成図である。
【図５】本発明のアフターパルス除去方法のフローチャートである。
【図６】本発明によるアフターパルス除去の説明図である。
【符号の説明】
１    単一光子検出手段
２    計時手段
３    制御手段
４    制御手段内部の記憶手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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