アバランシェフォトダイオードによって検出された光子数を判定する方法であって、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和している前にアバランシェフォトダイオードでの照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定することを具備する方法。継続時間に前記フォトダイオードの両端に前記フォトダイオードの降伏電圧より大きなバイアスを印加することと、前記継続時間は、デバイスの照明の後に飽和するために、デバイスを通るアバランシェ電流に必要である時間よりも短く、前記アバランシェ信号の大きさを測定することと、を具備する請求項1の方法。前記アバランシェが飽和することを可能にする時間に、前記フォトダイオードの両端に前記フォトダイオードの降伏電圧より大きなバイアスを印加することと、前記アバランシェが飽和するのにかかる時間よりも少ない時間に、前記アバランシェ信号を測定することと、を具備する方法。前記照明源は、光子がアバランシェフォトダイオードに達する場合にアバランシェ信号が測定されるように、同期されている請求項1から3のいずれか1項の方法。前記アバランシェ信号の前記大きさは、検出されている光子数を判定するために、1以上の所定のレベルと比較される請求項1から4のいずれか1項の方法。図1aは、複数の単一光子を検出するために用いられてもよい既知の検出システムの概略図である。それはアバランシェフォトダイオード1および抵抗器3を具備する。この例において、抵抗器は50Ω抵抗器であるが、他の抵抗を用いることができる。アバランシェフォトダイオードAPD1は逆バイアスにおいて構成される。ゲート信号が図1bに示されるように機能する入力信号は、入力5と接地7との間に適用される。図1bに示される入力電圧は、周期的な一連の方形電圧パルスであり、それは第1の値V1と第2の値V0との間で変化する。V1はアバランシェフォトダイオード1の降伏電圧より高くなるために選択される。上記の電圧がアバランシェフォトダイオードに印加される場合、検出器は、検出器特性記述セットアップにおいてパルスレーザ2および減衰器4で典型的に作られた弱い光源によって生成された入射光子に鋭敏になる。吸収される光子は、APDで電子と正孔のペアを生成し、それらはAPD内部の電場によって分離され加速される。APDのアバランシェ領域内の電場により、電子または正孔は、APDを通る巨視的で検出できる電流を引き起こす余剰キャリアのアバランシェを引き起こすかもしれない。巨視的な電流は、図1cにおいて示されるように、抵抗器3の両端の電圧降下を監視することにより通常検出される。電圧スパイク13は、光子が検出されたことを示す。しかし、APDに有限の電気容量典型的には1ピコファラッドを有しているので、出力はまた、ゲートパルスの立ち上がりエッジに反応するとき、APD電気容量の充電による充電パルス9を含み、ゲートパルスの立ち下がりエッジでの下降するバイアスに反応するとき、APD電気容量の放電による放電ディップが続く。充電パルスは正であり、光子に誘導されるアバランシェをしばしば不明瞭にする。このように、アバランシェスパイク13の振幅が充電パルス9を超えるように、APDバイアス電圧はしばしば増加する。その後、すべての充電パルスのレベルを越えた識別レベルを設定することによって、アバランシェを検出することができる。従来のAPDでは、ダイオードは、アバランシェ電流が飽和することを可能にする時間にその降伏電圧より大きくバイアスをかけられる。よって、アバランシェ信号サイズは外部回路によって判定される。このように、1以上の光子によって引き起こされたアバランシェ信号に差がないので、1つのパルスでの光子数を識別することは不可能である。図2の結果によって証拠づけられるように、このように操作されたシステムは、1つのパルス内の光子数を判定するために用いられえない。図2は図1aのシステムに関するアバランシェピーク図1のピーク13の振幅がどのようであるかの統計を示す。この測定では、APDは望ましい光子束に減衰された1550nmでのパルスレーザダイオードによって照明された。APDは、APD降伏より大きい2.5Vの過剰電圧および4Vの振幅を有した3.5ナノセカンドの方形電圧パルスを用いてゲート制御された。レーザパルスおよびAPDゲートは最大検出効率を生成するために同期され、クロックレートは100kHzであった。図2に示されるように、APD応答の振幅はオシロスコープを用いて記録され、振幅のヒストグラムは十分な測定数で累積され、図2ではx軸は予想されるアバランシェ位置図1c参照でのmVでのAPD応答信号ピークの高さであり、y軸は10000のレーザパルスごとの高さのピーク出現数を表す。上部の線は、APDで受信されたパルス当たり0.81の光子のフラックスに対応する。中央の線はパルス当たり0.346の光子のフラックスに対応し、下部の線はパルス当たり0.032の光子のフラックスに対応する。光子数決定検出器にとっては、光子数検出器信号出力は検出された光子数に比例する。光子の量子化された特質により、光子数すなわち1、2、3にしたがう離散分布は、図2の記録された信号振幅ヒストグラムに予期される。さらに、光子数ごとの重みは、検出器が光子数を決定する場合にポアソン分布にしたがう光子束にしたがって変化すると予期される。しかし、これは図2での場合ではない。3つの全てのフラックスに関して、中央ピーク高、すなわち最も共通するピーク高はおよそ80mVである。0.81の最大の検出されたフラックスでは、多くのパルスが2以上の光子を含んでいると予期され、一方、検出されたフラックスが0.032のように低かった場合ではこれは予期されない。しかし、両方のフラックスは同様な中央ピーク高を示すので、図1のAPDシステムは、1つの光子を有するパルスと2つの光子を含むパルスとを区別するために用いられない。光子がパルスにおいて検出されなかったときに、-9mVで中心となる大きなピークは信号出力に対応する。図3bは本発明の実施形態にしたがう回路を示す。図1bを参照して説明されたタイプの入力信号3aが適用されてもよい。しかし、入力信号はその降伏電圧を越えてデバイスにバイアスをかけることができるほど十分に大きい必要がある。特にこの例において、アバランシェピークが充電ピークよりも小さいように、バイアスは設定される。図3aに示されるように印加されるバイアスは、照明後、APDが、アバランシェ電流が飽和するために必要な時間よりも短い時間にその降伏より大きくバイアスされるように印加され、その時間は印加されるバイアスに依存して典型的には1ナノセカンド以上である。これは、アバランシェを引き起こしている光子数に関連する高さを有するピークをもたらす。単一光子によって誘導されるアバランシェは、光子が吸収される領域にAPD内に空間的に閉じ込められている局所的な微視的なフィラメントをまず形成するように提案される。APDの両端のバイアスが維持されると、フィラメントは最終的に、装置の全体を流れる電流ができかつ電流が飽和するまで広がる。このように、デバイスが逆にバイアスがかけられている時間を制限することによって、アバランシェを引き起こしている光子数に関連する信号を測定することが可能である。しかし、以前に説明されたように、APDは低周波でしばしば動作される。図3bの回路は、より高い周波数で動作されうるAPDを示し、このように非常に短い時間だけ装置に逆バイアスをかけることが可能であるものを示す。従来どおり、デバイスは抵抗器53と直列に提供されるアバランシェフォトダイオードを具備する。抵抗器53の両端で落とされる電圧はまず電力分割器55に入力される。電力分割器55は、出力信号を図3cに示される第1の部分と、図3cに示される第1の部分に同一である第2の部分とに分割する。その後、これらの2つの信号は電力分割器55のポート57および59を介して出力される。ポート59を介して出力される信号は、ゲート期間に等しい継続期間だけ信号を遅らせる働きをする遅延線56に入る。遅延信号は図3dに示される。その後、信号の第1の部分および遅延した第2の部分はハイブリッド結合61に供給される。ハイブリッド結合61は、図3eにおいて示される出力を与える180°位相シフトを有する信号の第1および遅延した第2の部分を合成する。図3cでわかるように、APD51によって光子誘導アバランシェは電圧スパイク信号73を生成する。図3dは、信号が1クッロク周期だけ遅延していることを除けば図3cの同一の複製物である。4dから3cを数的に減じることによって、ピーク77およびディップ75は、光子の存在を示す図3eの線に見られる。正のピークの後に負のディップが続いているもしくは装置の配置に依存して、負のディップの後に正のピークが続いている条件は、光子の検出を示す明確な印を認める。図3bにおける回路は、自己分化する回路を用いるハードウェアにおいて上記に説明された数値的に自己分化することを行なう。その後、自己分化回路の出力は、アバランシェによるピークの大きさを判定するピーク測定手段63に供給される。光子数は、アバランシェ電流に関連するピーク高さを判定する、またはアバランシェ電荷を与えるピーク下の領域を判定することにより判定されてもよい。電力分割器55は、Mini-circuitsから部品番号ZFRSC-42で売られるタイプでもよく、ハイブリッド結合はまた、Mini-circuitsから利用可能な部品番号ZFSCJ-2-4で利用可能である。電力分割器とハイブリッド結合とを結ぶ、2つの異なる長さを有する2本の同軸ケーブルを使用することによって、正確な遅延を実現することができる。電力分割器55、遅延線56およびハイブリッド結合61の組合せは、単一のプリント基板上に統合されてもよいことは注意されるべきである。典型的には、ゲート周波数は1.25GHzでありゲート幅は0.4ナノセカンドでもよい。より低い電圧レベルは降伏より4.6V低く、より高いレベルは降伏電圧より2V高いかもしれない。降伏電圧は典型的には、InGaAsAPDに関して47Vであるかもしれない図4は、アバランシェによるピークを有する自己分化された出力の実際のデータを示す。高周波では、完全に打ち消ししない自己分化をもたらす、ゲートバイアスの周波数での振動図3eには図示せずがしばしばある。このように、図4のデータはアバランシェ信号に加えてこの振動を示す。アバランシェピークを容易に識別することができることはデータから見られうる。図5は、図3bのシステムに関するピークの振幅の統計を示す。x軸は電圧での測定されたピークの高さであり、y軸は10000のレーザパルス当たりの高さのピーク出現数を表わす。この測定では、APDは、その強度がパルス当たり検出される平均して1.54の光子を生成するように設定された減衰されたレーザによって照明された。実線は減衰レーザ源のポアソン光子数分布を使用する理論的なモデル化を示し、ドットは実際のデータを表す。用いられる1.54のフラックスでは、光子が検出されないかなりの割合のパルスであって、図5の約0.05Vでゼロ光子ピーク72を生成するパルスがある。ゼロ光子ピーク72の振幅は、用いられる不完全な自己分化回路のため、厳密にゼロではない。実際上、完全に打ち消す自己分化回路を開発するのは難しい。このように、光子がない場合、小さな残差信号が常にある。図5のゼロ光子ピークのアバランシェ振幅が、図4の振動構造と合致していることを理解することができる。0.09V付近に形成されるピーク74は、1つの光子によって形成されるアバランシェに起因していて、約0.13Vでのピーク76は2つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因していて、0.16Vでのピーク78は3つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因していて、0.19Vでのピーク79は4つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因している。このように、図2のデータとは異なり、システムは、異なる数の光子に起因するアバランシェによって形成されるピークを区別するために用いられうる。図6は、異なるフラックスに関する図3bのシステムに関するピークの振幅の統計を示す。図6aでは、0.1のフラックスμを有するビームは図3bのAPDを照明するために用いられる。0.051Vでの強いピークは、ゼロ光子ピークとして目立つ雑音により見られる。さらなるピークも、パルス内の1つの光子の検出により0.087Vに集中される測定のうちのいくつかにおいて観測される。それ以上、ピークは見られない。0.2のフラックスに関するデータは図6bにおいて示される。再び0の光子に対応する大きなピークは0.051Vで見られ、約0.087Vでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。しかし、図6bにおける単一光子ピークは、図6bのフラックスが図6aのフラックスの2倍であるので、多くのパルスが単一光子を含むように約2倍だけ図6aでのそれよりも大きい。0.8のフラックスに関するデータは、図6cに示される。再び、0の光子に対応する大きなピークは、0.051Vで見られ、約0.087Vでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。図6cでの単一光子ピークは、より多くのパルスが図6cのデータでの光子を含むとして予期される図6bのそれより大きい。しかし、図6cにおいて、新規のピークは0.12Vとして中心となるわずかな測定において見られる。これは、測定のうちのいくつかについては、2つの光子が検出されたことを示すピーク振幅が見られることを示す。1.54のフラックスに関するデータは図6dに示される。再び、0の光子に対応する大きなピークが0.051Vで見られ、約0.087Vでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。2つの光子に対応する0.12Vでのピークは、より多くのパルスがより高いフラックスによる2つの光子を含むので、このデータにおいてより顕著である。最終的に3.3の極めて高いフラックスに関するデータが図6eに示される。再び、0の光子に対応する大きなピークは、0.051Vで見られ、約0.087Vでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。2つの光子検出に対応する0.12Vでのピークは、0の光子および1つの光子に関するピークより大きい。さらに、新規のピークは、3つの光子を有するパルスの検出に対応する0.151Vで生じるのを見られる。図3bは、APDの1つの可能な自己分化回路を例示した。図7は、図3bを参照して説明されたデバイスについての変形を示す。図7のデバイスは、APDおよび抵抗器図示せずから出力をとり、ハイブリッド結合81にそれを提供する。図3bの電力分割器55を参照して説明されるハイブリッド結合81は、出力を第1の部分と第2の部分に分離する。しかし、ハイブリッド結合81はまた、信号の第1の部分と信号の第2の部分との間で180°位相シフトを導入する。信号の第1の部分は出力83を介して出力され、第2の部分は出力85を介して遅延線87に送信される。図3bおよび図7のシステムは両方とも、電力分割器/合成器およびハイブリッド結合の組合せを用いている。しかし、ハイブリッド結合は位相シフタと電力結合器との組み合わせに置き換えられてもよい。例えば電力合成器および180°位相シフタがある。図3bのシステムについてのさらなる変形では、調整可能なRF減衰器が提供され、それは、2つの信号が等しい振幅を有する電力合成器またはハイブリッド結合に達することを保証するために、ハイブリッド結合61図3bまたは電力合成器89図7への入力のどちらかにおいて用いられてもよい。典型的には、ハイブリッド結合および電力分割器/合成器にはすべて有限の応答周波数範囲を有する。例えばハイブリッド結合では、Mini-circuitsのZFSCJ-2-4は、50MHzから1GHzまでの周波数範囲を有している。信号が範囲の外の周波数成分を含んでいる場合、それはうまくいかないかもしれず、打ち消しは完全ではないかもしれない。信号対バックグラウンド比を向上するために、さらにバンドパスフィルタがこれらの周波数成分を除去するために用いられてもよい。図3bでは、例えば、低バンドパスフィルタはハイブリッド結合出力の後に配置されてもよい。電力合成器89の出力は、アバランシェを生じさせた光子数を判定するために、電力合成器の出力の振幅を判定するように構成される測定手段90に供給される。図8は、図3および7を参照して説明されたシステムについてのさらなる変形を示す。図8aのシステムは、図3bを参照して説明されるように、アバランシェフォトダイオード51と、抵抗器53とを有する。さらに、抵抗器53の両端で落ちた電圧の信号は、第1の部分および第2の部分に信号を分割する電力分割器55に伝えられる。第1の部分は出力57を介して出力され、第2の部分は出力59を介して遅延線56へ出力される。その後、信号の第1の部分および遅れた第2の部分は、180°位相差を有する信号の2つの部分の信号を合成するハイブリッド結合61に供給される。しかし、図8aの装置では、入力電圧信号は、図3aに示されるような方形パルスの周期的な列ではなく、図8bにおいて示されるような正弦波電圧信号である。アバランシェ降伏に関するしきい値の上下でAPDにバイアスをかけるために十分な電圧振幅を信号が持つ限り、正弦波信号を持った図8aの検出システムにバイアスをかけることは可能である。実際、検出器は任意の周期的電圧信号でバイアスされてもよい。正弦波ゲート電圧に応じて、APD出力も正弦波である。光子検出による偶発的なアバランシェスパイクは正弦波出力に重ね合わされる。アバランシェスパイクの振幅はシヌソイド出力のものより典型的にはるかに小さい。しかし、図3bを参照して以前に説明されたように、電力分割器、遅延線およびハイブリッド結合を用いることによって、正弦波成分を大部分打ち消すことができ、アバランシェスパイクは明瞭に見えるようになる。さらに、正弦波信号の任意の小さな残りの成分は、正弦波信号の周波数に合わせられる帯域阻止フィルタ63によってハイブリッド結合61の出力から取り除かれてもよい。信号は増幅器65に渡されて、その後、出力信号での光子誘導スパイクの振幅を決定するために、測定手段67に渡される。図9は図3のシステムにおけるさらなる変形を示し、構成は図3を参照して説明されたものと同様である。出力信号はその後、電力分割器101に供給される。電力分割器101は信号を第1の部分および第2の部分に分割する。第1の部分は出力103を介して出力され、第2の部分はさらに遅延線107に供給される出力105を介して出力される。その後、信号の2つの部分は差動増幅器109に供給される。増幅器109の構成により、2つの入力の差のみが増幅される。区別された信号は、アバランシェを生じている光子数を決定するために、信号の振幅を測定する測定手段110に渡される。図3から9は、APDから光子数情報を導くために自己分化する処理を用いている。しかし、出力信号の大きさがアバランシェを引き起こした光子数と相関しているように、APDを駆動するために他の技術を用いることは可能である。これを行う一つの試みは図10に示される。不必要な反復を回避するために、同様の参照番号が図1のものと同様な特徴を示すために用いられる。図10は再びアバランシェフォトダイオード1および抵抗器3を有している。キャパシタ21およびさらなる抵抗器23は、抵抗器3および23は連続して接続されるように、アバランシェフォトダイオード1と抵抗器3と直列に形成される。この回路から、V1とV0の間で変化するAPDに関する合成されたDCおよびパルスのバイアスは、APDに適用され、一方V1とV0の間で変化するパルス信号だけはキャパシタに適用される。キャパシタ21からの出力信号は、光子の吸収がない状態でAPD1からの出力信号と同様になる。その後、APD1およびキャパシタ21からの出力はハイブリッド結合25で合成される。ハイブリッド結合25は、その2つの入力のうちの1つの位相を逆にする。したがって、ハイブリッド結合25は、APD1とキャパシタ21との両方からの出力信号180°の位相差がありその結果それらはほとんど打ち消し合うを合成する。これは充電9および放電11のピークが部分的に打ち消し合うことを可能にする。ハイブリッド結合25の出力は、アバランシェ信号を引き起こした光子数を判定するために出力でのピークの高さを測定する測定手段26に供給される。図11は、図10のシステムへのさらなる改善を示し、キャパシタ21が今、第2のAPD23に置き換えられる。不必要な反復を回避するために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。第2の抵抗器31および第2のAPD33は、図10の第2の抵抗器23およびキャパシタ21と同じ位置に提供される。その後、第1のAPD1および第2のAPD33の出力は、成分が互いに打ち消すために180°位相差を有するハイブリッド結合35で合成される。その後、ハイブリッド結合の出力は、アバランシェ信号を引き起こした光子数を判定するために、出力でのピークの高さを順番に測定する測定手段37に供給される。図12は、本発明のまたさらなる実施形態の概略図である。図12では、降伏電圧を越えたバイアスは、アバランシェが飽和することを可能にする時間に適用される。しかし、アバランシェ信号の測定が単に極めて短い時間だけで行なわれるように、信号は遮断される。図12aのシステムは図1のそれと同様である。したがって、任意の不必要な反復を回避するために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。図1に示すように、入力電圧は図12bに示され、そして電圧が降伏電圧の値より上のV1の値に上げられたとき、検出器は入射光子に鋭敏になる。信号Voutは図12cに示される。これは、図1cに示されるものと同様であり、アバランシェ信号は飽和し、このように外部回路によって判定される。しかし、この出力信号Voutはシャッター回路6に供給される。シャッター回路6はアバランシェ信号の部分をブロックアウトし、アバランシェ信号はプロファイル14を使用することによって飽和する。シャッター回路6の出力は、図12eに示され、単一の孤立パルス15であるV’outである。アバランシェ信号が飽和する前に、このパルスが導き出されているように、このパルスの高さの測定は受け取った光子数を示す。